一種無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的結構分析和性能研究

姜廣明，肖凱巍，黃 挺，胡 水，劉昊北，王強強

（1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.立邦涂料（中國）有限公司，上海 201201；3.北京化工大學，北京 100029；4.中國建筑材料聯合會，北京 100037；5.中國國檢測試控股集團股份有限公司，北京 100024）

0 引言

建筑的混凝土地面可能受到溫濕度變化、車輛行駛動載荷、冬季雪水凍融循環而發生表面開裂；也可能受到混凝土碳化、酸雨腐蝕以及其他腐蝕液體作用而發生侵蝕甚至結構破壞。使用剛性較高的環氧地坪涂料，有可能隨著地面的開裂而破損，失去對地面的保護能力。聚氨酯地坪涂料具有一定的彈性和柔韌性［1］，配套無溶劑型聚氨酯底涂、無溶劑型聚氨酯面涂、無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的體系［2］，具有抗裂、防滑、耐磨、耐候和環保的優點，可以很好地保護建筑地面。

聚氨酯地坪涂料分為水性聚氨酯地坪涂料、溶劑型聚氨酯地坪涂料和無溶劑型聚氨酯地坪涂料。水性聚氨酯地坪涂料分為單組分和雙組分兩類［3］，性能可以滿足一般場合需求，無毒無污染［4］。溶劑型聚氨酯地坪涂料中含有大量的揮發性有機化合物和少量游離異氰酸酯，而無溶劑型型聚氨酯地坪涂料則無揮發性有機物，有發展優勢［5，6］。聚氨酯地坪涂料的硬度、耐磨性和拉伸性能可以調節異氰酸酯和含羥基樹脂的比例來控制［7］。脂肪族聚氨酯地坪涂料的耐候性優于芳香族的地坪涂料［8］。

本文分析了一款無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的組分，研究了其固化后的結構和熱穩定性，測試了涂層的物理性能、耐介質性能和耐人工氣候老化性，證實了使用脂肪族異氰酸酯固化劑的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的耐磨性和耐候性都非常優異。

1 原材料

本文使用的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆為雙組份；主劑為灰色；固化劑為無色透明。根據不同的主劑與固化劑的比例，分別制備聚氨酯地坪罩面漆涂層并測試其性能。主劑與固化劑的比例分別按照100∶60（w/w）、100∶70（w/w）、100∶83（w/w）、100∶90（w/w）、100∶100（w/w），共 5 種配比。

2 實驗設備

熱失重分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司生產的 TGA/DSC1 同步熱分析儀（型號 STARe system）測試，氮氣氣氛，測試的溫度范圍為 40～900 ℃，升溫速度 10 ℃/min。

紅外光譜使用美國 Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生產的 Nicolet 6700 傅立葉變換紅外光譜儀測試，掃描范圍為 4 000～600 cm-1，分辨率為 4 cm-1。采用 ATR 方式測試涂層的紅外光譜。

聚氨酯地坪罩面漆涂層的基本性能的測試依據 GB/T 22374-2018《地坪涂裝材料》。

3 結果與討論

3.1 罩面漆組分的熱失重分析

聚氨酯地坪罩面漆的主劑和固化劑的熱失重分析結果如圖 1（a）和圖 1（b）所示。

圖1 無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的主劑和固化劑的熱失重分析

從圖 1（a）可以看出，罩面漆的主劑只有一個失重臺階，并且主劑的殘重很高，高達 70 %。這說明罩面漆的主劑中的樹脂含量較少，填料的成分比較高且填料不為碳酸鈣。從圖 1（a）可以看出，罩面漆的固化劑有 3 個失重臺階，并且殘重極低，幾乎為 0。這說明罩面漆的固化劑中幾乎為 100 %的異氰酸酯，沒有其他填料成分。罩面漆的固化劑的第二個分解臺階的溫度低于 500 ℃，說明固化劑中沒有耐熱的苯環結構，固化劑是脂肪族的異氰酸酯。

從圖 1（b）可以看出，罩面漆的主劑的最大分解速率溫度為 325 ℃。從圖 1（b）可以看出，罩面漆的固化劑的最大分解速率溫度有 3 個，分別為 288 ℃、442 ℃ 和 667 ℃。

3.2 涂層的紅外分析

不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的紅外光譜的結果，如圖 2 所示。

從圖 2 可以看出，3 330 cm-1為 N-H 伸縮振動峰，2 930 cm-1和 2 860 cm-1為-CH2、-CH3的伸縮振動峰，1 680 cm-1為聚氨酯基團的-C=O 伸縮振動峰，1 250 cm-1為 C-O-C 的伸縮振動峰。這是典型的聚氨酯地坪罩面漆的紅外光譜［9］。

圖2 不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的紅外光譜

從圖 2 還可以看出，5 個不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆在 2 270 cm-1都有一個中等強度的峰，并且紅外峰的高度隨固化劑的比例增加而提高。這是殘余的-NCO 的特征吸收峰。這說明在這些固化劑的比例下，異氰酸酯的量都有過量，而且殘余的-NCO 與空氣中的水的反應速度很慢。

3.3 涂層的熱失重分析

不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的熱失重分析的結果，如圖 3 所示。

從圖 3（a）可以看出，無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的固化劑比例越高，涂層的殘重越低。這是因為主劑的殘重高，固化劑的加入量越多時涂層中樹脂含量提高，涂層的殘重降低。5 種不同比例下，無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆在 200 ℃ 時的質量損失都非常小，這說明固化劑的比例不同時，無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的 VOC 含量很低，非常環保。

圖 3（b）可以看出，不同交聯程度下，聚氨酯地坪罩面漆的熱穩定性也幾乎沒有區別，最大分解速率溫度很接近。無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆有 2 個最大分解速率溫度，第一個峰在約 230 ℃ 左右（對應著聚氨酯中烷基鍵的斷裂分解），第二個峰在約 460 ℃ 左右（對應著聚氨酯結構的分解）。同時在 380 ℃ 左右還有一份肩峰形狀的分解，這個肩峰對應著主劑中蓖麻油酸主鍵的分解，這也說明聚氨酯罩面漆的主劑中含有少量的蓖麻油酸成分［10］。

圖3 不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的熱失重分析結果

3.4 涂層的基本性能分析

不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆涂層的物理性能，如表 1 所示。

表1 不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的物理性能

從表 1 可以看出，固化劑的比例提高后，無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的硬度和耐磨性都增強；而且當主漆與固化劑的比例超過 100∶70（w/w）時，耐磨性的損耗特別小，這說明固化劑的增多提高了聚氨酯罩面漆的交聯程度，增強了聚氨酯罩面漆的物理性能。該無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆樣品的耐磨性優異除了與聚氨酯本身的特性有關外，還因為主劑中的大量填料起到了超耐磨骨料的作用。

從表 2 可以看出，不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的耐介質性能都很優秀，耐水、耐堿和耐油都沒有異常。耐硫酸后，不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆都發生了顏色的輕微變化。聚氨酯地坪罩面漆涂層耐酸性變色可能與罩面漆主劑中加入的灰色顏料有關。

表2 不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的耐介質性能

從表 3 可以看出，不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的耐人工氣候老化性都很好，600 h 的耐人工氣候老化均無異常。這也說明耐人工氣候老化性是聚氨酯地坪罩面漆優于環氧地坪涂料的特點。

表3 不同比例的無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的耐人工氣候老化性

4 結論

本文分析了一種無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的組分，對不同比例固化的涂層進行了微觀性能分析，從涂層的基本性能如物理性能、耐介質性能、耐人工氣候老化性的結果介紹了無溶劑型聚氨酯地坪罩面漆的特點和優勢，證明該無溶劑型聚氨酯罩面漆產品有著優異的耐磨性和耐候性。Q