潜固化剂在单组分聚氨酯防水涂料中的应用效果研究
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潜固化剂在单组分聚氨酯防水涂料中的应用效果研究
肖春霞
（中建材苏州防水研究院有限公司，江苏 苏州 215008）
来源：中国建筑防水
2024年2月第2期
研究了不同种类潜固化剂对单组分聚氨酯防水涂料消泡效果、力学性能及储存稳定性的影响，结果表明，不同种类的潜固化剂均能有效消泡；醛亚胺类潜固化剂对涂料的力学性能基本无不利影响，但 唑烷类潜固化剂会明显降低涂料的力学性能；分子结构中不含与异氰酸酯反应或引发其他反应基团的醛亚胺类潜固化剂对涂料的储存稳定性无不利影响。
单组分聚氨酯防水涂料；潜固化剂；醛亚胺； 唑烷；消泡效果；力学性能；储存稳定性
聚氨酯防水涂料主要分为单组分产品和双组分产品两类，其中，单组分聚氨酯防水涂料具有易操作、施工方便的优点。传统的单组分聚氨酯防水涂料是通过含 NCO 端基的预聚物与空气中的湿汽发生反应从而固化成膜，在其固化过程中会释放出 CO2，当 CO2聚集而不能及时排出时，固化后的涂膜中便会残留有明显的气泡，也因此导致传统的单组分聚氨酯防水涂料存在施工过程中不能厚涂，固化成膜速度慢，固化后的涂膜易出现气泡、针孔等问题，影响其使用性能。所以，从源头上消除气泡、改善湿汽固化聚氨酯防水涂膜的性能至关重要。目前通常采用在单组分聚氨酯防水涂料配方中添加潜固化剂来解决气泡问题。
本研究考察了不同种类的潜固化剂对单组分聚氨酯防水涂料的消泡效果、对主要力学性能的影响以及对储存稳定性的影响。
聚醚多元醇 2000D，工业级，上海东大化学有限公司；聚醚多元醇330N，工业级，上海东大化学有限公司；邻苯二甲酸二异壬酯，工业级，烟台万华聚氨酯股份有限公司；二苯甲烷二异氰酸酯（MDI），工业级，烟台万华聚氨酯股份有限公司；1 号潜固化剂（醛亚胺类），胺值为 235 mg KOH/g，自制；2 号潜固化剂（醛亚胺类），胺值为 347.9 mg KOH/g，自制；3 号潜固化剂（ 唑烷类），胺值为 235 mg KOH/g，Incorez 公司；4 号潜固化剂（ 唑烷类），胺值为 220 mg KOH/g，自制；800 目滑石粉、800 目重质碳酸钙，市售。
将聚醚多元醇与填料以一定比例在高速分散机上搅拌 20 min，然后倒入三口烧瓶中，于 110~120 ℃真空脱水 1.5~2 h，降温至 50 ℃以下，缓慢加入计量的 MDI，升温至 80 ℃反应至 NCO 含量降至理论值。将温度降至40 ℃以下，加入潜固化剂，搅拌 15~20min 后出料。其中，潜固化剂的用量按理论值计算。
将制备好的潜固化型单组分聚氨酯防水涂料按GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》中的要求进行相关性能测试。
潜固化剂的使用就是为了解决单组分聚氨酯防水涂料固化过程中产生气泡的问题，因此其消泡效果至关重要。将按要求制备的单组分聚氨酯防水涂膜样品在标准条件下养护，然后拍照观察涂膜中的气泡情况（为了便于观察，涂料配方中不加填料，各潜固化剂按活性基团与聚氨酯预聚体中的NCO 活性基团反应的理论量来计算）。不同种类潜固化剂制备的单组分聚氨酯防水涂膜的气泡情况如图 1 所示。
由图 1 可以看出，未添加潜固化剂的空白样涂膜中气泡很多；分别添加了1号潜固化剂和 2 号潜固化剂的样品，涂膜中有少量肉眼可见的气泡；添加了 3号潜固化剂的样品，涂膜中有肉眼可见的气泡；添加了 4 号潜固化剂的样品，涂膜中几乎没有肉眼可见的气泡。总体来说，与未添加潜固化剂的空白样相比，添加了潜固化剂的样品，涂膜中气泡明显减少，说明在添加量足够的情况下，不同种类的潜固化剂对单组分聚氨酯防水涂料均有明显的消泡效果。这主要跟潜固化剂的作用机理有关，当单组分聚氨酯防水涂料
与空气接触时，潜固化剂会优先与空气中的湿汽发生水解反应，释放出活性氨基基团，氨基基团再与涂料中的 NCO 基团反应固化成膜，避免了 NCO 基团直接与湿汽反应放出 CO2，起到了消泡作用。
虽然不同种类的潜固化剂对单组分聚氨酯防水涂料均能起到一定的消泡作用，但对其力学性能的影响却不尽相同。表 1 所示为不同种类潜固化剂制备的单组分聚氨酯防水涂料的主要力学性能。
由表 1 可以看出，添加醛亚胺类潜固化剂制备的单组分聚氨酯防水涂料（1号样、2 号样），其拉伸强度和断裂伸长率都较好，与未添加潜固化剂的空白样相比，撕裂强度仅轻微减小；而添加 唑烷类潜固化剂制备的单组分聚氨酯防水涂料（3 号样、4 号样），与未添加潜固化剂的空白样相比，不管是断裂伸长率还是撕裂强度都明显减小。这主要与不同种类潜固化剂的固化机理有关。图 2—4 分别是传统单组分聚氨酯防水涂料的固化机理、醛亚胺类潜固化剂的固化机理以及 唑烷类潜固化剂的固化机理。
由图 2—4 可以看出，醛亚胺类潜固化剂水解后生成的小分子胺是伯胺，固化过程中，伯胺与预聚体中的 NCO 基团反应生成脲键；而 唑烷类潜固化剂水解后生成的是 β-醇胺，β-醇胺与预聚体中的 NCO基团反应生成的是氨基甲酸酯基键和脲键，与氨基甲酸酯键相比，脲键的分子键能更大，因此力学性能相对更好。另一方面，β-醇胺中的羟基和仲氨基的活性都远低于伯胺，因此， 唑烷类潜固化剂水解后与NCO 基团的反应速率低于醛亚胺类潜固化剂水解后与 NCO 基团的反应速率，使得涂膜实干较慢，反应不完全，从而造成涂膜的力学性能偏低。
潜固化剂必须具有良好的水解性能，且不能对单组分聚氨酯防水涂料的储存稳定性产生不利影响。有的潜固化剂，水解速率较快，但储存稳定性较差，会导致单组分聚氨酯防水涂料的适用期变短；有的潜固化剂，虽然具有很好的储存稳定性，但其水解速率较慢，涂膜固化时间较长。潜固化剂对单组分聚氨酯防水涂料储存稳定性的影响差异主要是因为其化学结构不同，有的潜固化剂存在于异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体中时，能与异氰酸酯发生反应或引发其他反应，从而使储存稳定性变差。因此，需要选择合适结构的潜固化剂平衡储存稳定性与固化速率，才能制得性能较好的单组分聚氨酯防水涂料。
本研究将不同醛亚胺类潜固化剂制得的单组分聚氨酯防水涂料样品置于密封的瓶中，于 50 ℃下放置 14 d，观察样品的流动性来考察其储存稳定性。结果发现，不添加潜固化剂的空白样在 50 ℃下 14 d 后仍流动性较好；添加了 1 号潜固化剂的样品在 50 ℃下 14 d 后有整体增稠现象，流动性不是很好；添加了2 号潜固化剂的样品在 50 ℃下 14 d 后稍有增稠，流动性尚可。这可能是因为 1 号潜固化剂含有能与异氰酸酯发生反应或引发其他反应的基团，使得聚氨酯体系发生了较多副反应；而 2 号潜固化剂不含能与异氰酸酯发生反应或引发其他反应的基团。
本研究探讨了不同种类潜固化剂对单组分聚氨酯防水涂料消泡效果、力学性能及储存稳定性的影响，在本研究范围内得出如下结论。
1） 潜固化剂的使用均能有效解决单组分聚氨酯防水涂料固化过程中的气泡问题，不同种类的潜固化剂消泡效果不一样，主要与潜固化剂的水解反应速率和水解释放出的活性基团与异氰酸酯基团反应的速率有关。
2） 醛亚胺类潜固化剂的使用能提高单组分聚氨酯防水涂料的拉伸强度和断裂伸长率，但 唑烷类潜固化剂的使用却会使单组分聚氨酯防水涂料的断裂伸长率和撕裂强度明显减小，这主要与潜固化剂的固化机理有关。
3） 合适的潜固化剂不会影响单组分聚氨酯防水涂料的储存稳定性，这主要与潜固化剂的化学结构有关，潜固化剂分子结构中不能含有与异氰酸酯发生反应或引发其他反应的基团。
综上所述，本研究范围内胺值高、添加量小的 2号潜固化剂总体效果最好。
为方便阅读，本文移除了脚注。如有需要，请参阅《中国建筑防水 》2024年2月第2期 END
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