CN115109509A - 一种单组分环保水性聚氨酯防水涂料及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单组分环保水性聚氨酯防水涂料及其制备和应用。所述单组分环保水性聚氨酯防水涂料包括以下重量份的各组分：聚醚型水性聚氨酯分散体40～50份、聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体3～13份、分散剂1～3份、聚醚硅氧烷共聚物0.2～0.5份、亲水性气相二氧化硅0.2～0.4份、润湿剂0.2～0.4份、填料46～47份、成膜助剂1～3份。本发明的单组分环保水性聚氨酯防水涂料具有优异的防水性、耐酸碱性和力学性能，可广泛应用于建筑防水领域。
Description
技术领域
本发明属于建筑防水技术领域。更具体地，涉及一种单组分环保水性聚氨酯防水涂料及其制备和应用。
背景技术
水性聚氨酯防水涂料(Water-based polyurethane waterproof coating)是一种防水材料，属于环保型高分子聚合物弹性防水材料，产品无毒无味，不仅具有良好的粘结和不透水性，对砂浆水泥基石面和石材、金属制品均有很强的粘附力，且材料的化学性质稳定，能长期经受日光的照射，具有强度高、延伸率大、弹性好、防水效果好、环境友好等优势。水性聚氨酯防水涂料还具有优异的耐腐蚀性、耐候性和耐刮擦性，能很好适应建筑的形变，适用于国家重点工程和一般防水工程，如屋面、彩钢瓦、地下室、人防工程、厨卫间、涵洞、隧道、桥梁、水池等工程，也可用于金属管道、车间地坪、水池等工程的防腐蚀及木地板、水泥板、石棉制品、玻璃钢制品、陶瓷制品、地砖等的粘接，还可用作建筑结构的嵌缝材料。此外，水性聚氨酯防水涂料还兼具有很好的装饰效果，在欧洲、美国、澳洲、日本等发达国家得到了快速的发展和应用，尤其在建筑的屋面和外墙上的应用更加广泛，实现了建筑领域的防水装饰一体化。
目前市面上的水性聚氨酯防水涂料多为双组份，如现有的一种环保型弹性耐候型丙烯酸聚氨酯涂料由A组分和B组分构成，其中A组分由羟基丙烯酸类树脂、填料、环保溶剂、颜料、助剂组成，B组分由多异氰酸酯和聚醚多元醇反应而得的预聚物和环保溶剂组成，但该涂料具有诸多缺点，如：预聚物与水性混合物反应时产生大量气泡，涂膜后防水效果不佳；使用时需要先将两者混合均匀，操作麻烦等。
因此，制备一种防水性能较佳的单组分水性聚氨酯防水涂料，对于建筑防水领域具有相当的必要性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，旨在提供一种防水性能较佳的单组分环保水性聚氨酯防水涂料。
本发明的另一目的是提供一种单组分环保水性聚氨酯防水涂料的制备方法。
本发明的又一目的是提供上述防水涂料在建筑防水领域的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种单组分环保水性聚氨酯防水涂料，包括以下重量份的各组分：聚醚型水性聚氨酯分散体40～50份、聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体3～13份、分散剂1～3份、聚醚硅氧烷共聚物0.2～0.5份、亲水性气相二氧化硅0.2～0.4份、润湿剂0.2～0.4份、填料46～47份、成膜助剂1～3份。
本发明特定结合了聚醚型水性聚氨酯分散体、聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体这两种主要原料，使制得的水性聚氨酯防水涂料的力学性能较佳，如具有良好的延伸率等。本发明的单组分环保水性聚氨酯防水涂料以水性环聚氨酯树脂为主要成膜物质，不含有机溶剂、重金属、甲醛，挥发性有机物含量(VOC)含量超低，无毒无味，无需现场配料，开盖即可刷涂、机械喷涂，使用安全方便，且涂料以水为载体，具有一定的阻燃作用，储存稳定性高，环境友好。
优选地，聚醚型水性聚氨酯分散体43～48份、聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体5～9份、分散剂1.5～2.5份、聚醚硅氧烷共聚物0.3～0.5份、亲水性气相二氧化硅0.2～0.3份、润湿剂0.2～0.3份、填料46～47份、成膜助剂1～3份。
最优选地，聚醚型水性聚氨酯分散体46份、聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体7份、分散剂2份、聚醚硅氧烷共聚物0.4份、亲水性气相二氧化硅0.3份、润湿剂0.3份、填料46份、成膜助剂1份。
优选地，所述填料为钛白粉(titanium dioxide)、重质碳酸钙(Heavy CalciumCarbonate)、硫酸钡的混合物。
进一步优选地，钛白粉、重质碳酸钙、硫酸钡的质量比为2～7：35～40：3～10。
最优选地，钛白粉、重质碳酸钙、硫酸钡的的质量比为4：37：5。
优选地，所述成膜助剂包括但不限于醇酯类成膜助剂。
进一步优选地，醇酯类成膜助剂为醇酯十六和/或醇酯十二。
优选地，所述分散剂包括但不限于水性丙烯酸类分散体。
优选地，所述润湿剂包括但不限于聚醚改性硅氧烷共聚物。
本发明还提供了一种单组分环保水性聚氨酯防水涂料的制备方法，该方法包括如下步骤：取配方量的聚醚型水性聚氨酯分散体，依次加入分散剂、聚醚硅氧烷共聚物、润湿剂混匀，再加入填料，研磨，然后依次加入聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体、亲水性气相二氧化硅、润湿剂、成膜助剂，搅拌30～50min，即得到所述单组分环保水性聚氨酯防水涂料；
其中，第一次加入润湿剂的量为两次加入润湿剂总量的30～50％。
优选地，所述制备方法包括如下步骤：
S1.取配方量的聚醚型水性聚氨酯分散体，依次加入分散剂、聚醚硅氧烷共聚物、润湿剂混匀；
S2.加入钛白粉，在1300～1500rpm/min的转速下分散研磨至样品测试细度＜50μm，降低转速至不产生旋涡；
S3.加入重质碳酸钙，提高转速至1000rpm/min以上，分散研磨55～65min；
S4.降低转速至700rpm/min以下，加入硫酸钡继续研磨至样品测试细度＜50μm；
S5.边以小于700rpm/min的转速搅拌，边依次加入聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体、亲水性气相二氧化硅、润湿剂、成膜助剂，搅拌30～50min后，以4～6rpm/min的速度逐步降速，当转速降至0时，即得到所述单组分环保水性聚氨酯防水涂料；
其中，S1加入润湿剂的量为S1和S5加入润湿剂总量的30～50％。
本发明通过在研磨前后加入两种消泡剂(聚醚硅氧烷共聚物、亲水性气相二氧化硅)，其中，聚醚硅氧烷共聚物主要发挥抑制气泡产生的作用，亲水性气相二氧化硅主要发挥破泡的作用，两种消泡剂在对涂料内气泡的消除上发挥了协同增效的作用，使成膜后的涂层更加致密、均一，即使一次厚涂3mm以上也不会有气泡，防水性能突出，极大地缩短了施工周期，且力学性能突出，实现了建筑领域的防水装饰一体化。
本发明通过在研磨前后分两次加入润湿剂，有效避免了因一次性添加带来的稳泡现象，解决了涂膜致密度不足、力学性能下降、断裂伸长率低、吸水率高等问题。
本发明的单组分环保水性聚氨酯防水涂料不仅具有优异的力学性能，显著优于现有水性防水涂料，甚至与溶剂型聚氨酯防水涂料相当，还具有优异的防水性和耐酸碱性，显著优于溶剂型聚氨酯防水涂料和现有水性防水涂料，因此，上述防水涂料及上述方法制备得到的防水涂料在建筑防水领域的应用应在本发明的保护范围之内。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明的单组分环保水性聚氨酯防水涂料具有优异的防水性、耐酸碱性和力学性能，可广泛应用于建筑防水领域。
2.本发明的单组分环保水性聚氨酯防水涂料无需现场配料，开盖即可刷涂、机械喷涂，使用安全方便，且涂料以水为载体，具有一定的阻燃作用，储存稳定性高，环境友好。
3.本发明的单组分环保水性聚氨酯防水涂料不添加任何增塑剂，不会受到增塑剂的迁移影响，不容易与基材脱离，对基材附着力更持久，且耐候性能优异，可直接暴露在大气环境中，无需配套底涂，无需做保护层，经久耐用，还可在潮湿(无明水)的基面上施工，受雨水季节影响较小，节约工期和成本，减少后期的翻修等工序，更加省事，于用户而言更经济合理。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
一、实验材料和来源
聚醚型水性聚氨酯分散体：牌号Archsol8355，购自万华化学。
聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体：牌号FS-805，购自佛山钲洋新材料有限公司。
分散剂-水性丙烯酸类分散体：牌号D-9900，购自上海西月化工。
消泡剂-聚醚硅氧烷共聚物：牌号TEGO Dispers 650，购自湖南有鑫材料科技有限公司。
消泡剂-亲水性气相二氧化硅：牌号TEGO Foamex 8030，购自格瑞诗公司。
润湿剂-聚醚改性硅氧烷共聚物：牌号SL-3248，购自杭州崇耀科技发展有限公司。
成膜助剂-醇酯十六：牌号OE300，购自佛山市美仁化工贸易有限公司。
二、设备清洗
用纯净水对反应釜进行全面清洗后，再用氮气对反应釜及其管道进行吹扫。
三、原料抽检和预处理
根据GB/T 1725-2007标准测试聚醚型水性聚氨酯分散体和聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体原料中固体含量和有害物质含量，如有发现不合格，则及时更换符合要求的批次。
实施例1～5单组分环保水性聚氨酯防水涂料的制备
根据表1各原料的种类和用量，按照如下步骤制备120kg单组分环保水性聚氨酯防水涂料：
S1.取配方量的聚醚型水性聚氨酯分散体，依次加入水性丙烯酸类分散体、聚醚硅氧烷共聚物、润湿剂(聚醚改性硅氧烷共聚物)混匀；
S2.加入钛白粉，在1400rpm/min的转速下分散研磨至样品测试细度＜50μm(刮板细度计测试)，降低转速至不产生旋涡；
S3.加入重质碳酸钙，提高转速至1000rpm/min，分散研磨60min；
S4.降低转速至700rpm/min，加入硫酸钡继续研磨至样品测试细度＜50μm；
S5.边以700rpm/min的转速搅拌，边依次加入聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体、亲水性气相二氧化硅、润湿剂(聚醚改性硅氧烷共聚物)、醇酯十六，搅拌40min后，以5rpm/min的速度逐步降速，当转速降至0时，即得到所述单组分环保水性聚氨酯防水涂料；
其中，S1加入润湿剂的量为S1和S5加入润湿剂总量的40％。
表1
对比例1
同实施例1的制备方法，区别在于，用聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体替换聚醚型水性聚氨酯分散体，即制备过程中一共加入了53份聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体。
对比例2
同实施例1的制备方法，区别在于，用聚醚型水性聚氨酯分散体替换聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体，即制备过程中一共加入了53份聚醚型水性聚氨酯分散体。
对比例3
同实施例1的制备方法，区别在于，用聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体替换聚醚型水性聚氨酯分散体用量的50％，即S1加入聚醚型水性聚氨酯分散体23份，S5仍加入聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体30份。
对比例4
同实施例1的制备方法，区别在于，用聚醚硅氧烷共聚物替换亲水性气相二氧化硅，即制备过程中一共加入了0.7份聚醚硅氧烷共聚物。
对比例5
同实施例1的制备方法，区别在于，用亲水性气相二氧化硅替换聚醚硅氧烷共聚物，即制备过程中一共加入了0.7份亲水性气相二氧化硅。
对比例6
同实施例1的制备方法，区别在于，用二异辛基琥珀磺酸钠替换聚醚改性硅氧烷共聚物。
对比例7
同实施例1的制备方法，区别在于，用丁基萘磺酸钠替换聚醚改性硅氧烷共聚物。
对比例8
同实施例1的制备方法，区别在于，将润湿剂(聚醚改性硅氧烷共聚物)在S1一次性全部加入，即S1为：取配方量的聚醚型水性聚氨酯分散体，依次加入水性丙烯酸类分散体、聚醚硅氧烷共聚物、润湿剂(聚醚改性硅氧烷共聚物)混匀；S5为：边以700rpm/min的转速搅拌，边依次加入聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体、亲水性气相二氧化硅、醇酯十六，搅拌40min后，以5rpm/min的速度逐步降速，当转速降至0时，即得到所述单组分环保水性聚氨酯防水涂料。
对比例9
同实施例1的制备方法，区别在于，将S1的聚醚硅氧烷共聚物在S5时加入，即S1为：取配方量的聚醚型水性聚氨酯分散体，依次加入水性丙烯酸类分散体、润湿剂(聚醚改性硅氧烷共聚物)混匀；S5为：边以700rpm/min的转速搅拌，边依次加入聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体、聚醚硅氧烷共聚物、亲水性气相二氧化硅、润湿剂(聚醚改性硅氧烷共聚物)、醇酯十六，搅拌40min后，以5rpm/min的速度逐步降速，当转速降至0时，即得到所述单组分环保水性聚氨酯防水涂料；
其中，S1加入润湿剂的量为S1和S5加入润湿剂总量的40％。
对比例10
同实施例1的制备方法，区别在于，调换聚醚硅氧烷共聚物和亲水性气相二氧化硅的添加顺序，即S1为：取配方量的聚醚型水性聚氨酯分散体，依次加入水性丙烯酸类分散体、亲水性气相二氧化硅、润湿剂(聚醚改性硅氧烷共聚物)混匀；S5为：边以700rpm/min的转速搅拌，边依次加入聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体、聚醚硅氧烷共聚物、润湿剂(聚醚改性硅氧烷共聚物)、醇酯十六，搅拌40min后，以5rpm/min的速度逐步降速，当转速降至0时，即得到所述单组分环保水性聚氨酯防水涂料；
其中，S1加入润湿剂的量为S1和S5加入润湿剂总量的40％。
对比例11
同实施例1的制备方法，区别在于，将S5的亲水性气相二氧化硅在S1时加入，即S1为：取配方量的聚醚型水性聚氨酯分散体，依次加入水性丙烯酸类分散体、聚醚硅氧烷共聚物、亲水性气相二氧化硅、润湿剂(聚醚改性硅氧烷共聚物)混匀；S5为：边以700rpm/min的转速搅拌，边依次加入聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体、润湿剂(聚醚改性硅氧烷共聚物)、醇酯十六，搅拌40min后，以5rpm/min的速度逐步降速，当转速降至0时，即得到所述单组分环保水性聚氨酯防水涂料；
其中，S1加入润湿剂的量为S1和S5加入润湿剂总量的40％。
实验例1
根据GB/T 16777-2008水性防水涂料的测试方法对实施例1～5和对比例1～11所得涂料的力学性能进行测试，结果如表2～4所示。
表2
表3
表4
结合表2～4可知：
(1)对比例1仅仅添加了聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体这一种水性聚氨酯分散体，对比例3中聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体添加量偏高，所得涂料在酸、碱处理后的断裂伸长率均显著差于实施例1～5，且对比例1的涂料在碱处理后的低温弯折性极差(在-30℃下发生了开裂)，表明正是本发明结合了特定的两种水性聚氨酯分散体，且控制其特定用量，才使涂料具有优异的耐酸碱性能和力学性能。
(2)对比例2仅仅添加了聚醚型水性聚氨酯分散体这一种水性聚氨酯分散体，所得涂料吸水率过高，在0.4MPa、120min下出现了透水的现象，且在干基面的粘结强度、酸处理后的拉伸强度均显著差于实施例1～5，表明正是本发明结合了特定的两种水性聚氨酯分散体，才使涂料具有较低的吸水率，以及优异的耐酸碱性能和力学性能。
(3)对比例4仅仅采用了聚醚硅氧烷共聚物这一种消泡剂，对比例5仅仅采用了亲水性气相二氧化硅这一种消泡剂，两个对比例所得涂料均在0.4MPa、120min下出现了透水的现象，这是因为单独采用一种消泡剂无法有效消除在涂料膜层内部的气泡，导致涂料的致密度下降，易发生透水，防水性能较差，表明正是本发明结合了特定的两种消泡剂，才使涂料具有优异的防水性能。
(4)对比例6和7更换了润湿剂的种类，所得涂料均在0.4MPa、120min下出现了透水的现象，这是因为润湿剂本身具有稳泡作用，导致涂料成膜后内部包裹有大量的气泡，致密度下降，易发生透水，防水性能较差，而正是本发明采用特定的润湿剂，才能与其它成分(如特定种类的消泡剂)结合，有效克服了稳泡的问题，赋予了涂料优异的防水性能。
(5)对比例8将润湿剂一次性全部加入，所得涂料在0.4MPa、120min下出现了透水的现象，吸水率过高，且热处理后的断裂伸长率、酸处理后的拉伸强度均显著低于实施例1～5，表明正是本发明特定采用润湿剂分步添加的方式，才有效避免了因一次性添加导致的涂层内部疏松，进而导致吸水率偏大、热处理后断裂伸长率偏低等缺陷，才能使本发明的涂料具有优异的力学性能、防水性和耐酸性。
(6)对比例9～11更换了两种消泡剂的添加顺序，所得涂料在热处理后的断裂伸长率显著低于实施例1～5，且对比例9在0.4MPa、120min下出现了透水的现象，吸水率高，酸处理后的拉伸强度均显著低于实施例1～5，对比例10～11在热处理、酸处理、碱处理后的低温弯折性极差(在-30℃下发生了开裂)，表明正是本发明特定设置了两种不同消泡剂的添加顺序，才使涂料具有优异的力学性能、防水性和耐酸碱性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单组分环保水性聚氨酯防水涂料，其特征在于，包括以下重量份的各组分：聚醚型水性聚氨酯分散体40～50份、聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体3～13份、分散剂1～3份、聚醚硅氧烷共聚物0.2～0.5份、亲水性气相二氧化硅0.2～0.4份、润湿剂0.2～0.4份、填料46～47份、成膜助剂1～3份。
2.根据权利要求1所述防水涂料，其特征在于，聚醚型水性聚氨酯分散体43～48份、聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体5～9份、分散剂1.5～2.5份、聚醚硅氧烷共聚物0.3～0.5份、亲水性气相二氧化硅0.2～0.3份、润湿剂0.2～0.3份、填料46～47份、成膜助剂1～3份。
3.根据权利要求2所述防水涂料，其特征在于，聚醚型水性聚氨酯分散体46份、聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体7份、分散剂2份、聚醚硅氧烷共聚物0.4份、亲水性气相二氧化硅0.3份、润湿剂0.3份、填料46份、成膜助剂1份。
4.根据权利要求1所述防水涂料，其特征在于，所述填料为钛白粉、重质碳酸钙、硫酸钡的混合物。
5.根据权利要求4所述防水涂料，其特征在于，钛白粉、重质碳酸钙、硫酸钡的质量比为2～7：35～40：3～10。
6.根据权利要求1所述防水涂料，其特征在于，所述成膜助剂包括醇酯类成膜助剂。
7.根据权利要求1所述防水涂料，其特征在于，所述分散剂包括水性丙烯酸类分散体。
8.根据权利要求1所述防水涂料，其特征在于，所述润湿剂包括聚醚改性硅氧烷共聚物。
9.权利要求1～8任一所述单组分环保水性聚氨酯防水涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：取配方量的聚醚型水性聚氨酯分散体，依次加入分散剂、聚醚硅氧烷共聚物、润湿剂混匀，再加入填料，研磨，然后依次加入聚己内酯二醇型水性聚氨酯分散体、亲水性气相二氧化硅、润湿剂、成膜助剂，搅拌30～50min，即得到所述单组分环保水性聚氨酯防水涂料；
其中，第一次加入润湿剂的量为两次加入润湿剂总量的30～50％。
10.权利要求1～8任一所述防水涂料及权利要求9所述方法制备得到的防水涂料在建筑防水领域的应用。
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