CN104178005B - 埋地管道用单组分重防腐聚脲及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种埋地管道用单组分重防腐聚脲，包括重量配比如下的各组分：异氰酸酯25‑70份，多元醇50‑80份，位阻胺化合物5‑30份，溶剂10‑30份，填料5‑40份，消泡剂0.5‑2份，催化剂0.5‑2份，颜料1‑3份，潜固化剂5‑15份，吸水剂5‑10份，缓凝剂1‑3份。其中，所述异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯和/或芳香族异氰酸酯。本发明提供的单组分重防腐聚脲中加入了位阻胺化合物，从而在组分中引入了脲基团，增加了组分的极性，从而增加了材料硬链段的吸引力，使材料更加致密，提高了材料的耐油性、耐介质性的、耐微生物的性能。本发明单组分重防腐聚脲可用于埋地管道重防腐涂层的修补用。
Description
技术领域
本发明涉及聚脲技术，尤其涉及一种埋地管道用单组分重防腐聚脲及其制备方法。
背景技术
随着国民经济的发展，埋地管道作为重要的城乡基础设施、物流渠道，在社会经济生活中承担着重要的作用。埋地管道众多的优点日益被大众认可，然而埋地管道的泄漏所引起的种种问题也日益为大众所重视。埋地管道所处的环境复杂多变，腐蚀情况复杂，由其外壁腐蚀引起管道破坏成为泄漏的主要原因。
埋地管道的外壁主要是受到土壤腐蚀，包括土壤类型、土壤电阻率、土壤含水率(湿度)、pH、硫化物含量、氧化还原电位、杂散电流及干扰电流、微生物、植物根系等。由此可知埋地管道外壁的腐蚀是十分复杂的。NACE RP0169-1996《埋地或下水金属管道***的外腐蚀控制》中规定了埋地管道防腐涂料的性能要求：1、有效的电绝缘性；2、有效的阻水性；3、涂覆于管道的方法不会对管道性能产生不利影响；4、涂覆于管道上的防腐层缺陷少；5、与管道表面具有良好的附着力；6、能够防止管道涂膜的缺陷随时间而发展；7、能防止针孔随时间发展；8、能抵抗装卸贮存和安装时的损伤；9、能有效保持绝缘电阻随时间恒定不变；10、抗剥离性能；11、抗化学介质破坏；12、补伤容易；13、物理性能保持能力强；14、对环境无毒；15、能防止地面贮存和长距离运输过程不发生变化和降解。
双组分喷涂聚脲防腐涂层有着优异的物理性能、防腐性能和施工性能：固化快，几秒钟即可凝结干燥，管道连续喷涂不流淌、下管时间短，涂层无需烘烤，适宜于流水线高效率生产；100％固含量，无挥发性有机物，符合环保要求；涂层致密，无接缝，耐介质性能突出，适用于强腐蚀环境下使用；机械强度高，搬运、吊装过程中不易损伤；重防腐聚脲涂料无需底涂，可以直接喷涂在喷砂到Sa2.5级的钢基材表面；使用温度范围宽，可在-50～150℃内长期使用；介质强度高达25kV/mm；与阴极保护配套性良好；补口性能优良。目前双组分喷涂聚脲材料已在铸管、水泥管等埋地管道外壁的防腐中得到了大范围的应用。
聚脲防腐涂层性能优越，但在施工时存在一定的问题。喷涂聚脲涂料因A组分和B组分的凝胶时间短，必须使用昂贵的喷涂设备才能喷涂施工。对小面积或小工程施工时成本昂贵，不利于推广，工程施工受限，阻碍了聚脲材料的发展。而且喷涂聚脲喷涂后凝胶时间短，仅有短短的数十秒，固化速度快，在结点、拐角、管道封口等处的施工时，易出现喷涂厚度不均匀，漏喷等现象，不利于在狭窄、复杂的环境工况中施工，阻碍了聚脲材料的发展应用。
双组分喷涂聚脲已在埋地管道外壁重防腐方面有了广泛的应用，然而在运输、使用中难免有所破坏、缺失，因此埋地管道的修补多发生在宽阔的野外或地下，缺电、缺油，无法精确计量，不利于修补。为方便埋地管道外壁防腐涂层的修补，开发一种无需计量、施工便捷的单组分重防腐聚脲涂料是十分必要的。单组分重防腐聚脲涂料组分单一，无需准确计量，搅拌混合均匀后可通过喷涂或刷涂的工艺用于埋地管道外壁的涂覆或涂层的修补。
发明内容
本发明的目的是针对双组分喷涂聚脲凝胶时间短、工艺复杂、不适用于埋地管道外壁涂层的小面积修补、而双组分体系在恶劣环境中无法准确计量、使用受限等缺点，提出一种埋地管道外防腐用单组分重防腐聚脲，其在耐油、耐液体介质、耐候性和抗老化性能优越的同时，与管道外壁防腐聚脲的力学性能基本一致，附着力优异。
为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：
一种埋地管道用单组分重防腐聚脲，包括重量配比如下的各组分：异氰酸酯25-70份，优选40-67份；多元醇50-80份，优选65-72份；位阻胺化合物5-30份，优选9-25份；溶剂10-30份，优选10-20份；填料5-40份，优选15-30份；消泡剂0.5-2份，优选1-2份；催化剂0.5-2份，优选1-2份；颜料1-3份，优选2-3份；潜固化剂5-15份，优选5-9份；吸水剂5-10份，优选6-8份；缓凝剂1-3份，优选2-3份。其中，所述异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯和/或芳香族异氰酸酯。
本发明中所述脂肪族异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、4,4’二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)中的一种或多种。优选为HMDI和/或HDI。
本发明中所述芳香族异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和对苯二异氰酸酯(PPDI)中的一种或多种。优选为TDI和/或MDI。
本发明中所述多元醇为生物基多元醇、聚氧化丙烯醚多元醇和聚四氢呋喃多元醇中的一种或多种。优选所述生物基多元醇为蓖麻油及其衍生物、大豆油多元醇、棕榈油多元醇等。进一步优选的多元醇为聚氧化丙烯醚二醇、聚氧化丙烯醚三醇和聚四氢呋喃二醇中的一种或多种；所述聚氧化丙烯醚二醇、聚氧化丙烯醚三元醇分子量为1000、2000、3000，所述聚四氢呋喃二醇分子量为650、1000、2000。
本发明中所述位阻胺化合物为Desmophen NH1420、Desmophen NH1520、Desmophen NH1220、Unilink4200、Unilink4100、Clearlink1000、Clearlink3000、Jefflink555和Jefflink754中的一种或多种。
本发明中所述溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酮、甲苯和二甲苯中的一种或多种，本发明溶剂需用分子筛处理脱水。优选所述溶剂为乙酸丁酯和/或二甲苯。
本发明中所述填料为轻钙、重钙、滑石粉、氢氧化钙、磷酸锌和云母粉中的一种或多种，所述填料为800目以上。
本发明中所述消泡剂为BYK-066N、BYK-054和BYK-5500中的一种或多种。
本发明中所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、二乙酸二丁基锡、辛酸亚锡、异辛酸铅、乙酸苯汞中的一种或多种。
本发明中所述潜固化剂为亚胺类ALT-403、ALT-102中的一种或多种。
本发明中所述吸水剂为为氧化钙或4A分子筛中的一种。
本发明中所述缓凝剂为苯甲酰氯、对甲苯磺酰氯、柠檬酸中的一种或多种。优选苯甲酰氯。
本发明中所述颜料优选钛白粉、铁红、钼铬红、靛青蓝和炭黑中的一种或多种。
本发明的另一目的在于提供上述埋地管道用单组分重防腐聚脲的制备方法，具体包括如下步骤：
A.当异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯或芳香族异氰酸酯时：
①将多元醇、位阻胺化合物、填料、颜料加入容器中，开启搅拌，加热至110～120℃，真空脱水去除原料水至含水率小于万分之三，冷却至液料温度为20-30℃，优选为25℃；
搅拌能使反应原料均匀受热，有利于水分的脱除；尤其当多元醇为多种时，搅拌还能使多种多元醇混合均匀；
②再将分子筛脱水处理后的溶剂和异氰酸酯加入到上述容器中，升温至50℃，搅拌反应0.5-1小时后，优选为1小时，缓慢升温至目标温度后继续反应，取样检测NCO％值达到设计值98－102％后，降温至30℃；其中，
当异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯时，所述目标温度为110-120℃，继续反应7-8小时；
当异氰酸酯为芳香族异氰酸酯时，所述目标温度为80-90℃，继续反应2-3小时；
③向上述反应体系中加入潜固化剂、消泡剂、缓凝剂、吸水剂和催化剂，搅拌0.5小时，出料密封即可。
B.当异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯和芳香族异氰酸酯时：
方法同A，但步骤②为将溶剂和脂肪族异氰酸酯加入到容器中，升温至50℃，搅拌反应0.5-1小时后，再加入芳香族异氰酸酯，缓慢升温至80～90℃反应1.5-2.5小时，取样检测NCO％值达到设计值98－102％后，降温至30℃。
本发明方法中所述真空采用真空泵实现，真空度为-0.1～-0.08MPa；所述缓慢升温为0.5-1小时内，由50℃升至目标温度(80-90℃或110-120℃)。由于随着温度的升高，反应加剧，易出现爆聚，故需缓慢升温，使反应速度一点点加快。反应结束以检测NCO为准，NCO％值与设计值相似即可。本发明所述NCO％设计值是通过配方设计计算出理论NCO值。
本发明提供的单组分聚脲防护涂料采用湿汽固化的方式固化成膜，即单组分聚脲防护涂料中的NCO基团与空气中的水汽反应生成氨基化合物，氨基化合物再与剩余的NCO基团反应固化成膜。
本发明将位阻胺化合物引入到单组分重防腐聚脲的合成中。位阻胺化合物的加入使聚脲中引入脲基团，增加聚脲的极性，促进了材料的软硬相分离，使产品成膜后的性能更加优越。
相比于现有技术，本发明提供的埋地管道用单组分重防腐聚脲及其制备方法具有以下优点：
(1)、本发明为单组分体系，内含潜固化剂，在密封条件下，体系中没有水汽，体系稳定保存。开封使用时，体系内的潜固化剂优先与空气中的水汽反应，生成氨基扩链剂，氨基扩链剂再与单组分重防腐聚脲中NCO基团反应，固化成膜。由于凝胶时间长，表干时间为4-6小时，进而延长了可操作时间，施工性强。较长的操作时间能使施工方式简单便捷，能实现手工刮涂、刷涂。能在狭窄、复杂的工况中施工，尤其是在结点、拐点或涂层缺失处施工。本发明单组分重防腐聚脲施工简单、效果明显，用于埋地管道重防腐涂层的修补能降低使用成本，提高复杂工况的工作效率。
(2)、本发明的单组分重防腐聚脲以脂肪族异氰酸酯，或者脂肪族异氰酸酯和芳香族异氰酸酯的混合物为主要原料，在单组分重防腐聚脲的合成中加入位阻胺化合物，从而在聚脲中引入脲基团，增加了聚脲的极性，增加了材料硬段的吸引力，使材料更加致密，提高了材料的耐油性、耐介质性的、耐微生物的性能。本发明埋地管道用单组分重防腐聚脲可用于埋地管道重防腐涂层的修补用。
(3)、本发明在单组分重防腐聚脲中引入脲基团，还增加了聚脲材料的力学效果，提高与基材的附着力。在无底涂的情况下，在钢基材上的附着力≥9MPa，附着力优越。单组分重防腐聚脲固化成膜后拉伸强度≥18MPa，断裂伸长率≥10％，撕裂强度≥60N/mm。
(4)、本发明制备方法简单、易行，能实现埋地管道用单组分重防腐聚脲工业化生产。
具体实例方式
实施例1
本实施例公开了一种埋地管道用单组分重防腐聚脲，包括重量配比如下的各组分：
本实施例提供的埋地管道用单组分重防腐聚脲的制备方法：
①按上述重量份将蓖麻油、Desmophen NH1420、800目轻钙、炭黑加入到容器中，将液料低速搅拌5分钟后，加热至110～120℃，开启真空泵，真空度为-0.1～-0.08MPa，真空脱水2h，去除原料中含有的少量水，检测含水率达到万分之三以下，冷却至液料温度为25℃左右。
②按重量份将醋酸丁酯、HDI加入到上述容器中，升温至50℃，搅拌反应1小时，待反应放热结束后缓慢升温至110～120℃，保持反应8h，取样，检测NCO％值合格后，降温至30℃，加入消泡剂BYK-066N、催化剂二月桂酸二丁基锡、潜固化剂ALT-403、缓释剂苯甲酰氯和吸水剂4A分子筛，搅拌0.5小时后，出料，密封。
对上述制备的埋地管道用单组分重防腐聚脲在25℃，湿度65％环境下，按建筑防水材料的实验方法GB/T16777-2008进行力学性能测试，检测结果如表1所示。
表1实施例1的力学性能测试结果
由表1可见，本实施例制备的埋地管道用单组分重防腐聚脲具有优异耐油性和耐液体介质性能；力学性能好，与管道上的聚脲性能趋于一致，相容效果佳；还具有较长的凝胶时间3小时，能实现手工刮涂、刷涂。
实施例2
本实施例公开了一种埋地管道用单组分重防腐聚脲，包括重量配比如下的各组分：
本实施例提供的埋地管道用单组分重防腐聚脲的制备方法：
①按上述重量份将聚氧化丙烯醚多元醇PPG-1000、Desmophen NH1420、800目轻钙、800目滑石粉、炭黑加入到容器中，将液料低速搅拌5分钟后，加热至110～120℃，开启真空泵，真空度为-0.1～-0.08MPa，真空脱水2h，去除原料中含有的少量水，检测含水率达到万分之三以下，冷却至液料温度为25℃左右。
②按重量份将醋酸丁酯、MDI加入到上述容器中，升温至50℃，搅拌反应1小时，待反应放热结束后缓慢升温至80～90℃，保持反应2h，取样，检测NCO％值合格后，降温至30℃，加入消泡剂BYK-066N、催化剂有机铋、潜固化剂ALT-403、缓释剂磷酸和吸水剂4A分子筛，搅拌0.5小时后，出料，密封。
对上述制备的埋地管道用单组分重防腐聚脲在25℃，湿度65％环境下，按建筑防水材料的实验方法GB/T16777-2008进行力学性能测试，检测结果如表1所示。
表2实施例2的力学性能测试结果
由表2可见，本实施例制备的埋地管道用单组分重防腐聚脲具有优异耐油性和耐液体介质性能；力学性能好，与管道上的聚脲性能趋于一致，相容效果佳；还具有较长的凝胶时间2.5小时，能实现手工刮涂、刷涂。
实施例3
本实施例公开了一种埋地管道用单组分重防腐聚脲，包括重量配比如下的各组分：
本实施例提供的埋地管道用单组分重防腐聚脲的制备方法：
①按上述重量份将聚氧化丙烯醚多元醇PPG-1000、Desmophen NH1420、800目滑石粉、炭黑加入到容器中，将液料低速搅拌5分钟后，加热至110～120℃，开启真空泵，真空度为-0.1～-0.08MPa，真空脱水2h，去除原料中含有的少量水，检测含水率达到万分之三以下，冷却至液料温度为25℃左右。
②按重量份将醋酸丁酯、HMDI加入到容器中，升温至50℃，搅拌反应0.5小时，待反应放热结束后，加入MDI，缓慢升温至80～90℃，保持反应2h，取样，检测NCO％值合格后，降温至30℃，加入消泡剂BYK-066N、催化剂辛酸亚锡、潜固化剂ALT-102、缓释剂苯甲酰氯、吸水剂4A分子筛，搅拌0.5小时后，出料，密封。
对上述制备的埋地管道用单组分重防腐聚脲在25℃，湿度65％环境下，按建筑防水材料的实验方法GB/T16777-2008进行力学性能测试，检测结果如表2所示。
表3实施例3的力学性能测试结果
由表3可见，本实施例制备的埋地管道用单组分重防腐聚脲具有优异耐油性和耐液体介质性能；力学性能好，与管道上的聚脲性能趋于一致，相容效果佳；还具有较长的凝胶时间3h，能实现手工刮涂、刷涂。
Claims (10)
1.一种埋地管道用单组分重防腐聚脲，其特征在于包括重量配比如下的各组分：
其中，所述异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯和/或芳香族异氰酸酯。
2.根据权利要求1所述的埋地管道用单组分重防腐聚脲，其特征在于：所述脂肪族异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯、4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯、和六亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的埋地管道用单组分重防腐聚脲，其特征在于：所述芳香族异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的埋地管道用单组分重防腐聚脲，其特征在于：所述多元醇为生物基多元醇、聚氧化丙烯醚多元醇和聚四氢呋喃多元醇中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的埋地管道用单组分重防腐聚脲，其特征在于：所述位阻胺化合物为Desmophen NH1420、Desmophen NH1520、Desmophen NH1220、Unilink4200、Unilink4100、Clearlink1000、Clearlink3000、Jefflink555和Jefflink754中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的埋地管道用单组分重防腐聚脲，其特征在于：所述溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙酮、甲苯和二甲苯中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的埋地管道用单组分重防腐聚脲，其特征在于：所述填料为轻钙、重钙、滑石粉、氢氧化钙、磷酸锌和云母粉中的一种或多种，所述填料为800目以上。
8.根据权利要求1所述的埋地管道用单组分重防腐聚脲，其特征在于：所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、二乙酸二丁基锡、辛酸亚锡、异辛酸铅、乙酸苯汞中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的埋地管道用单组分重防腐聚脲，其特征在于：所述消泡剂为BYK-066N、BYK-054和BYK-5500中的一种或多种；所述潜固化剂为亚胺类ALT-403、ALT-102中的一种或多种；所述吸水剂为氧化钙或4A分子筛中的一种；所述缓凝剂为苯甲酰氯、对甲苯磺酰氯、柠檬酸中的一种或多种。
10.权利要求1-9中任一项权利要求所述的埋地管道用单组分重防腐聚脲的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.当异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯或芳香族异氰酸酯时：
①将多元醇、位阻胺化合物、填料、颜料加入容器中，开启搅拌，加热至110～120℃，真空脱水，去除原料中水份至含水率小于万分之三，冷却至液料温度为20-30℃；
②将溶剂和异氰酸酯加入到容器中，升温至50℃，搅拌反应0.5-1小时后，缓慢升温至目标温度后继续反应，取样检测NCO％值达到设计值98－102％后，降温至30℃；其中，
当异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯时，所述目标温度为110-120℃，继续反应7-8小时；
当异氰酸酯为芳香族异氰酸酯时，所述目标温度为80-90℃，继续反应2-3小时；
③加入潜固化剂、消泡剂、缓凝剂、吸水剂和催化剂，搅拌0.5小时，出料；
B.当异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯和芳香族异氰酸酯时：
方法同A，但步骤②为将溶剂和脂肪族异氰酸酯加入到容器中，升温至50℃，搅拌反应0.5-1小时后，再加入芳香族异氰酸酯，缓慢升温至80～90℃反应1.5-2.5小时，取样检测NCO％值达到设计值98－102％后，降温至30℃。
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