使用條件對水性聚氨酯外墻彈性涂料拉伸性能的影響

胡朋舉, 肖 軍, 劉兵兵, 康全影

(國家環保產品質量監督檢驗中心, 石家莊 050091)

目前很多建筑物的外墻通常采用水泥砂漿抹面、混凝土或凈水泥漿抹面等材料,在環境因素影響下,長時間使用后表面經常出現裂縫，導致涂膜開裂[1]。聚氨酯彈性涂料是一種彈性外墻涂料,不僅具有保護和裝飾作用，還具有防水和遮蓋裂縫的功能，廣泛用于酒店、辦公樓、學校和醫院等大型建筑物的外墻面[2-3]。彈性外墻漆涂膜具有高的彈性，因而當墻體出現裂縫時，涂膜受到拉伸變形，可阻止開裂破壞，仍然完整的涂膜保持原有的各種防護作用，防止開裂的墻體直接暴露于大氣中[4]。我國已有對其產品質量進行檢測的相關標準，2005年發布了JG/T 172-2005《彈性建筑涂料》，2014年對其進行了修訂。拉伸強度和斷后伸長率是聚氨酯彈性涂料的兩個重要力學指標，由于其服役時長時間暴露于不同的環境中,如降雨、高溫、低溫，因此分析不同環境條件對拉伸性能的影響對水性外墻彈性建筑涂料行業非常重要。筆者依據JG/T 172-2014《彈性建筑涂料》，對比分析了水溶液、溫度、老化時間等條件對外墻彈性建筑涂料拉伸性能的影響，以期為建筑涂料行業提供基礎數據。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料采用水性聚氨酯外墻彈性建筑涂料(簡稱涂料)，依據JG/T 172-2014規定，在尺寸為430 mm×150 mm×3 mm的玻璃板上放置內輪廓尺寸為430 mm×150 mm×1 mm的不銹鋼模具，在模具內涂覆涂料，涂膜最終成形厚度為(1.0±0.2)mm。在標準條件[溫度(23±3)℃，相對濕度(50±5)%]下養護48 h,制成膜后反向放入托盤并置于干燥箱內，在溫度(80±2)℃下恒溫96 h后取出，在標準條件下再放置24 h后利用沖擊壓片設備將涂膜裁成啞鈴狀I型試件。每5個為1組，共制備14組試件。

1.2 試驗方法

將涂膜裁成啞鈴狀I型試件，測試后得到其平均厚度，采用CTM2020型拉伸試驗機，按照JG/T 172-2014的技術要求進行拉伸試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 水溶液浸泡對涂料試件拉伸性能的影響

將3組試件分別浸泡在pH為5,7,9的溶液中，密封24 h后取出、擦干，將試件在溫度為(23±3)℃，相對濕度為(50±5)%條件下放置4 h后測試其拉伸性能，結果見表1，其中抗拉強度和斷后伸長率的變化率是相對無處理條件來計算的。

表1 不同pH水溶液下試件的拉伸性能

由表1可見，在JG/T 172-2014規定的試件厚度范圍內，外墻彈性建筑涂料在不同pH的水溶液中浸泡24 h后，拉伸性能下降，斷后伸長率上升。由于浸泡溶液都以水為溶劑，增加了水與游離端基-NCO的反應，產生的二氧化碳增多，試件中會產生針孔、痱子泡等缺陷，不能起到較好的保護作用，溶液通過針孔浸入到試件內部，導致拉伸性能下降[5]。同時由于分子間作用力，會使斷后伸長率增大。但是涂膜已起不到防護作用，因此在生產過程中需合理調整-NCO 與-OH的比例[6]。

2.2 溫度對涂料試件拉伸性能的影響

將6組試件分別置于不同溫度下放置24 h后取出，然后將試件在溫度為(23±3)℃，相對濕度為(50±5)%條件下放置4 h后測試其拉伸性能。從圖1和圖2可以看出，當溫度從-10 ℃升高至60 ℃時試件的抗拉強度逐漸增大，斷后伸長率也逐漸增大，分析原因主要是隨著溫度的升高，試件中游離的-NCO與-OH可以較慢地充分反應，形成不穩定的氨基甲酸酯后分解釋放出二氧化碳和胺，所得的胺與另一個多異氰酸酯反應生成聚脲，最后生成二氧化碳從試件表面慢慢逸出；同時隨著溫度的升高，分子鏈具有較低的勢能，柔順性增加，分子間的鏈段活動空間較多，使材料的硬度降低，受力時鏈段可較快產生應力取向，使聚氨酯材料的抗拉強度和斷后伸長率逐漸增大[7]。但當溫度從60 ℃升高至80 ℃時，試件的抗拉強度和斷后伸長率急劇下降。分析原因主要是將制備好的試件放入較高溫度的環境中時，試件內部生成的二氧化碳來不及排出，在試件內部產生起泡，試件外部表面發生反應，產生的二氧化碳也會產生起泡，導致試件拉伸性能降低[8]。

圖1 不同溫度下試件的抗拉強度

圖2 不同溫度下試件的斷后伸長率

2.3 老化時間對涂料試件拉伸性能的影響

將4組試件分別放入氙弧燈老化試驗箱中，老化條件為潤濕時間18 min、干燥時間102 min，干燥期間的相對濕度為40%～60%，試驗箱內溫度為(38±3)℃，試件表面的平均輻照度為60 W·m-2。老化不同時間后將試件取出、擦干，在溫度為(23±3)℃、相對濕度為(50±5)%的條件下放置4 h，測試其拉伸性能。由表2可以看出,老化后的試件和原始試件相比，抗拉強度和斷后伸長率都有所降低，但是老化24～168 h的試件斷后伸長率變化不大，抗拉強度基本穩定。分析原因主要為涂料中添加了紫外吸收劑及抗氧成分，能夠有效吸收光線中紫外線，吸收光能后發生化學鍵斷裂，產生自由基，從而起到抗老化作用。但是老化試驗初期，由于試件中含有未反應完全的游離的-NCO與-OH反應，導致拉伸性能降低[9]。

表2 不同老化時間下試件的拉伸性能

3 結論

(1)不同pH的溶液浸泡24 h后，由于浸泡溶液都以水為溶劑，增加了水與游離端基-NCO的反應，所以涂料抗拉強度呈下降趨勢，斷后伸長率呈上升趨勢。

(2)溫度從-10 ℃逐漸升高至60 ℃時，試件中游離的-NCO與-OH可以較慢地充分反應，涂料的抗拉強度逐漸增大，斷后伸長率也逐漸增大，從60 ℃升高至80 ℃時，涂料抗拉強度急劇下降，斷后伸長率逐漸增大。

(3)老化后的試件和原始試件相比，抗拉強度和斷后伸長率都有所降低，但是涂料中添加了紫外吸收劑及抗氧成分，所以老化24～168 h的試件斷后伸長率的變化不大，抗拉強度基本穩定。