使用条件对水性聚氨酯外墙弹性涂料拉伸性能的影响

胡朋举, 肖 军, 刘兵兵, 康全影

(国家环保产品质量监督检验中心, 石家庄 050091)

目前很多建筑物的外墙通常采用水泥砂浆抹面、混凝土或净水泥浆抹面等材料,在环境因素影响下,长时间使用后表面经常出现裂缝，导致涂膜开裂[1]。聚氨酯弹性涂料是一种弹性外墙涂料,不仅具有保护和装饰作用，还具有防水和遮盖裂缝的功能，广泛用于酒店、办公楼、学校和医院等大型建筑物的外墙面[2-3]。弹性外墙漆涂膜具有高的弹性，因而当墙体出现裂缝时，涂膜受到拉伸变形，可阻止开裂破坏，仍然完整的涂膜保持原有的各种防护作用，防止开裂的墙体直接暴露于大气中[4]。我国已有对其产品质量进行检测的相关标准，2005年发布了JG/T 172-2005《弹性建筑涂料》，2014年对其进行了修订。拉伸强度和断后伸长率是聚氨酯弹性涂料的两个重要力学指标，由于其服役时长时间暴露于不同的环境中,如降雨、高温、低温，因此分析不同环境条件对拉伸性能的影响对水性外墙弹性建筑涂料行业非常重要。笔者依据JG/T 172-2014《弹性建筑涂料》，对比分析了水溶液、温度、老化时间等条件对外墙弹性建筑涂料拉伸性能的影响，以期为建筑涂料行业提供基础数据。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料采用水性聚氨酯外墙弹性建筑涂料(简称涂料)，依据JG/T 172-2014规定，在尺寸为430 mm×150 mm×3 mm的玻璃板上放置内轮廓尺寸为430 mm×150 mm×1 mm的不锈钢模具，在模具内涂覆涂料，涂膜最终成形厚度为(1.0±0.2)mm。在标准条件[温度(23±3)℃，相对湿度(50±5)%]下养护48 h,制成膜后反向放入托盘并置于干燥箱内，在温度(80±2)℃下恒温96 h后取出，在标准条件下再放置24 h后利用冲击压片设备将涂膜裁成哑铃状I型试件。每5个为1组，共制备14组试件。

1.2 试验方法

将涂膜裁成哑铃状I型试件，测试后得到其平均厚度，采用CTM2020型拉伸试验机，按照JG/T 172-2014的技术要求进行拉伸试验。

2 试验结果与讨论

2.1 水溶液浸泡对涂料试件拉伸性能的影响

将3组试件分别浸泡在pH为5,7,9的溶液中，密封24 h后取出、擦干，将试件在温度为(23±3)℃，相对湿度为(50±5)%条件下放置4 h后测试其拉伸性能，结果见表1，其中抗拉强度和断后伸长率的变化率是相对无处理条件来计算的。

表1 不同pH水溶液下试件的拉伸性能

由表1可见，在JG/T 172-2014规定的试件厚度范围内，外墙弹性建筑涂料在不同pH的水溶液中浸泡24 h后，拉伸性能下降，断后伸长率上升。由于浸泡溶液都以水为溶剂，增加了水与游离端基-NCO的反应，产生的二氧化碳增多，试件中会产生针孔、痱子泡等缺陷，不能起到较好的保护作用，溶液通过针孔浸入到试件内部，导致拉伸性能下降[5]。同时由于分子间作用力，会使断后伸长率增大。但是涂膜已起不到防护作用，因此在生产过程中需合理调整-NCO 与-OH的比例[6]。

2.2 温度对涂料试件拉伸性能的影响

将6组试件分别置于不同温度下放置24 h后取出，然后将试件在温度为(23±3)℃，相对湿度为(50±5)%条件下放置4 h后测试其拉伸性能。从图1和图2可以看出，当温度从-10 ℃升高至60 ℃时试件的抗拉强度逐渐增大，断后伸长率也逐渐增大，分析原因主要是随着温度的升高，试件中游离的-NCO与-OH可以较慢地充分反应，形成不稳定的氨基甲酸酯后分解释放出二氧化碳和胺，所得的胺与另一个多异氰酸酯反应生成聚脲，最后生成二氧化碳从试件表面慢慢逸出；同时随着温度的升高，分子链具有较低的势能，柔顺性增加，分子间的链段活动空间较多，使材料的硬度降低，受力时链段可较快产生应力取向，使聚氨酯材料的抗拉强度和断后伸长率逐渐增大[7]。但当温度从60 ℃升高至80 ℃时，试件的抗拉强度和断后伸长率急剧下降。分析原因主要是将制备好的试件放入较高温度的环境中时，试件内部生成的二氧化碳来不及排出，在试件内部产生起泡，试件外部表面发生反应，产生的二氧化碳也会产生起泡，导致试件拉伸性能降低[8]。

图1 不同温度下试件的抗拉强度

图2 不同温度下试件的断后伸长率

2.3 老化时间对涂料试件拉伸性能的影响

将4组试件分别放入氙弧灯老化试验箱中，老化条件为润湿时间18 min、干燥时间102 min，干燥期间的相对湿度为40%～60%，试验箱内温度为(38±3)℃，试件表面的平均辐照度为60 W·m-2。老化不同时间后将试件取出、擦干，在温度为(23±3)℃、相对湿度为(50±5)%的条件下放置4 h，测试其拉伸性能。由表2可以看出,老化后的试件和原始试件相比，抗拉强度和断后伸长率都有所降低，但是老化24～168 h的试件断后伸长率变化不大，抗拉强度基本稳定。分析原因主要为涂料中添加了紫外吸收剂及抗氧成分，能够有效吸收光线中紫外线，吸收光能后发生化学键断裂，产生自由基，从而起到抗老化作用。但是老化试验初期，由于试件中含有未反应完全的游离的-NCO与-OH反应，导致拉伸性能降低[9]。

表2 不同老化时间下试件的拉伸性能

3 结论

(1)不同pH的溶液浸泡24 h后，由于浸泡溶液都以水为溶剂，增加了水与游离端基-NCO的反应，所以涂料抗拉强度呈下降趋势，断后伸长率呈上升趋势。

(2)温度从-10 ℃逐渐升高至60 ℃时，试件中游离的-NCO与-OH可以较慢地充分反应，涂料的抗拉强度逐渐增大，断后伸长率也逐渐增大，从60 ℃升高至80 ℃时，涂料抗拉强度急剧下降，断后伸长率逐渐增大。

(3)老化后的试件和原始试件相比，抗拉强度和断后伸长率都有所降低，但是涂料中添加了紫外吸收剂及抗氧成分，所以老化24～168 h的试件断后伸长率的变化不大，抗拉强度基本稳定。