建筑防水工程中聚脲与聚氨酯涂料的异同点

建筑防水工程中聚脲与聚氨酯涂料的异同点余建平、L.Durot、丁海涛、王宝利北京森聚柯高分子材料有限公司摘要：本文简要介绍了用作建筑防水涂料的聚脲与聚氨酯的相同点和不同点，以及施工中注意的问题。关键词：建筑防水、聚脲、聚氨酯Abstract:Inthispaper,webriefintroducedthepolyureaandpolyureathanewhichusefortheconstructionwaterproofcoating,andthepropertiesofPUandPUAintheapplicationofconstructionwaterproof.Keyword:constructionwaterproof,PUA,PU聚氨酯材料PU作为一种高分子材料，其用途很广，如粘合剂、密封胶、涂料、保温材料、填充材料、发泡材料、工程塑料、橡胶制品、纤维等等。本文仅介绍其在建筑工程中作为防水涂料的性能。近几年出现聚脲PUA防水涂料逐步为人们所熟悉。聚脲防水涂料与聚氨酯防水涂料有何相同点，又有何相异点是本文要介绍的。一、聚氨酯与聚脲的分子结构相似点和相异点：聚氨酯是以含端异氰酸酯NCO化合物与含多羟基化合物经过化学反应，形成具有氨酯键----NHCOO----（又称氨基甲酸酯）的高分子材料。------NCO+HO----→-----NHCOO----该反应需要一定的温度，并且需要催化剂。其所形成的高分子材料固化成膜后，其高分子链上含有多种化学键。如：碳碳键---C---C--、醚键----O-----、酯键-----COO----、氨酯键---NHCOO---、也含有少量脲键---NHCONH---等。聚脲是以含端多异氰酸酯NCO与端多元胺（包括树脂和扩链剂），反应所形成具有脲键---NHCONH----的高分子材料。----NCO+NH2---→----NHCONH-----它无需催化剂，也不须加热即可迅速反应。在喷涂聚脲SPUA中需加热是调整粘度，便于均匀喷出成膜的需要。化学反应过程本身不需要加热。其固化后高分子链中含有碳碳键C---C、醚键-----O----、脲键----NHCONH----、酯键----COO----、氨酯键----NHCOO----等。相同点：1、聚氨酯固化成膜后和聚脲固化成膜后，分子链中所含的化学键种类是相同的或相似的的。2、无论是聚氨酯和聚脲，其必须先制成含端基为异氰酸酯的预聚体或半预聚体或齐聚物。也有人将聚脲称为一种特殊的聚氨酯或高力学性能的聚氨酯。不同点：1、尽管聚氨酯和聚脲固化成膜后，所含化学键的种类相同或相似。但聚氨酯橡胶膜中对其物理性能起关键作用的官能团为氨酯键，而聚脲固化后对其性能起关键作用的官能团为脲键。在聚氨酯和聚脲中都会有氨酯键和脲键。但由于在聚氨酯固化后的橡胶膜中，氨酯键数量大大超过脲键，其性能主要由氨酯键所决定。而聚脲固化后的橡胶膜中脲键的数量超过氨酯键数量，其性能主要由脲键所影响。2、脲键强度大大超过氨酯键强度，并且脲键很稳定。3、对于市场上常见的喷涂聚氨酯（脲）PU（A）或称杂合聚脲hybride，在双组分中除采用氨基聚醚以及端氨基扩链剂外，还有羟基类物质（如聚醚、聚酯等）以及催化剂。杂合聚脲中氨类物质的量在交联固化剂中应在20%-80%，如果低于20%则称为聚氨酯。4、单组分聚氨酯固化过程中，一个水分子消耗两个NCO，产生一个脲键，分子结构中氨酯键的数量仍大大超过脲键数量。其力学性能远低于单、双组分聚脲（包括杂合聚脲）。即使加入潜伏性固化剂，其氨酯键仍然大于脲键数量。常见的潜伏性固化剂为羟基和氨基同时封端化合物。解封后，与NCO异氰酸酯反应形成氨酯键和脲键。潜伏性固化剂只不过抑制CO2气泡的数量，抑制肉眼可见泡孔的产生。相当部分的NCO还是靠水分子反应形成脲键。只不过所产生CO2的速度和数量大大减少，不形成气孔。交联点有脲键，也有氨酯键。5、市场上常见双组分刮涂聚脲实质上为聚氨酯（脲）即杂合聚脲。如果氨类固化剂在B组分（或称R组分）含量低于20%则为聚氨酯。一些市场上所谓的双组分刮涂聚脲实际为聚氨酯。因为其氨类固化剂低于20%。6、对于双组分聚氨酯，B组分中如果不加入任何端氨基物质，而只有多元醇类物质，两者混合后，固化后的橡胶膜中主要含氨酯键，但仍然含有极少量脲键。因为当有催化剂存在时水份与羟基存在竞争反应。水份消耗NCO后，形成极少量脲键。7、单组分聚脲必须对端氨基物质（包括扩链剂、树脂）进行封端，并且封端要完全，更不能加入含有任何羟基物质，也不能加入封端的羟基物质。否则，在同一系统中很快凝胶。8、双组分喷涂聚脲SPUA，A组分为含有NCO的齐聚物或半预聚体。R组分（B组分）为含氨类物质（树脂、扩链剂）混合物，不能加入羟基物质和催化剂。这是国际聚脲发展协会PDA最新定义。传统定义是R组分（B组分）中氨类物质的量要超过80%，允许有低于20%的羟基类化合物（聚醚、聚酯）存在。二、单双组分聚氨酯、聚脲的物理性能：1、固化过程：固化过程就是交联反应过程，对于双组分聚氨酯：NCO----NCO+HO----OH→----NHCOO---NHCOO--对于单组分聚氨酯：----NCO+H2O→-----NH2+CO2↑-----NH2+NCO---→------NHCONH----对于聚脲的固化过程：双组分喷涂聚脲：NCO-----NCO+NH2----NH2→----NHCONH-----NHCONH--单组分涂膜聚脲：XYN----NXY+H2O→NH2------NH2NH2-----NH2+NCO----NCO→--NHCONH----NHCONH--上述XY为封闭剂。固化过程均发生了化学反应。双组分聚氨酯交联后，交联点形成氨酯键；单组分聚氨酯、单组分聚脲、双组分聚脲固化交联后交联点均形成了脲键。但单组分聚氨酯只有一个脲键。双组分聚氨酯反应过程中极少量的水份也会与NCO反应，产生极少量脲键。2、影响性能的化学键以两官能团分子为例，交联后分子中交联点形成的主要化学键如下：成膜物种类化学键数量（交联点）双组分聚氨酯单组分聚氨酯双组分喷涂聚脲单组分涂膜聚脲二个氨酯键一个脲键二个脲键二个脲键上述表中，单组分聚氨酯在交联固化过程中，在水份作用下二个NCO产生一个二氧化碳分子，生成一个脲键。而单组分聚脲在交胶固化过程中，在水份作用下，解除封闭的胺基，而形成二个脲键。正是由于单组分聚脲和双组分喷涂聚脲在交联后交联点上形成二个脲键，其本体强度大大高于聚氨酯。而单组分聚氨酯交联后形成了一个脲键，其强度低于具有两个脲键的聚脲，另外其产生二氧化碳气泡也是造成强度低的一个原因。双组分聚氨酯固化后形成了2个氨酯键。上述为一种理想状态，实际交联反应要复杂得多。聚脲中有扩链剂，聚氨酯中也可有扩链剂，扩链剂均参与反应。另外在高温潮湿环境下，还有水份参与竞聚反应。反应过程中所选用分子种类、分子链大小以及扩链剂甚至包括施工过程等，对固化后的橡胶膜均有影响。3、聚氨酯与聚脲的力学性能对比：由于聚氨酯和聚脲交联后所形成氨酯键、脲键在相对数量上的差异，从而影响了其力学性能。其中最为关键的两点是拉伸强度和断裂伸长率。见表1表1橡胶膜种类拉伸强度断裂伸长率标准双组分聚氨酯1.50~6MPa300-600%DIN53504单组分聚氨酯1.50~6MPa300-600%DIN53504双组分聚脲3~29MPa50-600%DIN53504单组分聚脲1.50~29MPa150~700%DIN53504以上为市场一般常见产品。但拉伸强度和断裂伸长率与分子设计时分子种类、分子大小、官能度、辅助材料等有很大关系，其变化也很大。下面以某公司的单组分聚脲和双组分聚脲介绍作对比。表2编号组分主要成份用途型号拉伸强度断裂伸长率标准1单组分聚脲室外暴露SJK590T22~28MPa大于150%DIN535042单组分聚脲室外暴露SJK590C15~22MPa大于350%DIN535043单组分聚脲室外暴露SJK59010~15MPa大于400%DIN535044单组分聚脲室外暴露SJK580C5~10MPa大于500%DIN535045单组分聚脲室外暴露SJK5804~8MPa大于400%DIN535046单组分聚脲室内地下SJK4804~7MPa大于400%DIN535047单组分聚脲非暴露SJK5702MPa大于700%DIN535048双组分聚脲SJK90010~16MPa大于400%DIN535049双组分聚脲SJK90516~21MPa大于300%DIN5350410双组分聚脲SJK90618~25MPa大于100%DIN53504通常情况下对于高强度聚脲，其延伸率相比之下会降低。通常适用于室外防水工程应在拉伸强度5~20MPa延伸率在400%以上较为合适，依不同部位，可选用不同强度值。大于10MPa以上可用作保护性材料，如耐磨地坪比较合适，保护性材料应该具有抗紫外线功能，即用于室外暴露。4、脂肪族和芳香族产品：无论是聚氨酯还是聚脲，采用芳香族异氰酸酯如TDI、MDI均不能长时间抵抗阳光下紫外线照射。因此一些生产厂商将芳香族聚氨酯和聚脲设计成黑色、深绿色、褐色以便颜色变化发黄时不易辩出。芳香族聚氨酯用于室外没有保护层，分子链易于衰减并粉化。聚脲因其强度很高，并且脲键稳定，强度变化不太大。但因聚脲含芳香族基团，也会变色。因此，对于室外暴露型的防水层，如果采用芳香族聚脲且颜色调成浅色，如白色、浅兰色、浅灰色等，其在阳光暴晒作用下，易于变色。采用脂肪族的聚氨酯或脂肪族的聚脲，则不会发生颜色变化。即便调制成单组分透明或白色聚脲，它也难以变色。因为脂肪族聚脲具备抗紫外线能力，其用于室外无须保护层。三、关于防水涂料中底涂剂：在建筑防水工程上大多数基材为混凝土。混凝土表面到底需不需要底涂剂处理？混凝土为多孔性材料，实际情况非常复杂。这里有一个现场实际施工作业问题。通常要求基层结实、平整、合理排水坡度、且干燥的混凝土。对于基层结实、平整、干燥的混凝土，作业人员对此处理问题不大。但对于高含水率混凝土表面施工，尤其是潮湿基面施工，往往会有一些问题。事实上我们应对混凝土含水率进行分级。如表3：表3含水率5%混凝土干燥含水率10%混凝土一般10%含水率15%混凝土常见、潮湿含水率15%混凝土十分潮湿基面对于不同含水率混凝土表面的处理应是不同的。对于小于5%含水率混凝土表面，聚氨酯和单组分聚脲可以不用底涂剂处理，聚氨酯和单组分聚脲涂布后有足够的时间浸润其表面毛细孔中；双组分喷涂聚脲要用底涂剂。对于含水率大于5%以上混凝土无论是聚氨酯还是聚脲提倡使用底涂剂。含水率高于10%，要求使用底涂剂，如果不用底涂剂，涂膜固化形成橡胶膜后，水汽难以通过防水膜，水汽压力越来越大，最高压力可达到0.6MPa。如果未使用合适底涂剂或使用底涂剂不正确则产生气泡起鼓。以某公司底涂剂为例如表4：表4底涂剂PrimerHPrimerHFPrimerEPrimerEWPrimerB组分单组分双组分双组分双组分单组分干燥时间（23℃，50%湿度）12-24小时4-6小时6-12小时6-12小时12-24小时含水率小于5%混凝土OKOKOKOKOK含水率小于10%混凝土OKOKOKOKOK含水率大于10%，小于15%混凝土//OKOK/含水率大于15%混凝土（含十分潮湿基面）///OK/柔性材料表面（如沥青、SBS、APP、PU、PUA、PVC、CPE）////OK钢板表面OKOKOKOKOK用量kg/m20.1-0.20.2-0.30.2-0.30.30.1-0.2底涂剂不要求涂抺过多，而要求涂遍涂到，不要漏涂。重要的是对基材要有化学粘结。如果只有物理粘接，在潮湿混凝土中水气压力下易于起鼓。通常所说物理粘结，就是底涂剂与基层表面只有分子间作用力（范德华力）和氢键。作用力较弱。而化学粘结，是底涂剂与基层形成化学键或部分化学键（当然也有范德华力）其作用力较大。作用力类型作用力大小范德华力（色散力、诱导力、偶极力）3kcal/mol氢键约3-10