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浅析双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019

摘要:

        聚脲是一种防水、防腐性能优异的涂料,被广泛用于木材、钢铁、混凝土等结构的防护。聚脲运用到混凝土表面与钢铁表面不同,一般来说,聚脲运用在混凝土表面必须在混凝土表面涂刷或喷涂封闭底漆,否则混凝土表面的聚脲会大面积脱离而失去防护性能。目前,各国的工程师对聚脲材料研究较多,而与之配套底漆研究较少。上海法赫研发了一种性能优异的双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019,双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019具有流动性能好、对基材渗透性强、封闭性优异、耐化学腐蚀特点,同时与混凝土基底、配套的聚脲或其他面漆的粘结性能优异,克服了聚脲材料与混凝土结构粘结力不高,易发生脱离失效的缺点。


关键词混凝土防护、聚氨酯底漆、粘结强度、聚脲

    


1. 引言


        混凝土是当代最重要的建筑材料之一,它具有原料丰富,价格低廉,生产工艺简单的特点,同时具有抗压强度高、强度等级宽等特点。这些特点使其具有广泛的使用范围,它是目前世界上应用量最大,适用范围最广的结构材料。被广泛运用在农业、工业、水利、建筑等行业。

        混凝土结构使用环境复杂,在严酷的气候和环境条件下,在与各种腐蚀性介质长期接触后,自身也会受到非常严重的腐蚀。这些都严重影响了混凝土性能的发挥,给国家带来了大的损失。

        据统计,在美国,混凝土基础设施总造价大约60000亿美元,每年所需的维修费约3000亿美元,对于桥梁,美国大约50万座公路桥梁中,将近20万座已有不同程度的破坏。我国20世纪50年代开始大量建设混凝土工程,许多混凝土结构已经服役了20-40年,我国在接下来的数十年会面临着混凝土结构维护和重建的高峰期,这将给国家带来巨大的经济支出。在混凝土结构尚为发生大规模病害前进行合理的养护可以提高混凝土的耐久性,延长混凝土结构的使用寿命。

        提高混凝土耐久性可以从两方面入手,一是对破坏的混凝土实行结构修补,但是这种方法需要消耗大量的人力物力,二是在混凝土表面进行涂层保护,在混凝土表面形成覆盖层,可以阻止或减少氯离子、水和空气的渗透,缓解钢筋的腐蚀,提高钢筋混凝土的耐久性,从而延长了它的使用寿命。从经济角度考虑,采用预防为主,需要找到一种合适的涂料来作为涂层保护层。


1.1 混凝土保护涂料种类

        混凝土保护涂层技术逐渐受到人们的关注,因为它能有效提高混凝土耐久性。然而,现在用的大部分涂料仍有不足:涂料固化速度慢导致不能连续施工,施工易受外界温度、湿度的影响,溶剂型涂料释放VOC,给环境造成严重污染。传统的防腐涂料大都是溶剂型的,挥发的溶剂对环境造成了严重的污染,开发无公害的绿色涂料成为涂料行业发展的趋势。目前,一些常用的涂料包括:环氧涂料、丙烯酸酯涂料、聚氨酯涂料、有机硅树脂涂料、氟树脂涂料以及聚脲涂料。


        环氧涂料

        这类涂料优点是附着力大、强度高,在混凝土表面的底漆和中漆有很好的应用。缺点是耐候性差、经紫外线照射溶液失色甚至粉化,并且这种涂料较依赖湿度和温度。因此,要克服这些缺点以期它都能到达理想的应用性能,需对其进行改性。改性的环氧涂料有:有机硅改性环氧树脂涂料、聚氨酯改性环氧树脂涂料等。


        丙烯酸酯涂料

        丙烯酸酯树脂通常作为混凝土结构的面漆,因为其耐化学品性和装饰性均较好,但是这种涂料对温度敏感,低温下易变脆、高温下易变粘失强,耐酸性能不如环氧涂料和聚氨酯涂料。


        聚氨酯涂料

        聚氨酯涂料主要以聚氨酯树脂为成膜物质。它具有很多优点,附着力好,涂层有一定透气性能,耐候性较好,可以通过涂料配方调节制备不同条件下使用的防腐涂料,还可以与其他树脂混合改性制备具有特色的防护涂料产品。但是有些聚氨酯树脂也会发生褪色、固化反应慢等问题。


        有机硅树脂涂料

        有机硅类涂料的透气性和憎水性很强,但是耐有机溶剂性能较差、力学性能也不理想。


        氟树脂涂料

        氟树脂涂料的耐候性能优异,耐腐蚀性能良好、裂缝追随性显著,但原材料价格高,通常被用做混凝土涂层面漆。 


        聚脲涂料

        聚脲涂料是在聚氨酯涂料的基础上发展起来的一种新型涂料,已在很多领域有所应用,如防水、防腐、耐磨等领域。具有固化速度快,可厚涂,拉伸强度高,断裂伸长率大等力学性能。与常规混凝土防护涂料相比,聚脲还具有对温度、湿度有宽泛的使用范围,具有良好的耐介质性能。


1.2 混凝土封闭底漆

        虽然聚脲涂料有很多优良的性能,但是它与混凝土表面不能够很好的粘结,在混凝土表面的附着力差,这导致了聚脲涂料对混凝土表面的封闭性差以及容易与混凝土表面脱离,从而失去对混凝土基材的保护。因此,为了保证聚脲涂料与混凝土表面具有良好的附着力等性能,通常会在混凝土表面先涂上底漆,该底漆除能对混凝土表面进行有效的封闭外,还能在混凝土基材与聚脲涂层之间起到中间层的作用,提高聚脲涂料对混凝土的附着力。理想的封闭底漆应同时具有优良的耐碱性能、涂膜致密、超强的基材渗透能力、有效抵抗水和腐蚀介质的透过能力,广泛的底材适应性及面漆的配套性能。


        1.2.1 环氧类封闭底漆

        目前有两类材料可以作为封闭底涂,包括环氧类和聚氨酯类。环氧类的封闭底涂通常是溶剂型的,挥发出的溶剂对环境和施工人员都有危害,对混凝土基层的渗透能力不好,另外,由于环氧类的涂层很脆,当混凝土收到外力作用时,容易产生裂缝,并与柔性面涂层产生界面脱粘,降低防护效果。


        1.2.2 聚氨酯类封闭底漆

        聚氨酯类封闭底涂分为单组分聚氨酯底涂和双组份聚氨酯底涂,单组份聚氨酯底涂的涂层很薄,对混凝土基底的封闭效果不是很好,此外,单组分聚氨酯还有一个缺点是存储的不稳定性,导致了它的使用不稳定性。双组份聚氨酯底涂尽管需要现场配置,并对基材干燥性有要求,但是对混凝土的粘结强度很高,使用性能稳定,封闭效果好,并对聚脲涂料有优良的匹配性。因此是最理想的混凝土封闭底漆。


1.3 本文研究的意义和目的

        目前国内采用聚脲对钢铁防护已有大量的研究和应用,而对聚脲应用在混凝土表面的研究不多,聚脲在混凝土表面的应用有京津高铁,京沪高铁等,但是发生了聚脲与混凝土结构剥落的现象,这给聚脲的推广应用蒙上一层阴影。实际上,聚脲材料防水、防腐性能是很好的,只是混凝土结构材料的特殊性,随着聚脲在混凝土表面服役的时间延长,聚脲与混凝土的粘结性降低的过程,这一过程是缓慢的,不容易为人们发现,通常在施工后数年后出现,而且一经出现,发现聚脲脱离面积大,采用简单的修补都不能恢复整体的防水性能。上述过程之所以是缓慢的,与聚脲和混凝土材料有直接关系,刚开始,聚脲喷涂到干燥的混凝土表面后,粘结性还是可以的,但是随着时间的延长,混凝土是过孔的材料,会在混凝土与聚脲结合面产生水汽,水汽在界面的积累降低了聚脲与混凝土的结合强度,即便是使用了国内工程师经常使用的环氧底漆,这个问题还是会出现,因为环氧底漆的渗透能力有限,不能达到堵塞混凝土毛细孔的作用,还是有水汽在涂层界面积累,同时环氧底漆的刚性太强,在四季温度的变化,与混凝土基面和聚脲之间产生了较大的应力,特别是在大范围涂覆涂料时,这种应力会积累达到一定应力极限后,涂层还是会发生剥离,所以针对以上情况,研发出一种具有渗透性,同时具有一定柔韧性和粘结力好的底涂具有重大意义。


 

2. 双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019的制备


        本文通过合成异氰酸酯预聚物与多羟基树脂高分子化合物。研发了一种适合封闭混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019,研发的FH-FS4019具有良好的渗透密封性、快干、层间附着力良好。

        双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019的制备主要包括:

        I、A组份:.异氰酸酯预聚物的设计与制备

        采用不同的聚醚多元醇与不同异氰酸酯单体,合成系列异氰酸酯预聚体。测定其粘度、异氰酸酯值,并考察其贮存稳定性、

        II、B组份:高分子多羟基聚酯树脂的设计与制备

        考察主要原料及配比对羟基聚酯树脂性能的影响,从而筛选出综合性能好聚酯树脂。


2.1 A组份异氰酸酯预聚物的设计与制备

        异氰酸酯组份有异氰酸酯单体、异氰酸酯预聚物。

        异氰酸酯单体:常见的异氰酸酯单体有甲苯二异氰酸酯(TDI),一佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)。

        HDI蒸汽压高,刺激性气味大,一般合成多聚体、预聚体使用。

        IPDI气味小,粘度适中,能增加涂层耐候性,很适合室外涂层产品,价格昂贵。

        TDI刺激气味大,逐步被其他材料取代,但是价格低廉,目前还大量应用在涂料领域。

        纯MDI是结晶型的,贮存、使用不方便,近年开发出了液化的MDI,解决了上述问题。

        异氰酸酯预聚物:

        A、B型双组份聚氨酯涂料实际应用中,为了避免直接使用异氰酸酯单体带来的环境安全问题,同时缩小A、B组份质量的悬殊,方便配制,提高涂装质量稳定性,异氰酸酯组份多采用异氰酸酯预聚物。

        本文采用聚醚多元醇和芳香族异氰酸酯在引发剂作用下形成的异氰酸酯预聚物。A组份的平均NCO含量为20%-40%。

        A组份的制备方法:将A组份的聚醚多元醇按一定比例放置于反应器加热到120℃,然后脱水2小时,然后温度降低到45℃以下,加入异氰酸酯单体,搅拌升温至90℃,用氮气保护,反应3小时后,检测NCO含量达标后,加入稀释剂稀释,待温度降至45℃后出料,得到A组份。


2.2 B组份高分子多羟基聚酯树脂的设计与制备

        羟基组份是由含羟基预聚物和小分子组成,一般加入适量环保型溶剂开稀,并加入特选的固化催化剂,确保涂料达到常温固化活性。常用的多羟基预聚物有聚醚、聚酯、聚丁二烯等。

        聚醚包括四氢呋喃、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷。聚酯是由多元醇、多元酸缩合聚合而成,品种繁多。聚酯制作的聚氨酯涂料,在分子胡总形成了氢键,赋予涂层优良的力学性能,但不足之处是酯键在碱性环境下发生降解反应,影响涂层的使用寿命。聚丁二烯的于聚物赋予了涂层极好的柔软性和防水性,材料本身的粘度低,使用方便,过去在海洋涂料、船舶涂料中已有广泛的应用。 在混凝土封闭底漆中,是一个应用方向。

        本文该组份包括分子量为2000左右,官能度为3-4的聚氧化丙烯多元醇、脂肪酸或缩合聚酯,以及聚酯多元醇和聚氧化丙烯醚。

        B组份的制备方法:按计算好的各材料比例,将混合料置于反应器加热120℃,脱水2小时后,脱水后的多元醇冷却至45℃以下后,加入其他助剂,混合均匀得到B组份。


 

3双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019的性能研究


        聚氨酯涂料系统中,使用面最广泛,最有发展前景的是双组份聚氨酯涂料。

        NCO/OH型双组份聚氨酯涂料,是以含羟基的高分子化合物(如含羟基聚丙烯酸树脂、含羟基聚酯树脂、含羟基聚醚树脂等)的B组份与多异氰酸酯预聚物的A组份共同组合而成的涂料,在施工时,A、B两组份按一定的比例配合,为加速干燥固化,常常在A组份中加入适量的催化剂,常用的催化剂有二月桂酸锡二丁基锡、环烷酸金属盐等。这类涂料绝大部分为室温固化,也可采用加热固化。

        本文通过前期合成的A、B组份按不同配方复配并固化成膜,考察涂层的性能。将前期合成的羟基组份与异氰酸酯组份按一定的配比混合并搅拌均匀,静置数分钟后喷涂或刷涂在混凝土基面上。


        双组份聚氨酯涂料固化反应原理

        双组份聚氨酯涂料使用前分为A组份、B组份或羟基组份和异氰酸酯组份,涂装前将A、B组份按计量比混合,—OH和—NCO发生聚合加成反应,形成超大分子量交联网络结构,涂层干燥,并产生与基材的附着力,涂层形成良好的力学性能。

RNCO  +  R′OH →  RNHCOOR′

        混凝土试块是按照GB/T14902-2003制备100mmX100mmX100mm的C50混凝土试块,混凝土试块的配合比如下表所示。

 

表一  C50混凝土试块的配合比


 

3.1 底漆涂刷

        在制备的C50混凝土试块养护好并且充分干燥后,在10个干燥的混凝土试样表面涂刷厚度为40um左右的聚氨酯底漆,记录底漆的表干时间。然后在其中的5个涂刷聚氨酯底漆的混凝土上再喷涂2mm左右的聚脲材料。记录5个涂刷单独涂刷聚氨酯底涂试样的实干时间,并分别测试聚氨酯底漆的耐化学腐蚀等性能。另外5个涂刷聚氨酯底漆和聚脲面漆的试样养护7d后进行附着力测试。


3.2 表干时间

        表干时间是底漆的一项重要指标,表干时间过短底漆不易渗透到混凝土中,表干时间过长会影响施工。环氧树脂底漆的表干对稳定特别敏感,在低温时环氧树脂的表干时间需要几十小时,这大大影响了施工进度和底漆的质量。聚氨酯底漆表干时间可以人为调控,受温度的影响相对较小。本文制备的聚氨酯底漆表干时间1-3h,复涂时间在3~24h之间。合适的表干时间使底漆有充分的时间渗透到混凝土毛细孔中,同时不影响工程施工进度。


3.3 附着力

        本文研发的聚氨酯底漆涂刷在干燥的混凝土表面进行粘结强度测试。聚氨酯封闭底漆的粘结界面破坏发生在混凝土内部,说明研发的聚氨酯封闭底漆与混凝土粘结性能非常好。在更高强度的混凝土试块表面试验得到研发的聚氨酯底漆附着力为3.5Mpa。

 

聚氨酯底涂附着力试验-法赫中国

图1.底涂附着力试验


 

4. 双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019的特点


        FH-FS4019以高性能聚氨酯树脂预聚体和高分子材料为主要成膜物质,通过科学生产工艺制成。具有流动性能好、对基材渗透性强、封闭性优异、附着力高等特点。涂料绿色环保,应用在混凝土等基材上,可显著提高粘结力。


        FH-FS4019的特点:

        显著提高混凝土基材与涂层之间的附着力

        粘度低、流动性好

        优异的密封和渗透性能

        优异的耐腐蚀性能

        优异的耐水耐湿性能

        优异的耐温变温度性能

        与后道涂层具有良好的配套性

        有效的避免起泡的产生,从而延长使用寿命

        高涂布率节约使用成本



5. 双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019的应用


        FH-FS4019双组份聚氨酯涂料具有成膜温度低、附着力强、耐磨性好、硬度大以及耐化学品、耐候性好等优越性能,应用于混凝土、大理石、瓷砖、木材等基材表面防腐涂装,可以起到密封基底和提高涂层体系的粘结强度的作用。


双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料应用-法赫中国

图2.聚氨酯底漆与聚脲配套在混凝土桥梁上的使用

 


6.双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019的参数和技术数据


        双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019的参数见表二:

表二. 双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料参数


        双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019的技术数据见表三:

表三. 双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料技术数据


        双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019的耐化学腐蚀性能如下:

 表四. 双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料耐化学腐蚀性



7.双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019的施工和注意事项


        产品施工环境:

        环境温度:-5~+35℃

        湿度:35~85%

        露点:≥3°C

        产品应用指导:

        推荐干膜厚度:20-40um

        覆涂间隔:3-24h

        建议涂装方法:涂刷,滚涂,无气喷涂,空气喷涂


        产品施工注意事项:

        预涂装混凝土基材需要完全固化,同时表面应干净,干燥,密实,无油渍,污渍,如有明显的破坏接口和裂缝,需要提前进行修改。在使用前确保表面进行空气打磨或利用真空方式去除表面的灰尘,本产品可在零下5℃的低温情况下使用。如在低温环境使用时,建议先将涂料桶放置在有空调的房间中保持24小时以上。使用前应确保原料配比准确混合均匀,混合后涂料须在1小时内用完。使用后的涂料不得再倒回原桶中,本产品在出厂时已经按需要调理了涂料粘度,施工人员不能私自添加稀释剂,如因环境、温度原因粘度发生变化需要调整的,应电话询问上海法赫,在我们的指导下添加专用稀释剂。


        包装及储存:

        产品保质期:

        储存环境温度:5—35℃

        产品保质期自生产日起并确保未开封的状态下:

        A组份:12个月;B组份:12个月

        确保产品包装密封完好,在阴凉,通风的环境下储存,避免阳光的直射


        包装规格:

        A组份:30公斤/桶;B组份:20公斤/桶


8. 结论


        为了提高混凝土的耐久性,延长其使用寿命,在混凝土表面进行涂装防护具有快速、简单、节约成本的优点。聚脲材料具有优异的防水、防腐性能,同时固化快,效率高被广泛用于木材、金属、混凝土等工程结构材料的防护。但聚脲应用在混凝土表面随着服役时间的延长,容易发生大面积剥离等缺陷。之前,工程师把主要精力放在聚脲材料上,而对与之配套的混凝土底漆研究较少,这是由于过去人们没有弄清混凝土表面聚脲失效的机理。同时,即便有专家意识到底涂的作用,大多会选择环氧底涂,在施工短短数年后,经常发现聚脲脱离混凝土基面的现象。

        上海法赫研发的双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019是以高性能聚氨酯树脂预聚体和高分子材料为主要成膜物质,通过科学生产工艺制成。具有流动性能好,对基材渗透性强、封闭性优异、附着力高等特点。涂料绿色环保,应用在混凝土等基材上,可显著提高粘结力。

        本文较详细的介绍了混凝土防护的几种常用涂料及其优缺点,针对聚脲材料应用在混凝土表面防腐易出现的脱离等问题,本文结合混凝土材料结构特点,说明了聚脲材料应用在混凝土表面发生失效的原因和解决措施,对比了环氧底漆和聚氨酯底漆作为混凝土底涂的优缺点。介绍了上海法赫研发双组份封闭渗透混凝土专用聚脲底涂料FH-FS4019,说明了该聚氨酯底涂的制备方法,通过试验验证了该底涂具有优异的附着力,与混凝土基底和聚脲面涂粘结牢靠。表干时间适当1~3小时,粘结力大于等于3.5Mpa。

 

 

参考文献

[1]杜洪彦,邱富荣等.混凝土的腐蚀机理与新型防护方法[J],腐蚀科学与防护技术,2001

[2]刘莉娅,徐龙鬼.聚氨酯树脂防腐涂料及应用[M],北京:化学工业出版社,2006

[3]黄微波,刘旭东等. 桥梁混凝土聚脲防护涂层配套底漆性能研究 [J].混凝土,2009

[4]山西省化工研究所.聚氨酯弹性体手册[M].北京:化学工业出版社,2001


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