稀土填料对高强度单组分聚氨酯防水涂料性能的影响研究

刘新永，李超，张冬冬，陈鸯飞
（潍坊市宏源防水材料有限公司，山东潍坊262735）

摘要：以3种不同结构特征的粉体填料及稀土化合物填料作为补强体系制备了单组分聚氨酯防水涂料，研究了填料种类及配伍对涂料性能的影响。结果表明：稀土填料对涂料具有较好的增强增韧效果，稀土改性伊利石粉与高岭土的协同补强体系可使涂料的拉伸强度达到8.75 MPa，断裂伸长率达到730％，撕裂强度达到38.9 N／mm。

关键词：聚氨酯防水涂料；力学性能；填料；稀土化合物

聚氨酯防水涂料具有涂膜强度高、弹性好，与基层粘结牢固，耐老化、耐酸碱等特点，而且施工操作简单，环境适应性强，尤其是在复杂结构部位，施工优势明显，因此在防水市场占据着重要的地位。随着聚氨酯防水涂料产品标准的修订与完善，其产品逐渐向着环保、高性能方向发展，提高聚氨酯防水涂料的力学性能成为人们关注的重点之一。重钙、高岭土等传统的填料补强体系均具有一定的局限性，而伊利石矿粉具有天然粒度小、分散性好、比表面积大（1∶40）、径厚比高、吸附性好等特点，具有良好的补强效果，应用于防水涂料中能产生较多积极的效果。因独特的4f 轨道电子结构、丰富的能级跃迁、极大的原子磁矩、较强的自旋轨道耦合等特性，稀土化合物在高分子材料领域受到了较广泛的关注，在抗菌剂、阻燃剂、补强剂、光能转化剂、稳定剂、催化剂中均有应用。田晓溪等人研究了稀土化合物对塑料、橡胶材料的影响，结果表明，以稀土氧化物作为填料或改性剂的填充体系对高分子材料的理化性能有较显著地提高。
本研究采用稀土化合物改性常用粉体填料作为补强体系制备了单组分聚氨酯防水涂料，探讨了其对防水涂料力学性能的影响。
1 实验部分
1.1 主要原材料
本研究所用的主要原材料如表1 所示，其中，稀土填料是由稀土氧化物对伊利石矿粉进行掺杂改性而得到的。稀土元素的组成成分及含量见表2。

1.2 防水涂料的制备
将按配方计量的聚醚1000、聚醚2000 和聚醚330 N 加入三口烧瓶中，油浴缓慢升温并搅拌，当温度升到100 ℃时向其中加入计量的粉料并搅拌均匀，然后加入分散助剂，升高温度至120 ℃真空脱水3 h，随后降温至85 ℃，同时加入计量的甲苯二异氰酸酯，常压密闭反应2.5 h 后，向三口烧瓶中加入计量的催化剂、潜固化和溶剂，搅拌均匀后过滤出料。
1.3 试验方案设计
本研究采用固定配方，以填料种类及配伍作为变量，研究填料种类及配伍对单组分聚氨酯防水涂料性能的影响。试验设计方案如表3 所示。

1.4 测试方法
1.4.1 涂膜制备
按照GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》中的涂覆及养护方法进行聚氨酯防水涂膜的制备。
1.4.2 水分测定
按照GB/T 6283—2008《化工产品中水分含量的测定卡尔·费休法（通用方法）》测定脱水后防水浆料的含水率。
1.4.3 性能测试
按照GB/T 19250—2013 和GB/T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》中的技术要求和测试方法来测试聚氨酯防水涂料的各项性能。
2 结果分析
针对不同粉体填料的结构特点，选用了伊利石粉、重钙和高岭土这3 种具有代表性的粉体填料作为研究对象，其结构特点如表4 所示，各粉体填料在显微镜下的形态如图1 所示。

通过试验得到了填料种类及配伍对单组分聚氨酯防水涂料物理性能的影响，结果见表5 和图2。

从图2 可以看出，伊利石粉、高岭土、重钙3 种填料中高岭土对聚氨酯防水涂料的补强效果最好，伊利石粉次之，重钙最差。这是因为层状鳞片状形态的填料比表面积大，界面效应明显，从而补强效果好；而颗粒状形态的填料比表面积小，从而补强效果差。
从图2 还可看出，以伊利石粉和重钙为填料制备的聚氨酯防水涂料断裂伸长率较高，而以高岭土为填料制备的聚氨酯防水涂料断裂伸长率较低。这是由于伊利石粉的层间缺失结构，能吸附涂料大分子链到晶格夹层中，且在电荷不平衡的情况下，层间的K+会被Ca²⁺、Mg²⁺等取代，同时，伊利石粉天然粒度小，在高分子相中分散性好，这些都使得伊利石粉与涂料体系的相容性优于其他粉体填料，较好的相容性使得其对大分子链运动的阻碍（即内摩擦）在较低的水平，从而达到增强增韧的效果；而重钙因为比表面积小，吸附性差，所以对聚氨酯防水涂料断裂伸长率的影响较小；高岭土的比表面积大，吸油值高，对大分子链段的吸附作用强，从而使得分子链滑移困难，以其为填料制备的聚氨酯防水涂料断裂伸长率较低。
从图2 同时可以看出，就填料之间的配伍性而言，伊利石粉与重钙填充体系的补强效果较差，而伊利石粉与高岭土填充体系补强效果较好，表现出了明显的“协同作用”，但制得的聚氨酯防水涂料断裂伸长率较低。稀土填料的引入，不仅使得聚氨酯防水涂料体系的强度大大提高，而且断裂伸长率也较高，达到768%。这是因为稀土的引入使得高分子材料的结构发生了变化，成核作用、配位作用诱导了大分子链的运动和排布；同时，稀土填料对聚氨酯的固化反应具有催化作用。这些因素使得聚氨酯防水涂料结构中的软硬段分布更加合理，通过诱导硬段结晶来增加强度，细化晶粒来使脆性降低，韧性提高，从而达到补强增韧的效果。稀土填料与高岭土进行协同补强体系作用于聚氨酯防水涂料中能得到高强度、高韧性的防水材料。
3 结论
采用稀土化合物改性常用粉体填料作为补强体系制备了单组分聚氨酯防水涂料，探讨了其对防水涂料力学性能的影响，结果如下：
1） 高岭土对单组分聚氨酯防水涂料的补强效果最好，伊利石粉次之，重钙最差。但是，高岭土补强体系牺牲了材料的韧性，而伊利石粉补强体系在增强的同时也具有增韧的效果。
2） 高岭土与伊利石粉补强体系表现出了明显的协同作用，但制得的聚氨酯防水涂料断裂伸长率较低。
3） 稀土氧化物改性伊利石粉可作为成核剂和补强剂作用于聚氨酯防水涂料中，与高岭土协同作用对防水涂料的补强增韧效果较好。

文章发表于《中国建筑防水》2019年2月