Разработка рецептур системы полиуретановых материалов для устройства наливных полимерных покрытий полов

В помещениях, занимаемых торговыми комплексами, складами, подземными гаражами, поверхность полов подвергается интенсивным абразивным, механическим и тепловым нагрузкам, химическим и ударным воздействиям.
При этом полы должны иметь привлекательный вид, быть беспыльными, нескользкими, негорючими и легкими в уборке.

Для устройства промышленных полов наибольшее распространение получили материалы на основе цемента: бетон, цементно-песчаные стяжки, мозаичный бетон. Однако, такие материалы имеют ряд недостатков: бетонные полы, выполненные традиционными методами, как правило, быстро приходят в негодность из-за образования сколов, трещин, замасливания поверхности, высокого пылеобразования.

Рис.1 Наливной пол

Мировой опыт показывает, что оптимальным решением является устройство полимерных наливных полов. Высокая долговечность, надежность и удобство в эксплуатации обеспечили наливным покрытиям широкое применение.
Наливные полимерные полы могут быть выполнены на основе эпоксидных, полиуретановых, акрилатных смол. Эпоксидные и полиуретановые композиции близки по свойствам, однако эпоксидные характеризуются большей твердостью, а полиуретановые являются более эластичными.

Проведены исследования, целью которых был подбор составов наливных полиуретановых покрытий полов повышенного качества и долговечности для объектов различного назначения. Работа проводилась в направлении создания комплексной системы материалов для устройства наливных покрытий пола и придания материалам высоких физико-технических характеристик:
– прочность сцепления с основанием — 2–2,5 МПа;
– водопоглощение — 0,1–0,3%;
– твердость по Шору — 75–95;
– износостойкость — не более 0,02 г/см2.

Основой всех материалов являются полиуретановые пленкообразователи.

При взаимодействии изоцианата — соединения с линейной группой N=C=O — со спиртом (гидроксилсодержащим компонентом) образуется уретан, т. е. сложный эфир карбаминовой кислоты. В отличие от карбаминовой кислоты, уретаны термически и химически очень устойчивы.
В случае реакции диолов с диизоцианатами образуются «линейные полиуретаны», при применении полифункциональных изоцианатов и/или полиолов — разветвленные или сшитые полимеры.

Полиуретановые материалы делятся на однокомпонентные и двухкомпонентные. Для покрытий полов на основе однокомпонентных полиуретанов используются уретановые преполимеры, отверждаемые влагой воздуха. Они представляют собой жидкие смолы или их растворы, состоящие из полиолов и избытка ди- и полиизоцианатов. Эти материалы очень чувствительны к влажности воздуха, наличию остаточной влаги в пигментах и наполнителях, присутствию воды в растворителях.
Во избежание повышения вязкости или гелеобразования готовых составов в таре в них вводят добавки, связывающие воду.

В двухкомпонентных системах с высоким сухим остатком вода реагирует с изоцианатными группами, переводя их в неактивные карбонатные группы, тем самым уменьшая плотность сшивки в покрытии. Кроме того, такая реакция связана с выделением углекислого газа, что при высокой вязкости материала и его значительной толщине приводит к вспениванию и пористости покрытия.

Были исследованы некоторые типы добавок, таких, как молекулярные сита, триэтилортоформиат, п-толуолсуль-фонилизоцианат (ТСИ). Наилучшую эффективность для однокомпонентных систем показала добавка Т1 на основе ТСИ, для двухкомпонентных — молекулярные сита.

Как правило, двухкомпонентные составы используются для создания основных наливных слоев покрытий полов, на которые приходятся основные механические нагрузки при эксплуатации. В случае использования ароматических полиизоцианатов (NCO группа непосредственно связана с бензольным кольцом) отверждение происходит при более низких температурах, чем при использовании алифатических полиизоцианатов, которые требуют присутствия катализаторов — органических соединений олова (дибутилдилаурата), солей цинка или третичных аминов.

Изменяя соотношение и тип отвердителя, можно получать покрытия, отличающиеся по своим характеристикам.
Покрытие пола, помимо защитных функций, должно обладать декоративными качествами, что требует применения в композициях различных функциональных добавок. В первую очередь к таким добавкам следует отнести пеногасители. В зависимости от заданных характеристик покрытия, состояния подложки и технологии нанесения суммарная толщина пола может варьироваться в пределах от 1 до 5 мм. Обычно при перемешивании механическим путем основного компонента с отвердителем в вязкую массу интенсивно вовлекается воздух. В дальнейшем происходит отверждение покрытия и удаление пузырьков воздуха. В случае, если скорость отверждения покрытия, характеризующаяся нарастанием вязкости материала, выше скорости удаления пены, мы получим дефектное покрытие.

В процессе работы были испытаны пеногасители производства фирм BYK-Chemie GmbH, Evonik (TEGO)-Chemie GmbH, EFKA- GmbH&CoKG (Германия), Lubrizol Advanced Materials ( США).

Наиболее эффективными оказались пеногасители на основе полидиметилсилоксана и полисилоксанполиэфира. Менее эффективными показали себя полиакрилатные пеногасители. И полностью непригодными — пеногасители на основе органофосфатов и производных жирных кислот.

В качестве наполнителей использовались природные минералы, имеющие низкий коэффициент преломления: кальцит, мел, доломит, каолин, тальк, слюда, диатомитовая земля, барит, кварц. В отличие от пластинчатых (каолин, тальк и слюда) или волокнистых наполнителей (волластонит), наполнители кубической или ромбоэдрической структуры (кальцит или доломит) легче диспергируются и обладают меньшей маслоемкостью. После предварительного анализа, в качестве наполнителя был выбран микробарит и микронизированный тальк.

В разработанную систему материалов для устройства наливных покрытий полов на основе полиуретана входят:
– однокомпонентная полиуретановая грунтовка, которая может быть использована как в исходном, так и в наполненном состоянии для повышения адгезии покрытия;
– двухкомпонентный полиуретановый состав, который может наноситься по грунтовке без финиша или с финишной эмалью и может быть применен в наполненном состоянии;
— однокомпонентная полиуретановая эмаль, которую можно применять в качестве финишного покрытия, а также при нанесении по грунтовке в качестве самостоятельного тонкослойного покрытия пола.

При разработке рецептуры однокомпонентной грунтовки, отверждаемой влагой воздуха, было испытано 5 экспериментальных составов. Соотношение преполимера и растворителя изменялось в интервале от 3:1 до 1:3. С точки зрения технологичности, оптимальная рецептура имеет время высыхания 1,5 часа при температуре 23 °С и относительной влажности воздуха 50%. В зависимости от поглощающей способности основания расход грунтовки составляет 0,1–0,2 кг/м2.

При разработке рецептуры двухкомпонентной композиции было испытано 10 различных составов. Соотношение связующего и отвердителя по массе варьировалось от 6:1 до 3:1. Содержание наполнителя изменялось от 25 до 40% по массе к полимерной композиции, варьировалось также и содержание пеногасителя и молекулярных сит. Оптимальная рецептура, с точки зрения технологичности, характеризуется соотношением NCO/ОН групп, равным 1,1. Соотношение компонентов по массе составляло 10:2,05, плотность — 1,5 г/см3. Жизнеспособность композиции при температуре 23 °С — 28 мин.

При подборе рецептуры финишной однокомпонентной полиуретановой эмали было испытано 10 составов. Соотношение связующего и растворителя по массе менялось в интервале от 2,5:1 до 1,6:1. Содержание наполнителя варьировалось от 20 до 30%, варьировалось также и содержание реологической добавки в зависимости от вязкости системы. Оптимальная рецептура, с точки зрения технологичности, имеет время высыхания 6 часов при толщине пленки 100 мкм.

Результаты испытаний подобранных оптимальных составов однокомпонентной полиуретановой грунтовки, отверждаемой влагой воздуха, двухкомпонентного полиуретанового состава для устройства наливных полов и однокомпонентной полиуретановой эмали приведены в таблицах 1–3.

Табл.1 Результаты испытаний однокомпонентной полиуретановой грунтовки

Табл.2 Результаты испытаний двухкомпонентного полиуретанового состава для устройства наливных полов

Табл.3 Результаты испытаний однокомпонентной полиуретановой эмали

Помимо испытаний отдельных компонентов полиуретановой системы для устройства наливных покрытий полов (грунтовка, двухкомпонентный состав, финишная эмаль), были приготовлены и испытаны образцы комплексного покрытия.

На бетонное основание были нанесены:
– один слой однокомпонентной полиуретановой грунтовки, отверждаемой влагой воздуха (время сушки — 2 часа, толщина пленки — 100 мкм, расход — 50 г/м2);
– один слой двухкомпонентного полиуретанового наливного покрытия (толщина — 1,5 мм, время сушки — 24 часа, расход — 230 г/м2);
– два слоя однокомпонентной финишной эмали, отверждаемой влагой воздуха (время сушки — 6 часов, толщина пленки — около 200 мкм, расход — 300 г/м2).

Испытания покрытия проводили после полного набора прочности, т. е. через 72 часа после нанесения последнего слоя. Результаты испытаний комплексного покрытия приведены в таблице 4.

Табл.4 Результаты испытаний комплексного полиуретанового покрытия для устройства наливных полов

Табл.5 Сравнительная характеристика полиуретановых составов для наливных полов от различных производителей

В таблице 5 представлена сравнительная характеристика полиуретановых составов для наливных полов различных отечественных производителей по основным показателям (4 производителя), для сравнения также приведены результаты испытаний высокоэластичного полиуретанового покрытия «Sikafloor-350», производства «Sika» (Швейцария). В ней приведены данные как для однокомпонентных составов на растворителях («Тинлайн»), так и для двухкомпонентных, представлены составы для получения высокоэластичной пленки («Урмас-пол-1», «Ультралайн-1», «Sikafloor-350»), полужесткой пленки («Ультрафлор», «Ультралайн-02») и жесткой пленки («Тинлайн»).

Жизнеспособность полиуретановых композиций для устройства наливных покрытий пола находится в интервале от 30 до 60 мин., твердость по Шору — 75–96 у. е., водопоглощение составляет 0,4–1,3%, износостойкость — 0,002–0,16 г/ см2, адгезия изменяется в интервале от 1,2–3 МПа. Разработанная нами двухкомпонентная композиция имела жизнеспособность 35 мин., твердость по Шору — 82 у. е., водопоглощение — 0,3%, износостойкость — 0,008 г/см2, адгезию — 2,9 МПа.

На основании результатов исследований установлено, что разработанные композиции для устройства наливных полиуретановых покрытий полов по своим техническим характеристикам не уступают качественным образцам составов отечественных и зарубежных производителей.