CN106927724A - 重载荷防滑型水性聚氨酯砂浆 - Google Patents

Abstract

本发明是一种重载荷防滑型水性聚氨酯砂浆，适合在有特定性能要求的区域使用，如低于‑20℃的环境温度，存在腐蚀性有机物质，高温差和蒸汽等。本发明采用一种植物油改性聚醚多元醇水分散体固化聚氨酯，配合高性能混凝土，能够进行多种反应的砂浆体系，应用形成一个100%高固体份，具有6‑12mm厚度的一体化厚涂层。该涂层相容性良好，坚固耐磨，具有优异的机械力学性能和防滑性能，且施工步骤少。该涂层可使用色浆或彩色石英砂进行装饰。本发明的产品也适合作为建筑上的修补和增强材料使用。

Description

重载荷防滑型水性聚氨酯砂浆

技术领域

本专利属于涂料、耐磨材料、建筑或建材、土木工程技术领域，是一种水性聚氨酯砂浆涂层，尤其可以作为地坪涂层使用。

背景技术

工业上存在着许多具有特殊环境的区域，比如长期连续的处于低于-20℃的温度下的制品冷库、经常有较高浓度的乳酸溢出的乳制品车间，经常有腐蚀性物质泄露的制药厂，和潮湿、油腻，常有高温和蒸汽的中央厨房。这些区域对使用的地坪材料相应的也有很严格的要求。地坪是覆盖在底材表面，对底材进行保护和装饰，并实现耐磨，耐高温、低温环境，抗冲击，耐重荷，防滑等新性能的化学涂层。在这些环境中，地坪可能一直需要在低于-20℃进行使用，并保持功能正常；必须能够抵御化学腐蚀；必须耐高温、潮湿环境，耐油污，耐频繁的高温差等。

混凝土地坪如金刚砂耐磨地坪，有优良的机械性能，易于施工，但结构多孔，且材料高极性，使得混凝土结构体容易吸收异物，如油性化合物、甚至腐蚀性有机酸等。混凝土的主要成分硅酸盐不能充分的抵抗化学药品的腐蚀。结构上如果没有经过主要的改性，引入大量新的功能化学基团，丙烯酸树脂通常只应用在轻度工业承载的场所如高弹性亚克力球场等。例如，US5543232公开了一种光固化改性丙烯酸树脂清漆，具有良好的弹性，适用于一般场所。环氧树脂是应用最为广泛的主体树脂，具有优秀的防腐蚀和机械力学性能。环氧树脂结构中含有大量的苯环，涂层坚硬；还存在有烃基和醚键，对混凝土基材的附着力优良，耐碱性优良，可耐大部分有机溶剂。环氧树脂一直都作为防腐蚀涂料和重腐蚀环境中的首选防蚀基料。但环氧树脂在低温下的固化反应缓慢，施工效果和涂层性能不理想。例如，US8133941公开了一种水性双组份环氧树脂体系，可以调节固化时间。

由于聚氨酯的性能非常突出和优越，符合极端条件下的应用状况，因此适合做为上述环境中的地坪材料。聚氨酯树脂是典型的弹性体材料，特征的固化反应使聚氨酯具有显著的物理机械性能。聚氨酯耐化学腐蚀，包括有机酸和大部分溶剂，可以抵抗多种酸碱和有机溶剂腐蚀，常使用在恶劣环境下替代橡胶制品。引入多种弹性体结构的聚氨酯能够做到比橡胶更好的耐磨性能，具有比橡胶强得多的撕裂强度。在聚氨酯分子结构中存在大量氢键，以类似化学交联的作用，能够增进聚氨酯涂层的力学性能，如抗拉强度、抗撕裂强度、耐冲击性、耐磨性等，并增强耐水解性、耐油性等。聚氨酯的结构的来源很多，异氰酸酯基可以和醇羟基、氨基、酰胺基、脲基甲酸酯、缩二脲基反应，甚至形成硫桥等结构，并可引入酯基，醚基等。例如，US5777024公开了一种羟基固化聚氨酯体系，可以获得高密度固化，具有优良性能的涂层，物料粘度和固化速度可调整；US7022257公开了一种羟基固化聚氨酯地坪体系，可以在重载荷下使用，并保持外观，容易清洁和维护。

聚氨酯具有比混凝土更强的强度，在聚氨酯地坪体系中树脂到达性能极限之前混凝土先发生断裂，因此在使用时聚氨酯树脂实际上同时在保护混凝土，加强混凝土的力学表现，同时防止混凝土遭到各种腐蚀。

应用在极端条件下，具有各种特殊特点的环境中时，具有一定厚度的涂层是比较理想的。足够的厚度首先是承受重荷载的前提，也可以增强抗表面擦伤性，不致在较低的荷载下涂层就过度压缩，而容易损坏。足够的厚度可以保证涂层与基材的附着不受重荷载，重机械冲击的影响。在此基础上发生的涂层损坏是可以之后进行修补的，因此通过维护就可以保证涂层长期正常使用。足够的厚度也可以保护极端温差下涂层的附着力。高的涂层厚度通常也意味着高的密封抗渗透性。

由于经常使用在极端环境下，涂层的一体化也是比较重要的。一体化涂层可以避免环境条件剧烈变化时，不同树脂体系、不同面层间出现的不相容性。这样在施工上也产生了要求，要获得具有较高厚度的一体化涂层，涂装过程需要简单，并方便多次重复涂覆，以得到所需的涂层厚度。需要注意的是，很多常用一般涂料体系需要使用大量涂料，并多次施工来获得一个较大的膜厚，在达到要求的膜厚的时候，涂料涂膜中大量的填料又导致涂膜出现内聚能密度过大，外观开裂的现象。

一个100%高固体份涂层体系很适合作为使用在上述区域的地坪体系。100%高固体份体系不含有溶剂，所有组分均参加反应，固化成涂层。因此对施工环境要求较低，涂装过程中也没有气味。100%高固体份体系的涂装所需步骤也比较少，容易形成最后的厚膜层。

发明内容

水性聚氨酯砂浆地坪近年来开始逐渐在有特定性能要求的区域使用。水性聚氨酯地坪具有非常良好的机械性能、温度适应范围广，耐严苛化学品的腐蚀，能满足严格的环保要求，施工周期短、使用寿命长等诸多优点。本发明是一种A、B、C、D，4组份材料，制成的产品，是一种可承担重工业荷载、耐极端环境条件的地坪涂层体系，具有完善的使用性能，同时具有一定的装饰性。

在极端条件下使用，聚氨酯相对于混凝土体系和丙烯酸酯体系，甚至环氧体系在性能上是非常优越的。为了达到最佳的性能表现，丙烯酸酯体系对施工环境的要求较高，由于渗透性，和分子结构上极性与强度的差异，丙烯酸酯体系需要充分保证流动的粘度与涂层的固含量，和一个处理较好的基材表面。丙烯酸酯体系不能承受高温差环境和经受化学品腐蚀，耐磨性能同时也不够好。聚氨酯具有很高的反应性，和优良的附着力，聚氨酯体系可以在小范围内容忍施工时的小缺点，而不影响涂层的整体性能。这个施工上的优势使得聚氨酯体系在一般工业或商业领域正部分的替代环氧树脂体系。混凝土体系不能克服易开裂、起泡、机械韧性差、不能耐高温差，不能耐化学品等诸多缺点，聚氨酯体系却在这些性能上表现优良，如可耐高至130℃的温度，长期遭受广谱化学腐蚀而正常使用等，具有比环氧树脂更强的适应应用状况的能力。

本发明的产品是一种高厚度，100%高固体份水性聚氨酯砂浆地坪，应用后得到的是一个与基材结合紧密、性能优越的一体化涂层，涂层整体相容性非常好，机械性能突出，具有很高的硬度，和很好的韧性。

本发明的产品采用芳香族或脂肪族异氰酸酯，与一种植物油改性多元醇固化，同时与混凝土充分混合，体系内进行多种固化反应，产生的涂层非常坚固耐磨。本发明的产品克服了环氧树脂彩砂地坪体系在特定场所承受高温差和经受化学品腐蚀，耐潮湿、耐磨等方面的性能不足。

本发明的产品应用时，是一个复杂的反应体系，发生的反应包括：A组份中聚醚多元醇与B组份中的异氰酸酯会发生聚氨酯的固化反应；A组份中改性植物油的OH基与B组份中异氰酸酯发生固化反应；A组份聚醚多元醇中含有的水与B组份中的异氰酸酯反应生成CO₂和脲；D组分植物油基料上的OH基与B组份中异氰酸酯发生固化反应；混凝土的胶结固化反应；CO₂与CO₂吸收剂的反应，减少气体释放；SiO₂与碱之间的反应。常温下将产品四组份混合即开始反应，反应迅速，固化均匀，反应后的产物表现出良好的体系相容性。涂层外观一致，结合致密，不存在开裂、团聚絮凝等不良填充现象，涂层完整，非常坚固耐磨。本发明的产品是一个100%高固体份涂层体系，过程中没有溶剂挥发，可一次施工得到大于6mm的涂层，并且步骤简单。

本发明的产品是一种厚涂型涂层体系，厚度可达到12mm，在6-12mm厚度间，可以按设计和使用需要涂装至所需厚度。在这样的厚度的基础上，一体化涂层不但对基材具有很好的附着力，还可以对涂层增加新的功能涂层，如增加中涂层，以增强密封抗渗透性；增加弹性层，以具有较明显的弹性。厚涂型涂层同样也意味着很长的使用期。尽管是使用在严酷极端的环境中，厚涂型涂层的基础很难被破坏，使用中各种损伤都发生在涂层的上层部分，因此可以进行修补。

本发明的产品，根据使用目的不同，可使用不同数量的石英砂和彩色石英砂，或石英砂层。在涂层表面保持一个粗糙的纹理，可以具有非常好的防滑功能。实现这样的表面效果，可以在体系中整体混合石英砂，使得石英砂粒曝露出地坪表面，固化成型。涂层中砂粒分布均匀，不沉降絮凝，是非常有效的防滑表面。表面粗糙度可以通过石英砂使用密度确定。在涂层涂装时，表面增加一个致密的抛砂面层，也可以实现这样的表面纹理和防滑效果。使用石英砂的另一个好处是可以对涂层有增强的作用，石英砂可以作为涂层组分改进涂层的力学性能。装饰性是使用彩色石英砂的特点，彩色石英砂的颜色是固有色彩，不随环境改变，并且彩色石英砂在固化后的地坪体系中不迁移，不渗出，因此色彩比较稳定，即使在高温潮湿区域，仍可以使用，保持色彩与地坪纹理完整，使地坪保持美观。

本发明的产品是一种可实现多种功能的水性聚氨酯砂浆体系，具有优异的机械力学性能，耐化学腐蚀，耐高温，防滑的，可满足重工业荷载使用条件，具有一定的装饰性。本发明的产品可以应用在工业和商业各种已知的潮湿加工环境上，如-40℃∼130℃高温差环境，热水清洁环境，允许使用一般清洁剂和除油剂，并可以进行蒸汽清洗。本发明的产品可以经受强的机械重载和重冲击，而不对地坪体系产生影响。本发明的产品具有优良的耐化学品性能，包括部分有机酸和大部分有机溶剂，如乙酸、果酸和丙酮、醇类、烷烃、汽油等，可以安全使用在商业厨房、食品预制、肉类加工厂、果汁饮料加工业，实验室等场所。在被上述一类物质润湿之后，不会影响地坪的性能和使用。

本发明的产品的聚氨酯地坪体系，可以在不是十分干燥的混凝土基层（含水率＜10%）上施工；可在养护7天的新混凝土上施工；可在低至5℃的环境中进行固化和施工。本发明的产品对基材具有优良的附着力，可以不涂装底涂层，施工步骤简单，可使工期缩短，并使得潮湿环境下的地坪修补变得简单，施工过程因此具有快速固化和更大的环境容忍性的特点。本发明的产品是一个水性自流平体系，具有合适的粘度，基本没有气味，也基本没有有机挥发物。

具体实施方式

本发明提供一种四组份A、B、C、D水性聚氨酯砂浆材料，用于制备极端条件，如高温，高温差，重工业荷载，重冲击，频繁的化学品接触等环境中使用的工业地坪，并具有一定的装饰性。

本发明采用了如下技术方案。

A组份：为植物油改性聚醚多元醇水分散体。合适的植物油分子结构上具有2∼6个羟基，可以使用经过对分子结构中的不饱和双键进行环氧化，然后再与带有活性氢基团的化合物反应，引入羟基后的植物油。也可以使用分子结构中本身带有羟基的植物油，或者是经过与多元醇进行酯交换反应引入羟基后的植物油。制备中可使用的植物油包括但不只限于如大豆油，蓖麻油，棕榈油，亚麻油等等。

符合要求的改性植物油多元醇可以用作聚氨酯体系的固化剂。符合使用要求的A组份的分子量在200至1000之间，具有特定官能团如羟基、羧基，羟基值100-160。

B组份：为具有活性异氰酸酯基官能团的物质，可以使用的异氰酸酯包括但不只限于如甲苯二异氰酸酯(TDI)，二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，1,6-己二异氰酸酯(HDI)，苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)，异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，3,3’-二甲基-4,4’联苯二异氰酸酯(TODI)，环己烷二亚甲基二异氰酸酯(H6XDI)，4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯(H12MDI)，对苯二异氰酸酯(PPPDI)，3,3’-二甲基-4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(DMMDI)等。其中1,6-己二异氰酸酯(HDI)，苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)，异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)等种类的异氰酸酯都具有耐黄变性能，室外应用时是很好的聚氨酯组分。

C组份：无机活性骨料，如高强度混凝土，石英砂，彩色石英砂，CO₂吸收剂等。在国家标准GB175—2007中，列出了可使用的六类通用硅酸盐体系高强度混凝土。在非标准工程条件下施工时，可加入各种混凝土外加剂，如减水剂，缓凝剂，阻锈剂等。加入CO₂吸收剂可以使反应过程中不会发泡及减少气孔。

D组份：色浆。D组份是无机颜料与植物油基料充分研磨后得到的浆体，施工时以一定比例的浆体与A，B，C组份，充分搅拌混合后，可得到色泽均一的稳定混合物。

四组份按一定重量百分比混合使用，比例是：A:B:C:D=2.3:2.8:24.4:0.5，混合后即开始化学反应。使用时，体系中同时发生如下几个固化反应：①A组份中聚醚多元醇与B组份中的异氰酸酯会发生聚氨酯的固化反应；②A组份中改性植物油的OH基与B组份中异氰酸酯发生固化反应；③A组份聚醚多元醇中含有的水会与B组份中的异氰酸酯反应生成CO2和脲；④D组分植物油基料上的OH基与B组份中异氰酸酯发生固化反应；⑤混凝土的胶结固化反应。A、B、C、D四组份混合后同时参与化学反应，可得到高性能的聚氨酯化合物产品。反应过程中，上述的几个反应产生大量热量，使整个体系的温度迅速升高，聚氨酯涂层可以在很短的时间内固化，投入使用。

实例一

生产配制方法和步骤：

（1） 改性植物油多元醇的合成：按如下比例45:10:5:40，将合适的植物油、二元酸、间苯二甲酸和新戊二醇，投入到装有回流冷凝器的反应锅中。逐渐升温加热到225℃，进行脱水缩合反应，利用二甲苯回流至PH值为8以下，停止反应。蒸出回流二甲苯，冷却到180℃以下出料备用。

（2） A组份配制：在均质机中先加入水，乳化剂，再在均质机搅拌下，按照50:15:0.5:34.5的比例慢慢加入步骤（1）中制备的改性植物油多元醇、PPG聚醚（L-1000）、乳化剂、水配制混合，混合分散成奶白色乳液状水性分散体。

（3） B组份采用工业级MDI。

（4） C组分由高强度混凝土、CO2吸收剂，按照90:10的比例混合，再根据所需的用量，将石英砂混合入后在卧式螺旋混合机中混合均匀，密封包装。

（5） D组分按照60:39:1的比例将高色相无机颜料、多元醇和高分子分散剂，混合搅拌，均匀分散，经过研磨细度至50um以下，过滤去除大粒径颗粒后包装。

应用方法和步骤：

（1）产品预备。按重量份将产品称量好：A组分:B组分:C组分:D组分=2.3Kg:2.8Kg:24.4Kg:0.5Kg，共30Kg/套，包装。

（2）样板准备。准备一块1m×1m的混凝土基材，符合以下要求：

1、基层的混凝土强度达到30Mpa以上，粘接强度不小于1.5Mpa。

2、基层含水率控制在8%以下。

3、基材整体无缝完整。应用在工程地坪上时，如存有裂缝，则使用电镐开“V”槽后，用聚氨酯砂浆批刮填平裂缝，进行修补。

4、混凝土基体、混凝土表面不起砂，没有粉化，硬度正常。

5、混凝土基材没有油脂污染和空鼓现象。

6、基材样块表面平整。工程地坪的表面平整度控制在3-5mm/2m。

（3）材料搅拌混合。将按比例的A组分和B组分倒入混料桶，用搅拌机在低速（300rpm）下搅拌30秒至1分钟，直至混合均匀。然后再将C组分倒入混合好后的物料中搅拌均匀。最后加入D组分，搅拌混合时间在2-6分钟之间。搅拌材料越稠，需要的时间越长。根据物料温度决定搅拌时间，如果物料温度高，搅拌时间则缩短，如果物料温度低，则延长搅拌时间。过分提高温度会极大地缩短适用时间，和固化时相关的工作时间。

（4）应用。搅拌均匀的砂浆应立即摊涂在混凝土基材上，控制涂层厚度>6mm， 用齿耙或镘刀将其摊开，镘涂该聚氨酯砂浆作为底涂，并用消泡滚筒来回滚涂聚氨酯砂浆，使表面均匀平整。搅拌混合的时间取决于环境温度和组分温度。将所有组分的温度保持在 30摄氏度以下非常重要，否则搅拌混合时间和工作时间都将显著缩短，造成现场施工出现问题的可能性增大。

（5）固化。20°C时，24小时后，固化好的混凝土基材就可以投入使用和测试。

产品是可自流平的水性体系，固化好的6mm左右的涂层，具有很高的硬度，表面平整无缝，粗糙。涂层整体色泽均匀，哑光。

该涂层在70℃高温下硬度不变，可以通行人员及车辆。沸水泼洒在涂层表面时，对涂层不产生破坏性作用，可随即进行清洁。该涂层耐化学品腐蚀，柠檬酸液泄露在涂层表面，涂层硬度不变，体积不收缩，涂层不缺损，清洁后表面正常。该涂层可在有机械重载和重冲击环境中使用，耐磨性能优越。防滑性能优越。使用中性能稳定，使用寿命长，容易维护，易清洗。

[实例二

按照实例一的生产过程重复进行水性聚氨酯砂浆体系的制备。

应用方法和步骤：

（1）产品预备。按重量份将产品称量好：A组分:B组分:C组分:D组分=2.3Kg:2.8Kg:24.4Kg:0.5Kg，共30Kg/套。

（2）样板准备。准备一块1m×1m的混凝土基材，对于混凝土基材的要求同实例一中的描述。

（3）材料搅拌混合。过程同实例一中的描述。

（4）应用。过程同实例一中的描述，但控制涂层的厚度在12mm左右。

（5）固化。过程同实例一中的描述。

该涂层是12mm的厚涂层。产品是可自流平的水性体系，固化好的12mm的厚涂层，硬度很高，可耐重冲击，表面平整无缝，粗糙，整体色泽均匀，哑光。

该涂层在高温沸水泼洒下硬度不变，可以通行人员及车辆，涂层不产生破坏，可随即进行清洁。该涂层耐化学品腐蚀，柠檬酸液泄露在涂层表面，涂层硬度不变，体积不收缩，涂层不缺损，清洁后表面正常。该涂层可在有机械重载和重冲击环境中使用，耐磨性能优越，防滑性能优越。使用中性能稳定，使用寿命长，容易维护，易清洗。

实例三

按照实例一的生产过程重复进行水性聚氨酯砂浆体系的制备。

应用方法和步骤：

（1）产品预备。按重量份将产品称量好：A组分:B组分:C组分:D组分=2.3Kg:2.8Kg:24.4Kg:0.5Kg，共30Kg/套，包装。

（2）样板准备。准备一块1m×1m的混凝土基材，对于混凝土基材的要求同实例一中的描述。

（3）材料搅拌混合。过程同实例一中的描述。

（4）应用。搅拌均匀的砂浆立即摊涂在混凝土基材上，控制涂层厚度>12mm， 用齿耙或镘刀将其摊开，镘涂该聚氨酯砂浆作为底涂，并用消泡滚筒来回滚涂聚氨酯砂浆，使表面均匀平整。

另外准备一部分细石英砂，将其均匀的播洒在涂层表面，形成一个0.5mm左右厚度的石英砂层，候其沉入砂浆体系，再次使用消泡滚筒来回滚涂聚氨酯砂浆表面，使表面呈现一个致密的抛砂面层。

（5）固化。过程同实例一中的描述。

该涂层是一个具有致密抛砂面层，12mm的厚涂层。固化好的12mm的厚涂层，有很高的硬度，可耐重冲击，表面平整无缝，呈致密的粗糙状，整体色泽均匀，哑光。

该涂层在高温沸水泼洒在表面时，硬度不变，人员及车辆可以通行，涂层不产生破坏，并可随即进行清洁，使用状况良好。该涂层耐严苛化学品腐蚀，柠檬酸液泄露在涂层表面，涂层硬度不变化，涂层不缺损，清洁后表面正常。该涂层可在有机械重载和重冲击环境中使用，耐磨性能优越，防滑性能优越。使用中性能稳定，使用寿命长，容易维护，易清洗。

Claims (7)

1.一种可应用于制备极端条件，如高温，高温差，重工业荷载，重冲击，频繁的化学品接触等环境中使用的工业地坪，具有一定装饰性的水性聚氨酯砂浆体系，其特征在于：

（1）具有四个组分A、B、C、D；其中

A组分为植物油改性聚醚多元醇水分散体；

B组分为具有活性异氰酸酯基官能团的物质；

C组分为包含有高性能混凝土、石英砂、CO₂吸收剂的无机活性骨料；

D组分为色浆。

2.（2）四个组分混合固化应用时，进行多个固化反应，包括

①A组份中聚醚多元醇与B组份中的异氰酸酯会发生聚氨酯的固化反应；

②A组份中改性植物油的OH基与B组份中异氰酸酯发生固化反应；

③A组份聚醚多元醇中含有的水会与B组份中的异氰酸酯反应生成CO₂和脲；

④D组分植物油基料上的OH基与B组份中异氰酸酯发生固化反应；

⑤混凝土的胶结固化反应。

3.（3）在涂层厚度可以控制在6-12mm时，具有这种厚度的涂层表面平整无缝，不开裂，可承受重冲击，可承受重工业承载。

4.（4）在涂层厚度为6-12mm时，具有这种厚度的涂层可以承受70-100℃的温度，可以承受高的温差，在上述环境中可正常使用。

5.（5）该厚涂层的表面可以是中度至轻度粗糙，具有良好的防滑效果。

6.根据权利要求1所描述的水性聚氨酯砂浆体系，其特征在于：所描述的水性聚氨酯砂浆体系是自流平砂浆体系。

7.根据权利要求2所描述的水性聚氨酯砂浆体系，其特征在于：所描述的水性聚氨酯砂浆体系，在应用时，可以在表面进行抛砂，形成一个抛砂面层；以同样的过程也可以构造一个中间抛砂层，位于涂层中部。