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  铁路桥梁用高性能聚氨酯防水涂料的研制工艺

    聚氨酯防水涂料是以聚氨酯树脂为主要原材料制成的现场施工的防水材料,由于具有拉伸强度高、弹性好、断裂伸长率大、耐寒、耐热、耐老化性能好、防水性能极佳、防水寿命长、适用范围广、施工简便和维修容易[1]等优点而在防水涂料中占有很大的比例。《铁路桥梁用聚氨酯防水涂料》同GB/T19250—2003《聚氨酯防水涂料》技术标准相比,要求表干时间更短、拉伸强度更大、固体含量更高。目前国内市售的铁路桥梁用聚氨酯防水涂料在某些性能上能达到《铁路桥梁用聚氨酯防水涂料》技术标准的要求,但普遍存在着固含量偏低的问题,给环境带来很大的污染。因此发展高性能、环保型[2]聚氨酯防水涂料越来越受到人们的重视。本文采用自制预聚物、液体填料、固化剂、颜填料等制备了双组分无溶剂铁路桥梁用聚氨酯防水涂料[3-5]。该防水涂料性能全部达到了《铁路桥梁用聚氨酯防水涂料》技术标准的要求。
  
  2试验部分
  
  2.1主要原材料及规格
  
  预聚物(自制),固化剂、催化剂、液体填料、滑石粉、轻钙、钛白粉、分散剂和消泡剂等均为工业级,阻聚剂为试剂级。
  
  2.2主要试验仪器及设备
  
  NH500型电子调温加热套、DJIC增力电动搅拌器、四口烧瓶、三口烧瓶、温度计、真空泵、冷凝管、烧杯、AGS-J拉力试验机、锥形磨、高速分散机等。
  
  2.3聚氨酯防水涂料乙组分的制备
  
  将配方量的液体填料、固化剂、分散剂、消泡剂、催化剂、滑石粉、轻钙和钛白粉等依次加入到烧杯中搅拌均匀,然后在锥形磨上研磨至合适的细度,过滤出料即得聚氨酯防水涂料乙组分。
  
  2.4聚氨酯防水涂料的制备
  
  预聚物作为防水涂料甲组分,按一定比例将甲、乙组分在室温下混合均匀,即得高性能聚氨酯防水涂料。
  
  2.5聚氨酯防水涂料的性能测试
  
  将甲、乙组分按一定比例在室温下混合均匀后,按铁路桥梁用聚氨酯防水涂料技术标准的要求进行涂膜、养护、制备试件和性能检测。

 

 

  3结果与讨论
  
  3.1异氰酸酯质量分数对涂料性能的影响
  
  甲组分中异氰酸酯(—NCO)的质量分数是影响聚氨酯防水涂料综合性能的关键因素,因此可以通过调整甲组分中—NCO的质量分数来改善聚氨酯防水涂料的综合性能。甲组分中—NCO质量分数对聚氨酯防水涂料综合性能的影响见表1。

  表1—NCO质量分数对涂料性能的影响
  由表1可见随着—NCO质量分数的增加,适用期、表干时间逐渐缩短,断裂伸长率逐渐降低,拉伸强度逐渐增加。—NCO质量分数过高将生成更多的刚性链段,刚性链段过多将导致伸长率过低,综合性能变差;反之—NCO质量分数过低将生成更多的柔性链段,柔性链段过多将导致拉伸强度过低,实干时间过长,因此—NCO质量分数须具有一个合适的范围。综合对比可以发现当—NCO质量分数在5.2%时,综合性能最优。
  
  3.2—NCO和活性H物质的量比对涂料性能的影响
  
  —NCO和活性H物质的量比过高或过低对聚氨酯防水涂料的性能都有很大影响,过高生成的气泡过多,导致拉伸强度及断裂伸长率均不能满足要求,过低导致乙组分不能充分反应,轻者导致拉伸强度及断裂伸长率均不能满足要求,重者导致防水涂料不能实干。—NCO和活性H物质的量比对聚氨酯防水涂料性能的影响如图1、2所示。

  图1、2—NCO和活性H物质的量比对聚氨酯防水涂料性能的影响
  由图1、2可以发现断裂伸长率随着—NCO和活性H物质的量比的升高,先升高然后逐渐降低,拉伸强度随着—NCO和活性H物质的量比的升高逐渐升 

 

 高。随着—NCO和活性H物质的量比增加,硬段含量增加、大分子的刚性增大、氢键密度增大,分子间作用力增大,聚氨酯分子链间物理交联点的密度也增加,从而使拉伸强度、延伸率和撕裂强度增大;随着—NCO和活性H物质的量比的继续增加,硬段的含量过多,氨酯键和脲键的密度过大,虽然其拉伸强度和撕裂强度会有所提高,但是聚氨酯分子链间作用力增大使分子链的运动受阻、柔性降低,涂膜的硬度增大、断裂伸长率有所下降,同时涂料的施工性及流平性不好。若超过一定比值时,涂膜发脆,气泡和针孔增多;同时游离的—NCO基含量增加,游离单体的挥发使人体受到伤害。因此,—NCO和活性H物质的量比不宜过高,综合对比当—NCO和活性H物质的量比在1.1时综合性能最优。
  
  3.3液体填料和固化剂配比对涂料性能的影响
  
  液体填料一方面可以参与交联反应,另一方面可以帮助润湿填料起到降低聚氨酯防水涂料黏度的作用。液体填料和固化剂的合适配比(物质的量比)不但能保证聚氨酯防水涂料有较好的施工黏度而且能保证其有较优的综合性能。液体填料和固化剂配比的不同对聚氨酯防水涂料综合性能的影响见表2。

  表2液体填料和固化剂配比对涂料性能的影响
  由表2可以看出,在液体填料含量较高时表干时间及拉伸强度不能满足要求,固化剂含量较高时,伸长率不能满足要求;这是因为—NCO和液体填料的反应速率低于—NCO和固化剂的反应速率,所以随着液体填料含量的增加表干时间增加,适用期延长;此外液体填料还起到增塑剂的作用,液体填料含量过高将导致柔性链段增加、刚性链段减少,—NCO和固化剂反应生成刚性链段,固化剂含量过高导致拉伸强度增加,断裂伸长率下降。综合对比,当液体填料∶固化剂(物质的量比)为7∶3时,综合性能最优。
  
  3.4颜基比的不同对聚氨酯防水涂料性能的影响
  
  合适的颜基比不但能降低成本,而且还能起到提高聚氨酯防水涂料综合性能的目的。颜基比的不同对聚氨酯防水涂料性能的影响如图3、4所示。

 

  图3、4颜基比的不同对聚氨酯防水涂料性能的影响
  由图3、4可以看出随着颜基比的增大,断裂伸长率及拉伸强度逐渐降低。这是因为,一方面,颜填料和基料树脂混合后,形成交联网络和硬段塑料相网络;以小分子状态存在的颜填料将被固定于整个网络之中。 

 

  聚氨酯软硬段聚集所形成的交联网络空间只能容纳一定量的颜填料,当颜填料用量过多时,多余的颜填料游离在体系中,阻碍交联,降低交联度,增加了短链分子的数量,同时还降低了分子间的相互作用力;另一方面可能是由于颜基比过高使得部分颜填料发生了抱团现象,这样只有颜填料团表面上的颜填料与材料中的大分子发生了物理结合,而且这种抱团现象使材料产生缺陷的几率增加,在表面及内部形成了气泡、针孔等应力集中物,从而造成试样拉伸过程中的应力集中,最终导致断裂伸长率及拉伸强度大大下降。综合考虑聚氨酯防水涂料的性能及成本,选择颜基比为0.8。通过以上讨论可得聚氨酯防水涂料的较优配方,见表3。

  表3聚氨酯防水涂料的较优配方
  由较优配方制得的聚氨酯防水涂料综合性能检测结果和铁路桥梁用聚氨酯防水涂料技术标准对比见表4。

  表4自制聚氨酯防水涂料的综合性能
  4结语
  
  本文讨论了—NCO含量、—NCO和活性H物质的量比、液体填料和固化剂配比以及颜基比的不同对聚氨酯防水涂料综合性能的影响;当—NCO含量在
  
  5.2%、—NCO和活性H物质的量比在1.1、液体填料和固化剂配比在7∶3、颜基比在0.8时所制备的聚氨酯防水涂料综合性能最优。由较优配方制备的聚氨酯防水涂料具有表干、实干时间短,拉伸强度、断裂伸长率高等综合性能优异的特点,完全能满足铁路桥梁用聚氨酯防水涂料技术标准的要求。

 

 

 
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