聚氨酯环氧浆材的制备及性能的研究

耿同谋1,　柴淑玲2

(1.商丘师范学院化学系,河南省商丘市476000;2.

山东轻工业学院轻工化工系,山东省济南市250100)

引　言

　　混凝土(或钢筋混凝土)是非均质脆性材料,易产生裂缝。灌浆是混凝土裂缝内部补强最重要的方法,通过灌浆,旨在恢复结构的整体性和设计应用状态。聚氨酯浆材(指非水溶性)易于扩散,可灌性好,与混凝土及各种材料有较强的粘接力,固结体的弹性好,抗冲击强度高;但预聚体的粘度大,难于找到活性稀释剂,易发泡,固结体的压缩、拉伸性能不及环氧浆材,更多地用于抗渗堵漏灌浆材料。环氧浆材的粘接强度高,稳定性好,施工不复杂,但环氧树脂本身是一种固有净脆性大、弹性模量高、伸长率低的刚性材料,当胶结面承受应力时,很快造成裂缝蔓延,导致裂缝胶层开裂。我们将聚氨酯接枝到环氧树脂分子上,制成了一种新的灌浆材料—聚氨酯环氧浆材。该浆材既克服了聚氨酯浆材无活性稀释剂、强度低的缺点,又克服了环氧浆材脆性大的缺点。

1　基本原理

先将聚氨酯接枝到环氧树脂分子上得到聚氨酯环氧树脂,聚氨酯环氧树脂分子中既含有柔顺的聚醚分子链又含有活性的环氧基,加入胺类固化剂即可进行反应。主要原料有环氧树脂、聚醚多元醇、多异氰酸酯、脂肪族多元胺、芳香族多元胺、活性稀释剂、催化剂、反应速度调节剂等。主要发生下列化学反应:

1.1　接枝反应

环氧树脂的分子链上含有活泼的仲羟基,它与聚醚多元醇的羟基通过多异氰酸酯分子上的异氰酸酯基发生接枝反应形成聚氨酯环氧树脂。聚氨酯环氧树脂分子中含有聚醚分子链,改变了环氧树脂固结体的脆性;由于聚氨酯环氧分子中不含有活泼的异氰酸酯基团而含有环氧环,故浆液的稳定性好,并可用改性胺进行固化。

1.2　酮亚胺的制备

脂肪族多元胺特别是乙二胺小分子物质易挥发、毒性大,将它们与丙酮按—定的比例混合能形成酮亚胺,减少了挥发。酮亚胺本身没有活性氢,在贮存中具有很好的稳定性,只有在施工后遇到水时才释放出酮和胺,既利于潮湿下粘接又利于反应速度的控制。

1.3　聚氨酯环氧树脂的固化反应

伯胺、仲胺和活泼氢与改性环氧树脂分子中的环氧基反应生成叔胺,侧链上的羟基也能与环氧基反应生成醚链和羟基,反应继续进行下去,环氧树脂就交联成体型结构。

1.4　糠酮树脂的形成

糠醛、丙酮作为稀释剂原料易得、价格便宜。二者在碱性作用下发生聚合反应,失去一分子的水形成亚糠基丙酮,进一步反应生成二糠基丙酮及其低聚体。当体系用有机胺固化时,亚糠基丙酮借助有机胺与聚氨酯环氧树脂连接在一起,从而改变了主链结构的排列程序,形成新的结构体系,有效地改变了环氧树脂的脆性,得到坚韧的固化物。

2　实验方法

2.1　浆液的制备

在装有搅拌器、温度计、冷凝管的三颈烧瓶中加入环氧树脂、聚醚多元醇、二异氰酸酯和反应速度调节剂,不断搅拌、升温,待放热结束,继续升温80～100℃,维持2～3ｈ,冷却50～60℃,即得聚氨酯环氧树脂。加入一定量的糠醛,即得棕红色的聚氨酯环氧浆液的甲组分。称取丙酮、芳香胺、催化剂,搅拌下,逐步加入脂肪胺,待放热结束后,冷却,密封保存,即得聚氨酯环氧浆液的乙组分。将甲、乙两组分按比例混合,即得聚氨酯环氧浆液。

2.2　反应程度的监测

反应程度用傅立叶转换红外光谱仪(ＦＴＩＲ)监测。

2.3　强度的测试

2.3.1　拉伸强度

及伸长率按《ＧＢ2568-81树脂浇铸体拉伸试验方法》试验。

2.3.2　压缩强度及压缩率

按《ＧＢ2569-81树脂浇铸体压缩试验方法》试验

2.3.3　粘接强度

做高标号“8”字形砂浆试块,自然养护7ｄ,在拉力机上拉断,表面清理干净,浆液涂抹均匀,对接上,用铁丝或自行车内胎固定。按ＧＢ2567-81(三)养护三个月。按ＧＢ6329-86,8.2做粘接拉伸试验。

2.4　粘度按《ＧＢ2794-81胶粘剂粘度测定法—旋转粘度计法》试验。

3　结果与讨论

3.1　反应程度的监测聚氨酯环氧本体同步聚合的反应程度可用红外光谱检测。图1为聚氨酯环氧的红外光谱图。

　　从图中可以看出,913ｃｍ-1为环氧基的特征峰,1100ｃｍ-1为醚键的特征吸收峰,3300ｃｍ-1为胺基的特征吸收峰。2270ｃｍ-1为异氰酸酯基(-ＮＣＯ)的特征吸收峰,而图中在2270ｃｍ-1处无吸收峰,说明异氰酸酯基消失,保留了环氧树脂的特征,在2270ｃｍ-1处有无-ＮＣＯ的吸收,对浆材的密实性无影响,-ＮＣＯ的吸收峰小,-ＮＣＯ基团含量少,浆材固结时无发泡现象,但对浆材的稳定性有较大的负影响,未反应完全的甲液,放置一段时间就会变稠甚至凝固。就整个图的红外光谱图来看,聚氨酯环氧树脂除保持了环氧树脂原有结构外,还引进了二异氰酸酯与聚醚多元醇所形成的聚氨酯结构,使浆材的韧性大幅度提高,而刚性保持一定的水平。

3.2　聚醚多元醇的选择

为使聚醚多元醇分子接枝到环氧树脂分子上,配方设计中,应使聚醚多元醇的羟基的摩尔数小于异氰酸酯基团的摩尔数。实验表明,聚醚多元醇的相对分子质量对浆材的稳定性影响很大。相对分子质量越小,浆材的稳定性越好。Ｎ330、Ｎ220的接枝浆液的稳定性较差,聚乙二醇-400制得的浆材的稳定性虽好,但固结体的强度低。以Ｎ210、Ｎ204、Ｎ303为原料的聚氨酯环氧浆材的性能较为理想。

3.3　影响拉伸强度、伸长率的因素

影响浆材拉伸强度、伸长率的因素有聚氨酯的加量、聚醚多元醇的分子量,其影响见表1。

　　表1中分别是Ｎ210、Ｎ204为原料制得的聚氨酯环氧树脂,从左到右,聚氨酯加量依次增加,从表1可以看出,随着聚氨酯加量的增加,拉伸强度、伸长率比相应的环氧浆材均增大,并在聚氨酯加量30%时出现最大值。从上下对比,随分子量的减少,拉伸强度增加,而伸长率减小。在破型的试件中,扯断面呈45°倾斜,表现为韧性断裂。

3.4　影响压缩强度的因素

主要因素有聚氨酯加量、聚醚多元醇的分子量等。

3.4.1　聚氨酯加量对压缩强度的影响(表2)