摘要

很多桥梁都是由钢筋混凝土建成，混凝土结构承载着车辆的冲击、摩擦、环境中雨水、阳光等的侵蚀，出现腐蚀老化，内部钢筋发生锈蚀，钢筋发生锈蚀体积膨胀4-8倍，引起混凝土开裂，掉块。因此在混凝土表面需要进行防腐保护措施。公司研发了一种双组份聚氨酯防水防腐涂料FH-FS3091，不仅可用于桥梁的养护，同时可用于建筑、地铁隧道、水利水电工程等，本文探讨了FH-FS3091聚氨酯涂料的填料、异氰酸酯、多元醇以及扩链剂等的选用，以及FH-FS3091聚氨酯涂料的性能，并说明了双组份聚氨酯涂料的现场施工工艺和注意事项。

关键词：聚氨酯、防水涂料、材料配比

1、引言

目前，我国用于桥梁混凝土防护的材料主要有三类：刚性防水材料，防水卷材和防水涂料。其中防水涂料主要有环氧胶乳防水涂料、阳离子乳化氯丁沥青防水涂料、聚氨酯防水涂料。环氧乳胶防水涂料与沥青混凝土的粘结处容易出现鼓包和滑落，阳离子乳化沥青防水涂料的耐高温性不好，对混凝土桥面的附着力不稳定。

1.1聚氨酯材料

1937年德国化学家Otto Bayer 发现了异氰酸酯与活泼化合物反应，形成了聚氨酯材料的基础。到了60年代，美国从原料生产到聚氨酯及其制品的开发与加工逐渐形成了一个完整的工业体系，并在聚氨酯工业中得到了领先地位。日本聚氨酯工业主要是通过技术引进和外国公司合资发展的，到20世纪60年代研发了许多具有特色的聚氨酯。我国聚氨酯从80年代初开始，随着国外原材料和生产技术的进口，加快了我国聚氨酯的发展。

聚氨酯的出现是为了解决刚性防水和传统的柔性防水存在的诸多问题。聚氨酯防水涂料时聚氨酯涂料应用的一个方面，它是一种高档防水、防腐材料。主要运用在建筑物和管道的防水、防渗。甚至可以做人造草坪和弹性地面；也可在桥梁上使用，与混凝土结合牢固，形成无接缝的涂层。

聚氨酯化学反应机理

聚氨酯的成分之一异氰酸酯与涂料的成膜、性能息息相关。在涂料化学中常见的反应有异氰酸酯基团与多种基团进行反应，如：羟基、胺基、脲基以及水分子等，另外，异氰酸酯可自发自聚反应。其中异氰酸酯与有机分子中的羟基反应是合成预聚物、反应型聚氨酯涂料的生产基础。

异氰酸酯与多元醇的反应是预聚体的合成反应和非湿气涂料成膜固化主要机理。具体反应如下：

异氰酸酯与水的反应时湿固化聚氨酯涂膜的主要反应，异氰酸酯与水反应形成氨基甲酸，它迅速分解成二氧化碳和胺。少量的水即可消耗大量的—NCO基团，甚至引起凝胶，所以在预聚体合成时，要进行干燥处理。具体的反应过程如下：

异氰酸酯和胺基反应，反应如下：

这是聚氨酯或聚脲的涂料制备过程，当异氰酸酯与氨基反应，反应的产物就是聚脲。

聚氨酯的合成单体

聚氨酯的合成原料主要是异氰酸酯、羟基多元醇、催化剂等。

多异氰酸酯

多异氰酸酯是含有—NCO基团的物质，可以分为两大类：芳香族多异氰酸酯和脂肪族多异氰酸酯。

芳香族多异氰酸酯作为聚氨酯的原料时，涂料的耐腐蚀性能良好，涂膜的硬度高，相对于脂肪族多异氰酸酯，芳香族多异氰酸酯价格低廉，但其耐候性较差，在紫外线照射下易变黄粉化。

脂肪族多异氰酸酯

聚氨酯涂料以脂肪族多异氰酸酯为原料时，其涂膜具有良好的保色性能，在户外的耐久性较好，此外具有耐候性好，紫外线照射下不变黄等优点。

低聚物多元醇

聚氨酯合成用低聚物多元醇与异氰酸酯反应得到的PU具有较高强度和硬度，分子间的作用力大，内聚力大，机械强度高。其极性材料的粘附性、抗热氧化性能也均优于聚醚型的。

聚醚多元醇

聚醚多元醇在价格上低廉，具有很好的竞争能力，柔韧性要优于聚酯型的材料。耐水解性能也好。

扩链剂

扩链剂时聚氨酯弹性涂料的三大重要原料之一，用于调节大分子链的软、硬比例。扩链剂具有改善涂膜力学性能的功能，但是扩链剂用量不易过多，否则粘度大，容易凝胶。主要的扩链剂有：

催化剂

聚氨酯的反应中通常需要加入催化剂的作用，催化剂包括正向加速反应的催化剂，也有降低反应速率，抑制反应过快的逆向催化剂。大部分为提高反应速度的，多呈碱性。有些有机酸可以减缓预聚体的凝聚速度。

1．2聚氨酯涂料

聚氨酯涂料是聚胺基甲酸酯的简称，它通常是由异氰酸酯和含羟基化合物制得，化学反应如下

从聚氨酯分子式看含有甲酸酯键，不饱和的双键、异氰酸酯、脲键、醚键等，因此聚氨酯涂料性能优异。聚氨酯涂料有以下特性：

1、 由于分子结构中含有大量氢键，所以涂膜有很好的物理力学性能，涂膜坚韧、耐磨、光亮、丰满、易被涂物附着力好。

2、 通过调节配方，添加扩建键，改变聚氨酯的性能，获得所需要力学性能的涂膜，以适应不同环境的涂膜。

3、 优异的防腐性能，耐酸，耐水性优于环氧涂料，耐酸、碱、耐水、耐热性能优于乙烯类树脂。

4、 施工可操作方位广，可室温固化，也可加热固化。

5、 异氰酸酯的多官性能决定了它与多种树脂进行改性，如聚酯、环氧、羟基丙烯酸、有机硅树脂、沥青、共聚物等。

6、 良好的电绝缘性。

聚氨酯涂料是一种高级耐用的合成树脂涂料，涂层具有优异的粘结性、耐磨性、柔韧性、回弹性、耐化学腐蚀性、耐溶剂性、光泽性等，集装饰与保护于一体。应用领域主要包括：飞机、船舶、车辆涂装；木材、塑料、橡胶、皮革的表面涂装；建筑物涂装；防腐涂装等。

聚氨酯防水涂料最早出现在20世纪60年代的欧美等国，直到70年代我国开始聚氨酯的研究。聚氨酯的出现弥补了沥青防水涂料和防水卷材的不足。聚氨酯防水涂料的耐高温性能优良，耐老化性能好，本身具有良好的防水性能，施工维修方便等特点，使其在民用建筑、地铁隧道、铁路桥梁、水利水电工程领域的发展迅速。本文通过试验优化选择高性能的多异氰酸酯和多元醇，选择适当比例耐紫外线、扩链剂、颜料，提高其耐磨、耐候性能，以及提高涂膜的防水性能。为此，上海法赫研发出了一种双组分高性能的聚氨酯防水涂料FH-FS3091。

2、FH-FS3091双组分聚氨酯防水涂料配制与试验

2.1、FH-FS3091双组分聚氨酯防水涂料配制

原材料：二笨基甲烷二异氰酸酯、丁二醇、钛白粉、纳米二氧化硅、异丙醇、紫外线吸收剂、防老剂等。

主要仪器名称:分散搅拌机、鼓风干燥箱、天平、以及测试仪器等。

2.1.1、A组份原料的选择和合成

A组份异氰酸酯的选择

由于涂层会应用环境在户外，暴露在紫外线、酸雨等条件下，这要求涂膜不但具有一定的弹性、耐酸碱腐蚀的性能，还要有较好抗紫外线功能。

脂肪族的异氰酸酯具有较好的耐紫外线和防护功能，我国目前具有工业化生产能力的两种异氰酸酯为TDI和MDI，选择二苯基甲烷二异氰酸酯作为合成预聚体的原料。

A组份中多元醇的选择

在聚氨酯涂料原料中使用的多元醇通常有聚酯型和聚醚型两种，本试验采用的是聚醚型的多元醇，聚醚的结构有比较容易旋转的基团，聚醚型的聚氨酯的柔顺性比较好，耐水性也比聚酯型聚氨酯好。

A组分的制备

将混合聚醚多元醇在一定条件下真空脱水加入多异氰酸酯，升温反应，测定体系的—NCO含量达到理论值时停止反应，作为A组份备用。选择反应温度有50℃、60℃、70℃、80℃、90℃进行反应。在各个温度下随着时间的延长，聚合反应越完全；此反应为放热反应，反应速率是随着温度的升高而加快，本文最终选择反应温度65℃，反应时间3h。 

2.1.2、B组份原料的选择和合成

B组份中扩链剂的选择

扩链剂的作用在于调节聚氨酯涂料中软硬的比例，改变涂料的机械性能。最常用的有：1,4-丁二醇和二胺类的MOCA。

扩链剂对涂膜断裂伸长率的影响

根据相关的试验数据，我们采用了MOCA作为聚氨酯的扩链剂，涂膜的整体机械性能较好。

B组分固化体系配比对涂膜的影响

如果只是用扩链剂MOCA作为聚氨酯涂料的固化组份，涂膜的强度很好，但是断裂伸长率不高；同时MOCA常温为固体，加入融化后与A组份反应过于激烈，出现在未搅拌均匀就发生固化现象。本文通过加入一支聚醚多元醇与MOCA作为涂料的固化成分。

涂料中还需加入颜填料。颜填料的加入，一方面减少涂料成本，带来经济效益；另一方面，该善涂膜的性能。

无机填料选择了二氧化硅，由于二氧化硅的物理、化学性质十分稳定。是中性的无机填料，不含有结晶水，与大部分酸碱都不反应，耐腐蚀性较强。增强涂膜的抗拉伸、抗压、抗冲击强度、耐磨性、阻燃性增强。

钛白粉作为填料，耐光性很强，反射能力强，减小紫外线对涂膜的破坏，可与抗紫外线吸收剂一起使用，提高其使用寿命。

将扩链剂、聚醚多元醇、填料、催化剂、抗紫外线吸收剂等助剂高速搅拌，得B组份备用。

2.1.3聚氨酯涂料的制备

将A、B两组份按一定比例充分搅拌混合制得涂膜。

A、B组份反应基团配比的影响

聚氨酯涂料的涂膜固化过程主要是A组份剩余的异氰酸酯的-NCO基团和B组份中多元醇的羟基和扩链剂的氨基的反应过程，A组份和B组份按照不同比例混合固化时，聚氨酯涂料中可能发生的反应。

由于空气中含有微量的水分会消耗部分异氰酸根，通过不同的A/B反应基团配比试验得到，A/B组份的活性基团比例为1.1.：1时材料涂膜固化情况最佳。

2.2涂料性能评价

2.2.1耐紫外线测试

分别将添加颜料前后的涂膜置于紫外线下照射，间隔不同时间分析结果， 试样的拉伸强度先增大后减小的，这可能是由于紫外线光的照射时涂膜内残余的基团进行反应完全，涂膜的拉伸强度出现了增加，随着光照时间的延长，涂膜内部的结构破坏，其拉伸强度降低。由对照试验可得到添加填料的涂膜的拉伸强度比未加填料的高。

2.2.2抗氧化性能测试

结果显示，随着加热时间的延长，涂膜的拉伸强度变化趋势和紫外线老化情况相似，先增大后减小。

2.2.3涂层机械性能评价

根据本文得到的A、B最佳配比制成的试样，对试样进行基本的机械性能测试：主要物理性能指标参照GB/T19250-2003，试样的机械性能达到标准以上。

3、FH-FS3091双组分聚氨酯防水涂料特点

简介：双组份聚氨酯防水涂料是上世纪九十年代最新研制成功的一种新型高分子防水材料，其主要成分是聚氨基甲酸酯等高分子物质。

产品特点：

1、具有良好的抗湿性，在基层含水率＜9%的情况下仍可照常施工。

2、无煤焦油成份、无毒、无公害、施工安全。

3、液态施工、冷作业，操作方便，防水效果佳。

4、涂膜机械性能好，耐候性稳定。

4、FH-FS3091双组分聚氨酯防水涂料的应用

FH-FS3091双组分聚氨酯防水涂料应用范围广，包括：

• 各种形式屋面：包括混凝土、竹、木、钢、石棉瓦及各种不规则形状屋面；

• 地下建筑：地下混凝土内墙、外墙、底板、电梯坑、护士墙、地下隧道、管道；

• 地面建筑：桥梁、高速公路、厨房、浴室、游泳池等；

• 接缝：伸缩缝、施工缝、沉降缝；

• 防腐：金属管道、防腐地坪、防腐池。

5、FH-FS3091双组分聚氨酯防水涂料的施工和注意事项

5.1FH-FS3091双组分聚氨酯防水涂料的施工

施工工具：

电动搅拌器、搅拌桶、小塑料桶、橡胶刮板、油刷、铲刀、扫帚等。

基层要求处理：

1、 基层坡度应符合规范要求，地面为2%-3%范围内，水落口及地漏周围的排水坡度不宜小于5%，有套管的管道部位应高出基层面20mm以上。

2、 所有配件、卫生设施、地漏或排水口等必须安装牢固，接缝严密，收头圆滑，不得有任何松动现象。

3、 施工时，基层应基本干燥，含水率不大于9%。

4、 用铲刀和扫帚将基层表面突起物，砂浆疙瘩等异物铲除，将尘土、杂物、油污等应清除干净。特别是阴阳角、管道根部、地漏和排水口等部位应认真清理、检查。

防水层施工：

1、 施工流程：基层清理——特殊部位处理——第一遍防水涂膜施工——第二遍防水涂膜施工——面层保护施工。

2、 将基层按要求处理后，先进行特殊部位施工。特殊部位主要是指伸缩缝、沉降缝、阴阳角、管根等处，处理方法是可先加涂一遍防水层，必要时可粘铺一层加筋布（玻璃纤维布或无纺布）增强，固化后再进行大面积整体防水施工。

3、 涂料配制：根据施工用量，按厂家规定的配比进行配制，搅拌3-5min，并搅拌至混合料乌黑发亮，即可使用。

4、 涂刮第一遍涂料：待局部处理好后，便可进行第一道涂刮施工，将已搅拌均匀的拌合料分散倾倒于涂刷面上，用橡胶刮板均匀地刮涂一层涂料，刮涂时辅以鸡毛刷施工使涂层均匀一致，不得过厚或过薄，一般厚度为0.8~1mm。刮涂时根据施工面积大小、形状和环境统一考虑涂刮顺序和施工退路。

5、 涂刮第二遍涂料：待第一道涂料固化后，再在其上刮涂第二道防水涂料，涂刮的方法与第一道相同，涂刮的方向与第一道涂料的施工方向垂直，涂刮厚度为1~1.2mm。

6、 撒粗砂：为了增强防水层与水泥砂浆保护层或其它贴面材料的水泥砂浆层之间的粘结力，在第二道涂料未固化前，在其面撒粗砂一层。

7、 保护层施工：待涂膜固化后，便可进行刚性保护层施工或其它保护层施工。

贮存与包装

1、涂料应密封贮存于干燥，通风的室内，避免阳光直射，避免受潮，禁止靠近火源。

2、运输途中防日晒雨淋，防止碰撞，保持包装完好。

3、材料在密封包装下贮存期为12个月，超期贮存经检验合格后仍可正常使用。

4、产品包装：用带盖的铁通独立密封包装。

6、FH-FS3091双组分聚氨酯防水涂料的注意事项：

1、配料时必须严格按厂家规定准确配比，充分搅拌均匀，以免影响涂膜固化。

2、施工温度必须在0℃以上进行，不能在雨天、雾天施工。

3、施工环境应通风良好。

4、刮涂时，应厚薄均匀，不得过厚或过薄，涂膜不得出现起鼓脱落，开裂翘边和收头密封不严等缺陷。

涂层施工完毕，尚未达到完全固化前，不允许踩踏，以免损坏防水层。

涂料需在现场随配随用，混合料必须在30min以内用完，否则会固化而无法使用。

7、总结

本文介绍了聚氨酯及聚氨酯涂料的发展，着重说明了聚氨酯涂料的性能与制备。公司研发了一种FH-FS3091双组分聚氨酯防水涂料，应用范围广包括： 混凝土内墙、外墙、底板、电梯坑、护士墙、地下隧道、管道、桥梁、高速公路、厨房、浴室、游泳池等、伸缩缝、施工缝、沉降缝、金属管道、防腐地坪、防腐池等。施工简单，无煤焦油成份、无毒、无公害、施工安全，涂膜机械性能好，耐候性稳定。

参考文献

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