水性聚氨酯改性乳化沥青防水涂料.docx

水性聚氨酯改性乳化沥青防水涂料王长安1,2，吴育良1,2，许凯1，陈鸣才1(1.中科院 广州化学研究所，广州 510650； 2.中国科学院 研究生院，北京 100039)摘要 ：本文以水性聚氨酯为改性剂对乳化沥青进行改性，运用相容剂等助剂提高了水性聚氨酯与沥青的相容性，并较为系统地研究了涂料的配方及其性能。当水性聚氨酯达到沥青质量的1/4后，粘结强度0.18MPa，拉伸强度 0.68 MPa，可作为一种“绿色”环保防水涂料进行推广。 关键词 ：防水涂料 ； 乳化沥青 ； 水性聚氨酯 ； 相容剂中图分类号：TU56+1.65文献标识码：A文章编号：1004-1672(2004)05-0036-03Emulsified Bitumen Waterproof Coating Modified with Water-Borne Polyurethane/Wang Chang-an et al / GuangzhouInstitute of Chemistry, the Chinese Academy of SciencesAbstract: Emulsified bitumen was modified with water-borne polyurethane as modifier, compatibility of water-borne polyurethane with bitumen was enhanced with aids such as compatibilizer and formulation and performance of the coating was studied systematically. When water-borne polyurethane mass was 1/4 as much as bitumen mass , its cohesive strength0.18MPa, tensile strength 0.68MPa, thus the coating could be deployed as a green environmentally friendly water- proofcoating.Key Words: waterproof coating, emulsified bitumen, water-borne polyurethane, compatibilizer石油沥青具有良好的粘结性、抗老化性和防水能力，长期以来被广泛的用作筑路、防水和密封等 材料1。用于防水工程有原料易得、价格低廉等的优 点，是国内外防水防渗工程中应用最为广泛的材料 之一。然而沥青高温流淌、低温冷脆开裂、耐候性 不佳，大多采用现场熬制、热施工的方式，这种方 法污染空气，对工人身体危害大，易发生火灾，施 工效率低。随着人们环保意识的增强和能源危机的 加剧，使沥青的乳化改性和新型防水涂料的开发成 为人们关注的热点。乳化沥青防水涂料的改性以氯 丁橡胶(CR)2、再生胶3、SBR4等最为常见，尽管 改性效果较为明显，但CR的价格相对较高，再生胶 改性后质量不够稳定，粘结强度较差等。水性聚氨酯(water-borne polyurethane，WPU)是 目前综合性能较好的防水涂料之一，具有成膜性好、 延伸率大、粘结力较强、耐油、耐酸碱等化学品和 施工应用范围广等优良性能，既有效避免了溶剂型 聚氨酯体系中有毒、易燃挥发性有机化合物(VOC) 的排放，又具有不燃、无毒、不污染环境、节约能 源等的优点。但耐水性却存在一定的不足57。基于 WPU 的优良性能，我们根据高分子共混 改性的基本原理，研究了 WPU 乳液改性乳化沥青的 制备，并对相容剂及其助剂的选择和用量的问题进行了初步探讨，有效地解决了沥青热淌冷脆以及沥青型聚氨酯的相容性较差，以及 WPU 涂料价格较高 等问题。另外，水性聚氨酯乳液改性乳化沥青涂料 未见文献报道。1 实验部分1.1 药品聚醚：商品名 N210，Mn=1000 100，羟基值1.862.14 mmol/g，南京金陵石油化工厂生产；甲苯 二异氰酸酯(TDI)，工业级，上海五联化工厂；2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)，工业级，湖州长盛化工有限 公司；70沥青，茂名石化; 相容剂 XRJ-10，XR-20 及其助剂 ZJ-1、ZJ-2，均为市售。1.2 沥青乳液的制备(1) 将复合乳化剂溶于4050的水，或加入一 定量的相容剂；(2) 将沥青加热至120130，按油水比6040 与上述乳化剂溶液，进入高速剪切搅拌 58 min 得 到固含量 60% 的沥青乳液。1.3 水性聚氨酯乳液的制备按一定比例，将 TDI 与一定量的 N210 加到四口 烧瓶(氮气保护)中并冷却到5，在高速搅拌下，补 加化学计量的 TDI，最后将一定量的 DMPA 和剩余 的 N210 加到四口烧瓶中，保持在 70左右搅拌反应第 6 期化学建材 374.5h，得到预聚体；将少量的三乙胺溶于5的水中，加入上述预聚体，高速剪切乳化，得到固含量 30% 左右的水性聚氨酯乳液。1.4 WPU 改性乳化沥青乳液涂料的配制 将沥青乳液和 WPU 乳液按照一定的配比，加入相应的助剂，高速剪切混合即得防水涂料，性能 待测。注意避免混合过程中乳液的破乳。1.5 涂料的性能测试(1) 乳液固含量：按GB 1725-79(89)测定；(2) 拉伸强度、断裂伸长率：参照JC500-92方 法测试，拉伸速率为 50 mm/min；(3) 粘结强度：8字模法测试；(4) 不透水性：动水压0.3 MPa，0.5h；(5) 耐酸碱性：25下在饱和Ca(OH)2溶液中浸20d；1%H2SO4 溶液中浸 15d；(6) 吸水率: 取适量乳液均匀涂覆于玻璃板上， 室温干燥成膜，剪成 2cm 2cm 的方型，称重(W1)， 浸泡于蒸馏水中，每隔一定时间取出并快速拭干， 称重(W2)，计算它室温下在水中的吸水率，计算公 式如下：吸水率 =（W2-W1）/W1 100%沥青主要成分为饱和分、芳香分等惰性组分，很难与聚氨酯中的异氰酸根反应，同时由于二者分 子量相差较大，混合后难以形成长期稳定的均相体 系。对此我们根据高分子共混改性的基本原理，通 过添加少量相容剂、消泡剂等助剂，改善体系相容 性的同时也较好地提高了防水涂料的力学性能。相 关结果见表 1、表 2。从表 1 可见，基质沥青的粘结强度、拉伸强度 等无法满足防水的要求。随着PU含量的增加，粘结 强度、拉伸强度、断裂伸长率等明显增加。二者比 例大于110时，部分性能指标达到JC 408-91的标 准，甚至达到JC 500-92的要求。这可能是成膜过程 中，共混物部分组分互相渗透，形成了以沥青为连 续相，聚氨酯为分散相的弹性网络结构。从表 2 可见，相容剂、消泡剂等的加入，涂料 的成膜性、力学性能得到了进一步的改善。因为助 剂中长链烷基与沥青有良好的相容性，而极性基团 的存在，与聚氨酯有较强的亲和力，使沥青-聚氨酯 的相界面变得模糊，特别是XRJ-20与异氰酸根有一 定的反应性，使二者的相容性变得更好，形成的相 互缠绕的网状结构进一步完善，从而使改性后的防 水涂料的拉伸强度等有较为明显的提高。体系的相 态结构与性能的关系有待于进一步的研究。以上测试同时参照GB/T2 结果与讨论2.1 力学性能16777-1997进行。从表1、表2来看，与拉伸强度、断裂伸长率的增加相比，粘结强度增加较少。主要因为该涂料体 系的极性较小，增大极性相容剂的用量，或对 WPU进行有机硅改性或加入硅酸盐类无机填料，有望提高涂料的粘结强度，改善其防水性能。2.2 吸水率38化学建材 2004 年吸水率是影响防水涂料性能的另一个重要的指标之一，其大小将影响防水涂料的使用性能。试验 数据见表 3。表3 水性聚氨酯改性乳化沥青防水涂料的吸水率定量的相容剂及其助剂)，与水性聚氨酯溶液按一定比例混合得到防水涂料。聚氨酯与沥青中的部分组 分相互溶涨、溶解，形成了具有一定弹性的网络结 构。在施工以后，随着水分的散失，该防水涂料在 基体表面黏附聚集成膜，从而具有一定的防水效果。3 结论将 WPU 与价格低廉、施工方便的乳化沥青相 结合，当 WPU/AE 比例介于 1/101/4 时能达到涂料 防水的基本要求。这既发挥了 WPU 优异的力学性能 和成膜性能，明显降低了 WPU 的吸水率，又较好地 解决了沥青防水材料的高温流淌、低温冷脆、耐候 性较差的难题，并在减少环境污染的同时节约了能 源，具有良好的经济效益、社会效益和推广前景。致谢：对于刘伟区老师和侯孟华同学在试验中给予的指导和帮助表示特别感谢！试验表明，纯沥青的力学性能不如聚氨酯，但它 12h吸水率(1.1%)远小于WPU的吸水率(28.2%)， 说明沥青的憎水能力较强，防水效果较好。二者的 吸水率均随时间有所增加，与纯 WPU 相比，改性后 样品的吸水率下降较快，72h 吸水率均在 10% 以下， 可见 WPU 改性乳化沥青解决了 WPU 吸水率大的问 题。而 WPU 含量的继续增加时，吸水率反而有所上 升，可能是由于二者的相容性变差造成的。当加入 少量相容剂后，吸水率再次下降，进一步证明上述 推论的可能性。另外，聚氨酯中残留的异氰酸根与体系中活性 氢的反应，产生的 CO2 或者是因搅拌等而产生的气 泡，会影响防水涂料的性能，如吸水率、拉伸强度、 断裂伸长率等。我们在添加相容剂同时加入少量有机硅类消泡 剂，也收到了一定的效果。2.3 成膜过程 经高速剪切搅拌形成的沥青乳液(或预先加入参考文献：1 Fawcett A H, McNally T. Blends of bitumen with various polyolefins J.Polymer, 2000,(41): 5315-5326.2 陈伟良，张月星用复合型乳化剂制备石蜡基石油沥青氯丁防水涂 料J新型建筑材料，1992，(4): 15-173 刘伟区，黄跃文，罗广建改性再生胶沥青水乳型防水涂料J化 学建材，1999，(1): 22-234 张书香，韩丙勇，雷大章，等丁苯橡胶改性阳离子乳化沥青防水涂 料的研制J山东建筑学院学报，1997，11(1): 50-545 Saxena P K, Raut K G, Srinivasan S R, et al. Polyurethane waterproofing coatingforbuildingapplicationsJ.Construction&BuildingMaterials.1991,5(4):208-2106 吕维忠水性聚氨酯改性研究进展J合成材料老化与应用，2003， (3)：36-387 吴蓁，郭青，徐梁，等改性水性聚氨酯树脂的合成及性能研究J 化学建材，2003，(3): 17-19收稿日期：2004-08-28作者简介：王长安（1978-），男，在读硕士，主要从事乳化沥青在防水 涂料、稀浆封层等方面的研究；陈鸣才（1954-），研究员，博士生导师， 主要从事聚合物的共混改性，超临界流体中高分子合成等研究。通讯地 址：（510650）广州市1122信箱中科院广州化学研究所；联系电话：(020)85231281.水泥工程（双月刊）水泥工程杂志是由中材国际南京水泥工业设计研究院主办、面向国内外公开发行的水泥专业核心技术期刊；2004年 江苏省十佳科技期刊；美国化学文摘(CA)收录期刊；中国学术期刊综合评价数据库统计源期刊、中国期刊全文数据库收 录期刊、中国核心期刊(遴选)数据库收录期刊。刊号：ISSN 1007-0389，CN 32-1449/TU。杂志开设有 10 多个专栏，进行大中型 / 新型干法水泥生产线的设计、施工、安装等建设经验交流；跟踪报道国内外最 新