高性能聚脲弹性体防水涂料的制备研究

高性能聚脲弹性体防水涂料的制备研究

高新田，马金，刘棋，庄建林　　　　（江苏兰陵化工集团有限公司，江苏常州213119）　　　　摘要:通过分子结构设计，成功合成了高性能聚脲弹性体涂料，通过黏度-温度曲线选定了最佳的喷涂工艺参数。采用拉伸、红外光谱、凝胶含量和扫描电镜等表征手段，研究了成型工艺对材料力学性能的影响。结果表明，采用喷涂工艺成型制备聚脲样片的拉伸强度值为25MPa，而采用溶液涂膜法制备聚脲样片的拉伸强度为54.2MPa，综合分析后认为，二者拉伸强度的差异是由于喷涂及固化过程中在聚脲样片内部产生了大量气孔所致，并通过扫描电镜照片进行了验证。　　　　关键词:等体积；双组分；聚脲弹性体防水涂料；喷涂成型；力学性能　　　　0前言　　　　双组分聚脲弹性体是通过A组分（异氰酸酯同聚醚反应生成的端异氰酸根预聚物）和B组分（氨基聚醚复配物）反应制备的高性能材料[1]。由于异氰酸根和氨基生成脲键的反应速率极快，传统喷涂工艺无法成型，所以长期限制了该材料在工业领域中的应用。自从Huntsman公司[2]率先研发成功喷涂聚脲弹性体技术以来，聚脲弹性体防水涂料就凭借无溶剂、快速固化、对温湿度不敏感以及优异的物化性能[3]得到了迅猛的发展。特别是近年以来，在国内京津高铁、京沪高铁中成功的应用，该材料已成为未来几年防水涂料发展的方向和前沿，并且可以预期，随着人们对环境的高度重视[4]，聚脲弹性体防水涂料将会在业内占有更高的市场份额。本文通过分子结构设计合成了无溶剂、等体积的高性能聚脲弹性体防水涂料双组分，通过对其黏度的测试选定了最佳的喷涂工艺，制备出能够满足喷涂聚脲防护材料行业标准HG/T3831-2006要求的样片。之后通过喷涂成型和溶液涂膜法成型的标准样片进行比较，研究分析了成型工艺对材料力学性能的影响，发现喷涂法能够实现双组分均匀的混合，达到较高的凝胶含量，但内部存在的大量气孔导致其拉伸强度偏低。因此，配方的研制和喷涂设备的设计，仍然是限制该材料迈向更高平台的瓶颈。　　　　1试验部分　　　　1.1试验原料　　　　液化MD（IMM103C，异氰酸根质量分数29.45%），巴斯夫；端羟基聚醚，山东蓝星东大化工；端氨基聚醚JeffamineD-400、D-2000、T-5000和扩链剂二乙基甲苯二胺DETDA，Huntsman；乙酸乙酯（化学纯），国药集团化学试剂。　　　　1.2试验方法　　　　1.2.1聚脲弹性体防水涂料A、B组分的制备在干燥的单口烧瓶中加入一定量的液化MDI，搅拌下按比例加入端羟基聚醚，室温搅拌20min至均匀后，升温到70℃反应5h，得到异氰酸根含量为15%的A组分。按照分子结构设计，一定比例搅拌混合均匀端氨基聚醚D-400、D-2000、T-5000和扩链剂DETDA，加入2%的色粉研磨细化后得到B组分。　　　　1.2.2溶液涂膜法成型聚脲弹性体防水涂料标准样片　　　　将等体积的A、B组分分别溶于乙酸乙酯中配制成25%的溶液，在高速搅拌下混合10s后，倒入模具之中，涂膜在5s后凝胶固化。将膜在(23±2)℃的环境下放置2d挥发溶剂，再用水浸泡后揭下样片，之后继续在(23±2)℃的环境下养护7d，得到标准样片。　　　　1.2.3喷涂成型聚脲弹性体防水涂料　　　　使用GRACO的公司生产的E-XP2聚脲喷涂设备。设定A、B组分工作温度80℃，工作压力2kPa喷涂聚脲样片于聚酯片上，10s表干后揭下，在(23±2)℃的环境下养护7d，得到样片。　　　　1.3测试方法　　　　黏度测试采用上海尼润智能科技有限公司　　　　的NDJ-5S型数字黏度计进行测试。拉伸试验使用Instron1121型拉力机，选用5kN传感器,500mm·min-1拉伸速率测试[5]。红外光谱使用Nicolet-Nexus67型红外光谱进行测试；扫面电镜使用Hitachi-S4700型电镜测试。

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　2结果与讨论　　　　2.1聚脲弹性体防水涂料双组分的黏度分析　　　　喷涂聚脲弹性体技术是采用高温、高压、对冲式混合工艺[6]，在混合室内等体积计量混合双组分后快速喷出成型。为达到最好的混合效果，要求通过控制喷涂工艺（压力和温度），最大程度地实现A、B组分低黏度、等黏度。图1是A、B组分黏度随剪切速率和温度的影响关系曲线。

　　　　图1聚脲弹性体A、B组分黏度随剪切速率(Ⅰ，20℃)和温度(Ⅱ，60r/min)的影响关系　　　　点击此处查看全部新闻图片　　　　从Ⅰ图中可以看出，在20℃相同温度下A、B组分的黏度均随着剪切速率的增加而增加，并且在相同的剪切速率下，A组分由于氢键[7]的存在，其黏度远远大于B组分，因此在喷涂时不能通过调节压力实现两组分低黏、等黏。而另一方面，高的压力可以减小枪头堵塞的可能，并且有利于涂料的喷出成型，选择仪器最大转速60r/min，测量了两组分黏度随温度的变化曲线，如Ⅱ图中所示，可以观察到随着温度的增加，A、B两组分黏度均快速减小，同时逐渐接近，当温度为80℃时，分别达到21mPa·s和18mPa·s，因此可以通过调节喷涂温度的途径来消除A、B组分黏度差异，同步实现双组分的低黏度和等黏度，达到最佳的混合效果。　　　　2.2聚脲弹性体防水涂料的力学性能分析　　　　图2是聚脲弹性体防水涂料的应力应变曲线，其中a曲线是在配方设计时，采用溶液涂膜法成型的标准样片测试结果，可以发现其拉伸强度和断裂伸长率分别高达54.2MPa和852%。而采用上述喷涂工艺成型相同配方的样片，其拉伸强度降低至25MPa，断裂伸长率却仍然保持833%。虽然25MPa能够满足喷涂聚脲防护材料行业标准HG/T3831-2006的要求，但导致喷涂成型后拉伸强度接近50%下降的原因,以下将从混合反应程度和材料断面两个角度进行研究分析。

　

　　(a.溶液涂膜法标准样片；b.喷涂成型样片)　　　　2.3喷涂成型聚脲弹性体防水涂料对力学性能影响的分析　　　　2.3.1双组分的混合反应程度分析　　　　图3是红外光谱对样品的分析结果，从图3（a）中可以观察到A组分分别在1100cm-1、1735cm-1和2264cm-1处出现醚键、氨基甲酸酯中碳氧双键以及异氰酸根的伸缩振动峰，所以可以断定成功合成了端异氰酸根的预聚物;B组分是端氨基聚醚和扩链剂的复配物，见图3(b)，分别在1100cm-1和3371cm-1处出现醚键和伯氨中氮氢键的伸缩振动峰，在1619cm-1处出现伯氨中氮氢键的变形振动峰。而与图3（c）中溶液涂膜标准样片相比，图3（d）中喷涂成型样片的红外谱图同样没有在2264cm-1处出现异氰酸根的伸缩振动峰，1619cm-1和3371cm-1处出现伯氨中氮氢键的变形和伸缩振动峰，说明异氰酸根和氨基已经完全反应。图4是使用溶剂丙酮抽提聚脲样片的凝胶含量曲线[8]，可以发现采用喷涂成型和溶液涂膜成型的曲线有着相似的规律，随着聚合物的溶胀、低聚物的溶解，样片质量在8～10h达到平衡，在10h时均有95.6%的凝胶含量。因此，通过红外光谱和凝胶含量表征，可以判定采用上述喷涂工艺能够实现双组分均匀地混合。

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(a)A组分；(b)B组分；(c)溶液涂膜法标准样片；(d)喷涂成型样片

　　图3聚脲弹性体防水涂料的红外光谱分析

　　图4聚脲弹性体防水涂料的凝胶含量曲线

　　2.3.2材料断面分析

　　图5是拉伸试验样品的扫面电镜照片，可以很明显地观察到，除了2张照片均为粗糙的韧性断裂面外，喷涂成型样片不像溶液涂膜标准样片一般密实，其中含有20μm的气孔。这些气孔会成为拉伸测试时缺陷，从而喷涂成型样片的拉伸强度小于材料实际值。　　　　图5拉伸试验样品断面的扫描电镜形貌照片　　　　　　3结论　　　　本文通过分子结构设计合成了高性能聚脲弹性体防水涂料，并且对其黏度的表征选定了最佳的喷涂工艺，实现了双组分均匀的混合，制备出符合喷涂聚脲防护材料行业标准HG/T3831-2006要求的样片。研究了喷涂成型方法对材料力学性能的影响，发现喷涂样片的拉伸强度比溶液涂膜法制备的标准样片有所下降，其原因是聚脲样片中存在的气孔所致。

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