聚氨酯化學灌漿材料的制備及性能研究

王　治胡浩然趙國武吳　強河南建筑材料研究設計院有限責任公司（45000）　河南省華瑞防水防腐有限公司（450000）

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聚氨酯化學灌漿材料的制備及性能研究

王治1胡浩然1趙國武2吳強2
1河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）2河南省華瑞防水防腐有限公司（450000）

摘要:通過介紹聚氨酯化學灌漿材料的制備工藝、分類及測試，探討了聚氨酯化學灌漿材料的性能指標，分析了測試結果，供同行參考。

關鍵詞:聚氨酯；灌漿材料；制備工藝及分類；試驗；性能測試

0引言

化學灌漿作為一門工程技術，目前在我國已經(jīng)得到了非常迅速的發(fā)展，已成為基礎防滲加固處理、水工建筑物防滲補強加固、地下建筑物防水處理的主要手段之一。

聚氨酯化學灌漿材料是由聚氨酯樹脂與一些添加劑組成的化學灌漿，遇水以后能立即與水發(fā)生擴鏈、支化及交聯(lián)反應，產(chǎn)生二氧化碳氣體，造成體積膨脹并最終生成一種不溶于水的、有一定強度的凝膠固結體[1]。聚氨酯化學灌漿材料主要有水溶性和油溶性兩大系列，其中水溶性聚氨酯灌漿材料因其親水性好、包水量大、彈性大等優(yōu)點被廣泛應用。近年來，隨著人們環(huán)保意識的提高，水溶性聚氨酯成為灌漿領域的重要材料[2]。

在我國,自20世紀70年代就開始了聚氨酯化學灌漿材料的研究[3]。聚氨酯化學灌漿材料主要用于有防水要求的化學灌漿工程中，操作簡便、與水反應迅速、固化產(chǎn)物具有遇水膨脹功能，因此廣泛用于裂縫的防滲止水處理，特別是對于涌水的處理效果特別明顯。

1制備工藝及分類

聚氨酯化學灌漿材料的制備目前基本以預聚法為主，即將TDI、MDI等多異氰酸酯與含羥基組分進行反應，再加入催化劑、促進劑等物質，配制成單組分或多組分的化學灌漿材料。反應過程中的-NCO預聚物極易與水發(fā)生反應，利用這一特性，制得的聚氨酯化學灌漿材料可以與水迅速發(fā)生反應，從而達到堵水、止水的目的。當這些材料在使用過程中與水接觸或雙組分混合后，即可發(fā)生反應達到固化的目的。

聚氨酯化學灌漿材料主要有兩大系列:水溶性（親水型）聚氨酯和油溶性聚氨酯。這兩類材料雖然都能用于防水、堵漏、加固，但兩者也有差別。通常，水溶性聚氨酯灌漿材料親水性好、包水量大、彈性大，適用于潮濕裂縫的灌漿堵漏、動水地層的堵涌水、潮濕土質表面層的防護等。油溶性聚氨酯灌漿材料的固結體強度大、抗?jié)B性好、彈性小，比較適合混凝土靜縫的防滲堵漏及地基加固、防水堵漏兼?zhèn)涞墓こ蘙4]。根據(jù)施工需要，也可把水溶性與油溶性聚氨酯灌漿材料按合適的比例混合后進行灌漿施工。

表1試驗材料

2試驗

2.1試驗材料（見表1）

2.2試驗儀器設備

所用合成儀器設備主要有三口燒瓶、電子天平、精密電動攪拌器、變頻調速雙層玻璃反應釜、SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式多用真空泵、GSC高溫恒溫循環(huán)槽等。

2.3合成方法

以合成水溶性聚氨酯灌漿材料為例:先將聚醚放入反應釜中，在110～120℃溫度下真空脫水1 h，脫水完畢后降溫至50～60℃，加入增塑劑，然后邊攪拌邊緩慢加入TDI，緩慢升溫至80～90℃，進行反應2.5～3 h，降溫至50～60℃，加入溶劑及各類助劑，攪拌均勻后出料包裝。

3性能測試

3.1密度

在標準試驗條件下,按GB/T 8077-2000中的5.3條進行,用波美比重計插入溶液中測出該溶液的密度（只測定主劑的密度）。

3.2黏度

按GB/T 2794-1995中的5.1進行試驗，在試驗驗證時采用NDJ-1型旋轉黏度計。

3.3凝膠時間

在標準試驗條件下,試樣與5倍的水相混合，并迅速攪拌均勻（約10 s）后靜止，得到白色乳濁液。之后用玻璃棒不斷探測黏度的變化，當玻璃棒離開液面出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象時，視該試樣已凝膠化。測定試樣與水從混合開始至用玻璃棒離開液面出現(xiàn)凝膠體拉絲的時間即為凝膠時間。

3.4遇水膨脹率

在標準試驗條件下，在水溶性聚氨酯灌漿材料中摻入5%水后，制成（φ50×50）mm固結體，然后將固結體浸入水中，在規(guī)定時間內，用排水法（量筒）測量固結體浸水前后體積的變化值，計算固結體浸水以后體積增長的倍數(shù)。

3.5包水性

在標準試驗條件下,測定試樣與10倍質量的水從開始混合至容器中倒不出水時的時間。

3.6發(fā)泡率

在標準試驗條件下，一定比例下的聚氨酯灌漿材料與水（催化劑），反應后形成的泡沫狀固結體相對于原漿液的體積增長率。采用帶刻度的容器，用補水的方法，直接測定體積的變化。

4結果

密度指標是反映聚氨酯灌漿材料的有效物質含量。密度低則聚氨酯灌漿材料的固含量低，將影響發(fā)泡率。反映快速堵漏效果的指標是凝膠時間、凝固時間、發(fā)泡率、包水量。凝膠時間短，發(fā)泡率越大，包水量越大，產(chǎn)品性能越好，快速堵漏的效果越明顯。反映產(chǎn)品性能的指標是凝膠時間、凝固時間、遇水膨脹率、包水性、發(fā)泡率、抗壓強度等。反應灌漿材料滲透性（可灌性）的指標是黏度，黏度越低，越容易滲透，可灌性越好。遇水膨脹率指標反映純漿固結體遇水膨脹的能力。純漿固結體在灌漿結束以后仍能遇水膨脹堵塞滲水通道，發(fā)揮二次止水堵漏的作用，該指標越大越好。

表2性能測試

圖1體系密度與相對分子量的關系

圖2黏度與相對分子量的關系

圖3凝膠時間與相對分子量的關系

圖4包水性與相對分子量的關系

圖5發(fā)泡率與相對分子量的關系

4.1相對分子量對產(chǎn)品性能的影響

實驗證明,通過調整混合體系中聚醚的配比，隨著體系的相對分子量增加，體系的密度、黏度指標增加，而凝膠時間、遇水膨脹率、包水性、發(fā)泡率指標下降。

4.2溶劑的添加量對于產(chǎn)品性能的影響

在生產(chǎn)實際中采取丙酮與二甲苯的混合液作為體系溶劑，來調節(jié)體系的黏度以便提高施工性能。體系中改變溶劑的添加量不僅對黏度有影響，同時影響到發(fā)泡體系的凝膠時間、包水性、發(fā)泡率指標，使得產(chǎn)品的性能下降。應根據(jù)產(chǎn)品的不同使用要求合理調節(jié)溶劑的添加量。通常在5%～25%間來調整溶劑的添加量可獲得比較滿意的效果。

4.3助劑的用量對產(chǎn)品性能的影響

采用鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）做增塑劑，可以提高漿料固結體的韌性和彈性模量，加入量大會降低體系的-NCO含量，使得發(fā)泡率下降。以水溶性無水硅油（Tegostab B8228）做為泡沫穩(wěn)定劑，保持漿料固結體的穩(wěn)定性，降低塌泡的可能性。三乙胺做催化劑，檸檬酸做緩凝劑，均可以調節(jié)凝膠時間。

5結論

1）通過調整混合體系中聚醚配比，使體系的相對分子量增加，進而使體系的密度、黏度指標增加，凝膠時間、遇水膨脹率、包水性、發(fā)泡率指標下降，大大提高水性聚氨酯灌漿材料的施工性能。

2）通過合理調節(jié)溶劑的增加量，來調節(jié)混合體系的黏度,進而改變體系的凝膠時間、包水性、發(fā)泡率指標，以便于提高施工性能。試驗證明，加入20% ~25%的混合溶劑,能達到很好的效果。

3）試驗證明，在發(fā)泡體系中加入不同的助劑，會對材料性能產(chǎn)生不同的影響。加入少量增塑劑可以提高發(fā)泡體系的韌性和彈性，但加入量過大會使發(fā)泡率下降。加入適量的穩(wěn)定劑可降低塌泡的可能性。加入合適的緩凝劑可以調節(jié)凝膠時間，大大提高施工性能。

參考文獻:

[1]朱呂民.聚氨酯合成材料[M].南京:江蘇科學技術出版社, 2004:700- 702.

[2]王正平,趙鋼. - NCO基在聚氨酯預聚體合成過程中的影響[J].應用科技,2002,29(2):37- 38.

[3]趙暉，何鳳，劉益軍，黃國泓.水溶性聚氨酯化學灌漿材料的研制[J].化工新型材料,2005,33(8)：61- 63.

[4]耿同謀,宮繼昌,劉孔凡.影響水溶性聚氨酯凝膠性能的因