Оставьте заявку и мы Вам перезвоним
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь c политикой конфиденциальности
Основы химии гидроизоляционных материалов на основе полиуретана и полимочевины
Полиуретаны и полимочевины представляют собой два близких класса реакционноспособных полимеров, получаемых с использованием изоцианатов, R–N=C=O . Несмотря на сходство исходных компонентов, различие в химической природе второго реагента определяет механизм полимеризации, скорость отверждения и эксплуатационные свойства готовых покрытий.
Большинство как изоцианатных, так и полиольных, полиаминных компонентов двух-компонентных систем являются смесями, в которых присутствуют молекулы разного состава и структуры, с преобладанием основного вещества, при этом контролируется средняя молекулярная масса, вязкость, количество активных групп на единицу массы.
Полиол - это органическое соединение из класса многоатомных спиртов, в молекулах которых содержится более одной гидроксильной группы -OH.
Полиамин - молекула, в которой более 1-й аминной группы -NH2.
Для однокомпонентных составов, это герметики, мастики, характерно присутствие олигомеров - частично полимеризованных компонентов.
Большинство как изоцианатных, так и полиольных, полиаминных компонентов двух-компонентных систем являются смесями, в которых присутствуют молекулы разного состава и структуры, с преобладанием основного вещества, при этом контролируется средняя молекулярная масса, вязкость, количество активных групп на единицу массы.
Полиол - это органическое соединение из класса многоатомных спиртов, в молекулах которых содержится более одной гидроксильной группы -OH.
Полиамин - молекула, в которой более 1-й аминной группы -NH2.
Для однокомпонентных составов, это герметики, мастики, характерно присутствие олигомеров - частично полимеризованных компонентов.
Образование полиуретанов
Основу полиуретановой химии составляет реакция изоцианатной группы –N=C=O с гидроксильной группой –OH полиола.
Общая схема реакции имеет вид:
R–NCO + R′–OH → R–NH–CO–O–R′
При этом образуется уретановая или карбаматная связь:
–NH–CO–O–
В промышленности наиболее распространенными полиизоцианатами являются ароматические 4,4′-дифенилметандиизоцианат 4,4′-MDI (Метилендифенилдиизоцианат, MDI), толуендиизоцианат (TDI), полимерный MDI (pMDI), а также алифатические гексаметилендиизоцианат (HDI) и изофорондиизоцианат (IPDI). В качестве полиольного компонента применяют главным образом полиэфирполиолы (polyether polyols) и полиэстерполиолы (polyester polyols).
Если используются дифункциональные реагенты, формируется преимущественно линейный полимер. Пространственная полимерная сеть возникает только тогда, когда хотя бы один из компонентов обладает функциональностью выше двух (например, триолы, полиолы с функциональностью 3–6 гидроксильных групп или полиизоцианаты на основе MDI).
Именно поэтому современные гидроизоляционные материалы представляют собой не просто полиуретан, а контролируемо сшитую полимерную сеть, в которой степень сшивки определяет эластичность, прочность, модуль упругости и долговечность покрытия.
Общая схема реакции имеет вид:
R–NCO + R′–OH → R–NH–CO–O–R′
При этом образуется уретановая или карбаматная связь:
–NH–CO–O–
В промышленности наиболее распространенными полиизоцианатами являются ароматические 4,4′-дифенилметандиизоцианат 4,4′-MDI (Метилендифенилдиизоцианат, MDI), толуендиизоцианат (TDI), полимерный MDI (pMDI), а также алифатические гексаметилендиизоцианат (HDI) и изофорондиизоцианат (IPDI). В качестве полиольного компонента применяют главным образом полиэфирполиолы (polyether polyols) и полиэстерполиолы (polyester polyols).
Если используются дифункциональные реагенты, формируется преимущественно линейный полимер. Пространственная полимерная сеть возникает только тогда, когда хотя бы один из компонентов обладает функциональностью выше двух (например, триолы, полиолы с функциональностью 3–6 гидроксильных групп или полиизоцианаты на основе MDI).
Именно поэтому современные гидроизоляционные материалы представляют собой не просто полиуретан, а контролируемо сшитую полимерную сеть, в которой степень сшивки определяет эластичность, прочность, модуль упругости и долговечность покрытия.
Покрытие из полимочевины арматической структуры необходимо окрасить краской для защиты от УФ. Применяется при ремонте, без защиты от УФ - в гидроизоляции цоколя, подбетонной подготовки
Однокомпонентные полиуретановые материалы
Большинство полиуретановых гидроизоляционных мембран, наносимых кистью или валиком, относятся к однокомпонентным влагореактивным системам.
На заводе-изготовителе сначала синтезируют изоцианатный преполимер - относительно низкомолекулярную смолу, содержащую свободные изоцианатные группы (–NCO). Такая система длительное время остается стабильной в герметичной упаковке.
После нанесения покрытия начинается реакция с влагой воздуха и влагой, содержащейся в основании.
Процесс протекает в две стадии.
Сначала происходит гидролиз изоцианатной группы:
R–NCO + H₂O → R–NH₂ + CO₂↑
Затем образовавшийся амин практически мгновенно реагирует с другой изоцианатной группой:
R–NH₂ + R–NCO → R–NH–CO–NH–R
Cтруктура влагореактивного полиуретана содержит не только уретановые, но и мочевинные или карбамидные связи, что существенно повышает механическую прочность покрытия.
Выделяющийся при первой реакции углекислый газ способен образовывать поры. Именно поэтому однокомпонентные полиуретаны рекомендуется наносить тонкими слоями на сухое основание. Избыточная влажность бетона или слишком большая толщина слоя могут привести к вспениванию материала и снижению качества гидроизоляции.
На крупных объектах применяют, в основном, двухкомпонентные системы, их надежность выше, но они требуют специального оборудования - специальных насосов высокого давления и пистолетов с форсунками.
На заводе-изготовителе сначала синтезируют изоцианатный преполимер - относительно низкомолекулярную смолу, содержащую свободные изоцианатные группы (–NCO). Такая система длительное время остается стабильной в герметичной упаковке.
После нанесения покрытия начинается реакция с влагой воздуха и влагой, содержащейся в основании.
Процесс протекает в две стадии.
Сначала происходит гидролиз изоцианатной группы:
R–NCO + H₂O → R–NH₂ + CO₂↑
Затем образовавшийся амин практически мгновенно реагирует с другой изоцианатной группой:
R–NH₂ + R–NCO → R–NH–CO–NH–R
Cтруктура влагореактивного полиуретана содержит не только уретановые, но и мочевинные или карбамидные связи, что существенно повышает механическую прочность покрытия.
Выделяющийся при первой реакции углекислый газ способен образовывать поры. Именно поэтому однокомпонентные полиуретаны рекомендуется наносить тонкими слоями на сухое основание. Избыточная влажность бетона или слишком большая толщина слоя могут привести к вспениванию материала и снижению качества гидроизоляции.
На крупных объектах применяют, в основном, двухкомпонентные системы, их надежность выше, но они требуют специального оборудования - специальных насосов высокого давления и пистолетов с форсунками.
Двухкомпонентные полиуретановые системы
В двухкомпонентных составах один компонент содержит композицию с полиолом, а второй - ди- или/и полиизоцианат.
Непосредственно перед нанесением компоненты смешиваются в строго рассчитанном соотношении.
Основной реакцией становится взаимодействие гидроксильных групп полиола с изоцианатными группами с образованием карбаматной связи.
R–NCO + R′–OH → R–NH–CO–O–R′
Поскольку вода практически не участвует в процессе полимеризации, такие системы образуют значительно более однородную структуру, обладают меньшей пористостью, быстрее набирают прочность и позволяют точнее регулировать конечные свойства гидроизолирующей мембраны.
Непосредственно перед нанесением компоненты смешиваются в строго рассчитанном соотношении.
Основной реакцией становится взаимодействие гидроксильных групп полиола с изоцианатными группами с образованием карбаматной связи.
R–NCO + R′–OH → R–NH–CO–O–R′
Поскольку вода практически не участвует в процессе полимеризации, такие системы образуют значительно более однородную структуру, обладают меньшей пористостью, быстрее набирают прочность и позволяют точнее регулировать конечные свойства гидроизолирующей мембраны.
Образование полимочевины
В гидроизолирующих системах на основе полимочевины вместо полиолов используют полиамины.
Основная реакция имеет вид:
R–NCO + H₂N–R′–NH₂ → R–NH–CO–NH–R′
При этом образуется мочевинная (карбамидная) связь:
–NH–CO–NH–
Скорость этой реакции на несколько порядков выше, чем при образовании полиуретана. Поэтому большинство полимочевинных покрытий отвердевает уже через несколько секунд после смешивания компонентов.
Именно чрезвычайно высокая скорость реакции определяет основную технологическую особенность полимочевины: компоненты смешиваются непосредственно в распылительном пистолете установок высокого давления и практически мгновенно превращаются в монолитную гидроизолирующую мембрану.
Современные гибридные системы
В настоящее время граница между полиуретанами и полимочевинами становится все менее выраженной. Значительная часть современных гидроизоляционных материалов представляет собой полиуретан-полимочевинные гибридные системы, в которых одновременно используются и полиолы, и полиамины.
Подобный подход позволяет объединить достоинства обеих технологий:
Именно поэтому два материала, формально относящиеся к одному классу полиуретанов, полимочевин, могут различаться по модулю упругости, твердости, эластичности, химической стойкости, скорости отверждения и сроку службы в несколько раз. Современные гидроизоляционные системы представляют собой не отдельные полимеры, а сложные химические композиции, свойства которых проектируются под конкретные условия эксплуатации.
Основная реакция имеет вид:
R–NCO + H₂N–R′–NH₂ → R–NH–CO–NH–R′
При этом образуется мочевинная (карбамидная) связь:
–NH–CO–NH–
Скорость этой реакции на несколько порядков выше, чем при образовании полиуретана. Поэтому большинство полимочевинных покрытий отвердевает уже через несколько секунд после смешивания компонентов.
Именно чрезвычайно высокая скорость реакции определяет основную технологическую особенность полимочевины: компоненты смешиваются непосредственно в распылительном пистолете установок высокого давления и практически мгновенно превращаются в монолитную гидроизолирующую мембрану.
Современные гибридные системы
В настоящее время граница между полиуретанами и полимочевинами становится все менее выраженной. Значительная часть современных гидроизоляционных материалов представляет собой полиуретан-полимочевинные гибридные системы, в которых одновременно используются и полиолы, и полиамины.
Подобный подход позволяет объединить достоинства обеих технологий:
- высокую эластичность полиуретана;
- быстрое отверждение полимочевины;
- высокую адгезию к бетону и металлу;
- повышенную трещиностойкость;
- устойчивость к истиранию и атмосферным воздействиям.
Именно поэтому два материала, формально относящиеся к одному классу полиуретанов, полимочевин, могут различаться по модулю упругости, твердости, эластичности, химической стойкости, скорости отверждения и сроку службы в несколько раз. Современные гидроизоляционные системы представляют собой не отдельные полимеры, а сложные химические композиции, свойства которых проектируются под конкретные условия эксплуатации.
Влияние химического строения на устойчивость полиуретанов и полимочевин к ультрафиолетовому излучению
Одним из важнейших факторов долговечности гидроизоляционных покрытий кровли является их устойчивость к солнечному излучению. При этом решающую роль играет не то, относится ли материал к полиуретанам или полимочевинам, а химическая природа используемого изоцианата.
По этому признаку все системы подразделяются на ароматические и алифатические.
Полимочевина сама по себе не является более УФ-стойкой, чем полиуретан. Часто встречающееся утверждение «полимочевина устойчива к ультрафиолету» некорректно. Если она изготовлена на основе ароматического MDI, она также желтеет и постепенно подвергается фотодеструкции.
Высокую светостойкость обеспечивает не принадлежность к классу «полимочевин», а использование алифатических изоцианатов (HDI, IPDI). Именно поэтому в технической литературе правильнее сравнивать ароматические и алифатические системы, а не противопоставлять полиуретаны и полимочевины по их устойчивости к солнечному излучению. Это важный нюанс, который часто упускают в популярных обзорах.
Ароматические системы
К ароматическим относятся материалы, синтезированные на основе изоцианатов, содержащих бензольные кольца в своей молекуле.
Наиболее распространенными представителями являются:
Именно на основе MDI производится бОльшая часть полиуретановых гидроизоляционных материалов, клеев и мастик благодаря высокой реакционной способности, хорошей адгезии к минеральным основаниям и относительно невысокой стоимости.
Однако ароматические кольца интенсивно поглощают ультрафиолетовое излучение. Под действием солнечного света в них возникают фотохимические процессы, сопровождающиеся образованием свободных радикалов. В результате постепенно изменяется структура хромофорных групп полимера, что проявляется пожелтением или потемнением поверхности покрытия.
Изменение цвета далеко не всегда означает разрушение материала. На первых стадиях деградации ухудшается главным образом внешний вид покрытия, тогда как гидроизоляционные свойства сохраняются.
При длительном воздействии ультрафиолета начинают происходить более глубокие процессы:
Поэтому ароматические полиуретаны и полимочевины обычно рекомендуют защищать светостойкими финишными покрытиями, если гидроизоляция длительное время эксплуатируется под открытым небом.
Алифатические системы
Алифатические полиуретаны и полимочевины синтезируют на основе изоцианатов, не содержащих ароматических колец. Наиболее широко применяются:
Отсутствие ароматических фрагментов значительно уменьшает способность материала поглощать ультрафиолетовое излучение. В результате скорость фотохимического старения существенно снижается.
Такие покрытия:
Именно поэтому алифатические полиуретаны и полимочевины широко применяются в качестве наружных защитных покрытий кровель, открытых террас, мостовых сооружений, резервуаров и других конструкций, постоянно подвергающихся воздействию солнечного света.
Современные технологические решения
В современных гидроизоляционных системах стоимость материала часто определяется именно выбором изоцианатного компонента.
Наиболее распространенным решением является двухслойная система. Основной гидроизоляционный слой выполняют из ароматического полиуретана или полимочевины на основе MDI, обладающего высокой прочностью, отличной адгезией и сравнительно невысокой стоимостью.
Поверх него наносят тонкое алифатическое полиуретановое покрытие на основе HDI или IPDI, которое выполняет функции защиты от ультрафиолетового излучения, атмосферного старения и сохраняет декоративный внешний вид.
Такое сочетание позволяет получить оптимальный баланс между стоимостью, долговечностью и эксплуатационными характеристиками покрытия.
Следует также учитывать, что устойчивость гидроизоляции к атмосферным воздействиям определяется не только химической природой полимера.
Существенное влияние оказывают рецептура материала, степень пространственной сшивки, наличие УФ-абсорберов, светостабилизаторов (HALS), антиоксидантов, пигментов и минеральных наполнителей. Поэтому современные гидроизоляционные материалы следует рассматривать как сложные композиционные системы, долговечность которых определяется совокупностью химических и технологических факторов.
По этому признаку все системы подразделяются на ароматические и алифатические.
Полимочевина сама по себе не является более УФ-стойкой, чем полиуретан. Часто встречающееся утверждение «полимочевина устойчива к ультрафиолету» некорректно. Если она изготовлена на основе ароматического MDI, она также желтеет и постепенно подвергается фотодеструкции.
Высокую светостойкость обеспечивает не принадлежность к классу «полимочевин», а использование алифатических изоцианатов (HDI, IPDI). Именно поэтому в технической литературе правильнее сравнивать ароматические и алифатические системы, а не противопоставлять полиуретаны и полимочевины по их устойчивости к солнечному излучению. Это важный нюанс, который часто упускают в популярных обзорах.
Ароматические системы
К ароматическим относятся материалы, синтезированные на основе изоцианатов, содержащих бензольные кольца в своей молекуле.
Наиболее распространенными представителями являются:
- 4,4′-дифенилметандиизоцианат (MDI);
- полимерный MDI (pMDI);
- 2,4- и 2,6-толуилендиизоцианат (TDI).
Именно на основе MDI производится бОльшая часть полиуретановых гидроизоляционных материалов, клеев и мастик благодаря высокой реакционной способности, хорошей адгезии к минеральным основаниям и относительно невысокой стоимости.
Однако ароматические кольца интенсивно поглощают ультрафиолетовое излучение. Под действием солнечного света в них возникают фотохимические процессы, сопровождающиеся образованием свободных радикалов. В результате постепенно изменяется структура хромофорных групп полимера, что проявляется пожелтением или потемнением поверхности покрытия.
Изменение цвета далеко не всегда означает разрушение материала. На первых стадиях деградации ухудшается главным образом внешний вид покрытия, тогда как гидроизоляционные свойства сохраняются.
При длительном воздействии ультрафиолета начинают происходить более глубокие процессы:
- разрыв отдельных полимерных цепей;
- окислительная деструкция поверхности;
- снижение эластичности;
- появление микротрещин;
- меление - образование порошкообразного поверхностного слоя вследствие деградации полимера от воздействия УФ и гидролиза.
Поэтому ароматические полиуретаны и полимочевины обычно рекомендуют защищать светостойкими финишными покрытиями, если гидроизоляция длительное время эксплуатируется под открытым небом.
Алифатические системы
Алифатические полиуретаны и полимочевины синтезируют на основе изоцианатов, не содержащих ароматических колец. Наиболее широко применяются:
- гексаметилендиизоцианат (HDI);
- изофорондиизоцианат (IPDI);
- тетраметилксилилендиизоцианат (TMXDI).
Отсутствие ароматических фрагментов значительно уменьшает способность материала поглощать ультрафиолетовое излучение. В результате скорость фотохимического старения существенно снижается.
Такие покрытия:
- практически не желтеют;
- значительно лучше сохраняют первоначальный цвет;
- медленнее теряют механическую прочность;
- обладают высокой атмосферостойкостью;
- устойчивы к многолетнему воздействию солнечного света.
Именно поэтому алифатические полиуретаны и полимочевины широко применяются в качестве наружных защитных покрытий кровель, открытых террас, мостовых сооружений, резервуаров и других конструкций, постоянно подвергающихся воздействию солнечного света.
Современные технологические решения
В современных гидроизоляционных системах стоимость материала часто определяется именно выбором изоцианатного компонента.
Наиболее распространенным решением является двухслойная система. Основной гидроизоляционный слой выполняют из ароматического полиуретана или полимочевины на основе MDI, обладающего высокой прочностью, отличной адгезией и сравнительно невысокой стоимостью.
Поверх него наносят тонкое алифатическое полиуретановое покрытие на основе HDI или IPDI, которое выполняет функции защиты от ультрафиолетового излучения, атмосферного старения и сохраняет декоративный внешний вид.
Такое сочетание позволяет получить оптимальный баланс между стоимостью, долговечностью и эксплуатационными характеристиками покрытия.
Следует также учитывать, что устойчивость гидроизоляции к атмосферным воздействиям определяется не только химической природой полимера.
Существенное влияние оказывают рецептура материала, степень пространственной сшивки, наличие УФ-абсорберов, светостабилизаторов (HALS), антиоксидантов, пигментов и минеральных наполнителей. Поэтому современные гидроизоляционные материалы следует рассматривать как сложные композиционные системы, долговечность которых определяется совокупностью химических и технологических факторов.
