二苯基甲烷二異氰酸酯含量對聚氨酯防水涂料性能的影響

王宏偉 趙 麗

吉林建筑大學吉林省建筑節能技術工程實驗室（130016）

0 前言

聚氨酯防水涂料常用的兩種生產原料分別是MDI 和TDI， 其中TDI 不但具有極強的刺激性氣味，還是劇毒危險品，運輸和加工過程都存在著很大的風險性，并且近年來TDI 的價格不斷上升，因此在聚氨酯防水涂料的生產過程中越來越多地使用MDI 代替TDI 作為原材料，因為MDI 的毒性和氣味都較小[1]，價格低廉，并且生產出來的聚氨酯防水涂料在性能上還要略微優于TDI 材料生產的聚氨酯防水材料。 因此研究MDI 對聚氨酯防水涂料的性能影響具有一定的現實意義，尤其是研究MDI加入量對聚氨酯防水涂料的性能影響，對今后聚氨酯防水涂料的生產工藝改進和技術進步都具有積極的推動作用。

1 MDI 和聚氨酯防水涂料的概念

1.1 MDI 的概念

MDI 是生產聚氨酯防水涂料的重要原材料，化學結構式為4，4-二苯基甲烷二異氰酸酯。 MDI 是異氰酸酯的一種，被廣泛地用于聚氨酯涂料的生產制造。此外，MDI 還具有非常多樣化的用途，包括生產防水材料、密封材料、陶器材料等。

MDI 的制備是以苯胺為原料，與甲醛反應，在酸性溶液中縮合，用堿中和，然后蒸餾，可制得二氨基二苯甲烷，然后與碳酰氯反應可制得，再精餾精制。

MDI 是現代化工生產中的重要材料，這也和聚氨酯材料的廣泛使用有關。 同TDI 相比，MDI 最主要的優勢就是毒性小。 在化工生產過程中，盡管采用了大量的機器設備，并且生產大多都是在密封環境下進行的，但是由于分子的熱運動，還是會有化工原材料從反應器皿中進入空氣，從而對從事生產的工人造成長期潛在的危害，所以在化工生產中采用毒性和刺激性氣味較小的MDI 材料，也是對工人生命安全和身體健康的一種保障。

此外，MDI 材料制成的聚氨酯防水涂料在性能上并不比TDI 材料制成的差，甚至在某些方面還要優于TDI 材料制作的聚氨酯防水涂料，并且在價格上也比TDI 更有優勢。 隨著國際油價的變化，這些由石油加工分餾而來的材料價格也不斷變化，但是我國的MDI 的進出口數量依舊保持在一個相對經濟健康的水平。

1.2 聚氨酯防水涂料的概念

聚氨酯防水涂料是聚氨酯材料中的一種， 聚氨酯材料作為第五大新型塑料，具有非常優越的性能，同時具備了橡膠和塑料的優點:一方面，聚氨酯具有橡膠的優秀彈性； 另一方面又具有塑料的強度和易于加工的優點[2]。聚氨酯防水涂料繼承了聚氨酯材料的優秀性能，除了具備高強度、延伸率大、耐水性能好等特點以外， 還擁有對于建筑物外墻起到溫度保持的作用，尤其是以MDI 為材料制作的聚氨酯防水涂料，接觸空氣中的濕氣固化，形成一層致密的防水膜。 這層防水膜耐高溫，耐磨損，性能好，強度高，保持時間久。聚氨酯防水涂料整體防水效果優異，性能穩定可靠，可適用于建筑物的不同部位等優點，已經逐步得到了廣泛的認可和應用[3]。

1.3 聚氨酯防水涂料的分類

聚氨酯防水涂料按組份可分為單組份與雙組份兩種類型。

目前國內市場根據不同的固化機理將單組份聚氨酯防水涂料分為濕固化型、潛固化型、水固化型，三者外觀無明顯差別。

雙組份聚氨酯防水涂料一般分為焦油型、 非焦油型和聚醚型。

單組份聚氨酯防水涂料中濕固化單組份聚氨酯防水涂料的機理是涂料體系中-NCO 直接與空氣中的濕氣進行反應形成固化；潛固化型單組份聚氨酯防水涂料是體系先吸收濕氣，之后與潛固化劑反應，形成-NH2H 和-OH，然后與體系中的-NCO 反應形成脲基和氨基甲酸酯；水固化型單組份聚氨酯防水涂料是由使用時外加的一部分水與-NCO 反應形成固化。

雙組份聚氨酯防水涂料是由含有聚醚多元醇或聚酯多元醇與異氰酸酯縮聚而成的-NCO 預聚體的甲組份和含有-OH 活性集團、交聯劑等的乙組份組成，兩者通過攪拌混合進行反應。

1.4 施工工藝介紹

聚氨酯防水涂料對基層的要求及施工條件:

1）基層處理是聚氨酯防水涂料的關鍵因素，因此，基層必須穩定牢固，表面干凈整潔，無明顯的缺棱掉角、空鼓、裂縫、凹坑、倒坡、起砂等缺陷。

2）對陰陽角要進行圓弧形處理。

3）嚴格控制基層含水率。

4）施工環境符合要求后方可施工，聚氨酯防水涂料適宜的施工環境溫度為5 ℃~35 ℃；室外施工應避免雨、雪、露、霜等潮濕天氣。

5）施工前應將基層表面的砂漿殘渣等仔細清除；對陰陽角、管道根部、地漏和排水口等部位應認真處理。

6）先進行底涂施工，底涂干燥后才能進行下一道程序。

2 MDI 加入量對聚氨酯防水涂料性能的影響

MDI 加入量對聚氨酯防水涂料性能的影響，主要是通過MDI 中異氰酸基含量的變化而產生的，因為MDI 材料中的異氰酸基是影響聚氨酯防水涂料固化形成防水膜時間長短的主要因素。 異氰酸基含量的多少，對于聚氨酯防水涂料的物理力學性能存在著較大的影響。

當MDI 含量較低的時候，所含的異氰酸基自然也相對較低，這種情況下，對聚氨酯防水涂料的主要影響在于降低了聚氨酯涂料的固化能力，導致了聚氨酯防水膜不能正常固化，甚至不能固化，并且出現聚氨酯防水膜內部易碎、發脆的情況，使得聚氨酯防水膜的拉伸強度和斷裂伸長率都不達標。 這是因為異氰酸基是形成聚氨酯防水涂料固化能力的主要原因，通過異氰酸基連接的苯環是聚氨酯防水涂料能夠遇空氣中的濕氣固化的主要成分。 當MDI 含量較少時，異氰酸基含量不足，它所連接的苯環等剛性結構也就會不足，從而影響聚氨酯防水涂料的固化能力。 這個時候就需要提高MDI 的含量，以增加材料中的異氰酸基。

但是MDI 含量過高也會對聚氨酯防水涂料的性能產生嚴重的影響。 異氰酸基的含量過高時，會使得聚氨酯涂膜的延展性和柔韌性下降，從而使聚氨酯涂膜的延伸率下降。 這是因為隨著異氰酸基的含量不斷增加， 它所連接的苯環也會不斷增多，而與苯環相關的一些結構會在遇到空氣中水分時發生化學反應，形成了更多新的化學鍵，從而使得涂膜的固化能力上升，穩定性提高，聚氨酯涂膜的強度也就提高了。 但是更多新化學鍵的產生，在化學鍵的作用下，原子之間的作用力增強，導致原子的可移動性大大減弱。 聚氨酯涂膜的延伸率主要是通過原子的自由移動來實現的，現在因為異氰酸基的含量過高，導致原子無法自由移動，自然就會影響聚氨酯涂膜的延展性和柔韌性。

因此，在聚氨酯防水涂料的生產制造過程中，嚴格控制MDI 的加入量就顯得非常重要，直接影響著聚氨酯涂膜的物理性能。 根據上述的試驗結果來看，對于MDI 材料，可以適當地多增加，也不能加入過少，因為盡管MDI 含量過高會影響聚氨酯涂膜的延伸率，涂膜還是存在著一定的延伸率和非常好的固化能力與強度，對于涂膜的實際運用所產生的消極影響處在可以接受的范圍。 MDI 含量過少，聚氨酯涂膜不能正常固化甚至不能固化，對涂膜的功能是從根源上影響的，所以MDI 含量過高的影響并沒有含量過低的影響大。 最佳的含量是實現涂膜最優功能的選擇，延伸率不足也會導致涂膜覆蓋面積小，需要增多聚氨酯防水涂料的用量，導致成本的增加。

3 結語

MDI 和TDI 是生產制造聚氨酯防水涂料的兩種主要原材料，TDI 因為其強烈的氣味、劇毒危險性和居高不下的價格，漸漸在聚氨酯防水涂料生產中被MDI 取代。 在使用MDI 生產聚氨酯防水涂料的過程中，MDI 加入量的多少對聚氨酯防水涂料的性能具有決定性的影響。