CN109735089A - 一种聚酰脲化学灌浆加固材料及其制备方法 - Google Patents

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王新锋
段文锋
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Abstract

本发明公开了一种聚酰脲化学灌浆加固材料及其制备方法，该灌浆加固材料包括A和B组分；以质量份数计，所述A组分包括：聚碳化二亚胺65‑100份，增塑剂0‑45份，有机溶剂0‑20份和助剂0‑5份；以质量份数计，所述B组分包括：至少含有两个酸性官能团的聚合物50‑99份，扩链剂0‑10份，增塑剂0‑30份，有机溶剂0‑20份，催化剂0‑2份和助剂0‑5份。本发明能够解决现有聚氨酯化学灌浆加固材料遇水发泡，体积膨胀，发泡不可控等影响施工质量问题。

Description

一种聚酰脲化学灌浆加固材料及其制备方法
技术领域
本发明属于化学灌浆材料技术领域，更具体地，涉及一种聚酰脲化学灌浆加固材料及其制备方法。
背景技术
化学灌浆技术已在我国水电、建筑、交通和采矿四大领域得到广泛的应用，目前最常用的化学灌浆材料可分为两大类：一是防渗止水类，有水玻璃、丙烯酸盐、水溶性聚氨酯、弹性聚氨酯和木质素浆等；二是加固补强类，有环氧树脂、甲基丙烯酸甲酯、非水溶性聚氨酯浆等，近年来应用最多的是聚氨酯和环氧树脂浆材。
聚氨酯灌浆材料是以多异氰酸酯和多元醇化合物为主要原料，并辅以其他助剂，经过一定的工艺制备的用于防渗、堵漏、加固、补强等目的溶液灌浆材料。由于聚氨酯灌浆材料通过分子设计，产品力学性能可以从高弹性到高强度进行设计，同时由于聚氨酯预聚体含-NCO活泼基团，遇水快速反应，体积膨胀，用于防渗止水优势非常明显，但加固补强方面却因体积膨胀，发泡不可控等严重影响力学性能，聚氨酯灌浆材料因此一般仅用于快速短期加固领域如煤矿巷道加固等；环氧树脂强度大，遇水不膨胀，适用于高强度和高持久的加固领域如大坝和桥梁结构加固补强等，但环氧树脂固化速度相对比较慢，尤其是冬季低温固化慢；同时环氧树脂脆性大，弹性小，不适合伸缩缝和变形缝的加固补强。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的聚酰脲化学灌浆加固材料，以实现遇水不发泡，固化快，且固化速度可调节，强度大，韧性好，适用于混凝土裂缝结构加固或地质加固等材料。
为了实现上述目的，本发明的一方面提供一种聚酰脲化学灌浆加固材料，该灌浆加固材料包括A和B组分；
以质量份数计，所述A组分包括：聚碳化二亚胺65-100份，增塑剂0-45份，有机溶剂0-20份和助剂0-5份；
以质量份数计，所述B组分包括：至少含有两个酸性官能团的聚合物50-99份，扩链剂0-10份，增塑剂0-30份，有机溶剂0-20份，催化剂0-2份和助剂0-5份。
本发明的另一方面提供一种上述聚酰脲化学灌浆加固材料的制备方法，该制备方法包括：
A组分的制备：将聚碳化二亚胺和任选的增塑剂、有机溶剂和助剂混合均匀，得到所述A组分；
B组分的制备：将至少含有两个酸性官能团的聚合物和任选的扩链剂、增塑剂、有机溶剂、催化剂和助剂混合均匀，得到所述B组分。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)本发明能够解决现有聚氨酯化学灌浆加固材料遇水发泡，体积膨胀，发泡不可控等影响施工质量问题；
(2)本发明能够解决现有环氧树脂灌浆加固材料固化速度相对比较慢，尤其是冬季低温固化慢；同时环氧树脂脆性大，弹性小，不适合伸缩缝和变形缝的加固补强的问题。
(3)本发明采用聚碳化二亚胺作为固化剂，对水汽不敏感，可有效解决聚氨酯材料制备过程、应用、施工过程对水汽的敏感问题。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明的一方面提供一种聚酰脲化学灌浆加固材料，该灌浆加固材料包括A和B组分；
以质量份数计，所述A组分包括：聚碳化二亚胺65-100份，增塑剂0-45份，有机溶剂0-20份和助剂0-5份；
以质量份数计，所述B组分包括：至少含有两个酸性官能团的聚合物50-99份，扩链剂0-10份，增塑剂0-30份，有机溶剂0-20份，催化剂0-2份和助剂0-5份。
本发明的聚酰脲化学灌浆加固材料主要利用聚碳化二亚胺和至少含有两个酸性官能团的聚合物反应生成聚酰脲；聚酰脲是一种由酰基脲键组成的聚合物，将异氰酸酯基团在适当催化剂下形成碳化二亚胺键，将-NCO转化为-NCN，进而与酸性聚合物/扩链剂等进行交联或扩链。生成的酰基脲键与氨基甲酸酯键、酰胺键结构类似，强极性、易形成强氢键。由于酰基脲基团的特点决定产物聚酰基脲具有聚氨酯和聚酰胺的综合特点，因此具有良好的机械性能、耐腐蚀性、耐溶剂性等。本发明的聚碳化二亚胺固化剂与异氰酸酯固化剂分子链结构相似，但是对水汽不敏感，并且其他反应物均对水汽不敏感，生产施工工艺简单；尤其不含游离异氰酸酯单体，环保性能优异，其众多优点决定本发明的聚酰基脲化学灌浆加固材料可成功用于取代现有聚氨酯化学灌浆加固材料，本发明的聚氨酯化学灌浆加固材料遇水不发泡，固化快，且固化速度可调节，强度大，韧性好。
根据本发明，优选地，所述聚碳化二亚胺衍生自异氰酸酯、异氰酸酯低聚物、异氰酸酯与多元醇的加成物和异氰酸酯与多元胺的加成物中的至少一种；
所述异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯和/或芳香族异氰酸酯；
所述脂肪族异氰酸酯优选选自异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、三甲基己二异氰酸酯和六亚甲基二异氰酸酯中的至少一种；
所述芳香族异氰酸酯优选选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯和四甲基苯二甲基二异氰酸酯中的至少一种；
其中，所述聚碳化二亚胺优选衍生自甲苯二异氰酸酯和/或二苯基甲烷二异氰酸酯。
根据本发明，优选地，所述聚碳化二亚胺的重均分子量为500-3000；进一步优选为500-2000。
本发明中，所述聚碳化二亚胺的官能度大于或等于2。
本发明中，聚碳化二亚胺的制备方法可以为本领域的常规制备方法；聚碳化二亚胺可以自制或商购获得。
本发明中，所述异氰酸酯低聚物优选为异氰酸酯二聚体和/三聚体。
根据本发明，优选地，所述至少含有两个酸性官能团的聚合物的酸性官能团选自羧酸基、碳酸基、磺酸基、硫醇基、酚基、磷酸基和亚磺酸基中的至少一种；
所述至少含有两个酸性官能团的聚合物优选为不饱和脂肪酸聚合物、至少含有两个酸性官能团的聚酯和丙烯酸聚合物中的至少一种，进一步优选为二聚脂肪酸、三聚脂肪酸和羧基丙烯酸树脂中的至少一种。
所述不饱和脂肪酸聚合物优选为C10-C50的不饱和脂肪酸聚合物；进一步优选为C18的不饱和脂肪酸聚合物和/或C16的不饱和脂肪酸聚合物；
根据本发明，优选地，所述至少含有两个酸性官能团的聚合物的重均分子量优选为100-3500；进一步优选为100-1500。
根据本发明，优选地，所述扩链剂为含有酸性官能团的扩链剂和/或含有酸酐的扩链剂；优选为甲基四氢苯酐。
根据本发明，优选地，所述催化剂为有机金属催化剂；优选为有机锌催化剂、有机铋催化剂和有机锡催化剂中的至少一种；进一步优选为二月桂酸二丁基锡和/或辛酸亚锡。
根据本发明，优选地，所述增塑剂为C5石油树脂，C9石油树脂，氯化石蜡，邻苯二甲酸二辛酯，邻苯二甲酸二丁酯，邻苯二甲酸二异壬酯，柠檬酸酯类增塑剂，植物油酯类增塑剂，聚醚多元醇，聚酯多元醇和环己烷1,2-二甲酸二异壬酯(DINCH)中的至少一种；进一步优选为植物油酯类增塑剂、聚醚多元醇、聚酯多元醇和环己烷1,2-二甲酸二异壬酯(DINCH)中的至少一种；
本发明的增塑剂与聚酰基脲弹性体的相容性好，由于增塑剂与聚酰基脲弹性体的相容性好，尤其是聚醚或聚酯类增塑剂，增塑剂在长期使用中不会发生迁移，其稳定性和协同性显著。
所述有机溶剂优选选自乙醇，环己酮，甲苯，二甲苯，120#溶剂油，150#溶剂油，乙酸乙酯，乙酸丁酯，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)中的至少一种。
根据本发明，优选地，以质量份数计，所述助剂包括：偶联剂0-1份和消泡剂0-1份。
本发明的另一方面提供上述聚酰脲化学灌浆加固材料的制备方法，该制备方法包括：
A组分的制备：将聚碳化二亚胺和任选的增塑剂、有机溶剂和助剂混合均匀，得到所述A组分；
B组分的制备：将至少含有两个酸性官能团的聚合物和任选的扩链剂、增塑剂、有机溶剂、催化剂和助剂混合均匀，得到所述B组分。
本发明所涉及的聚酰脲化学灌浆加固材料使用专用的化学注浆设备，按一定比例混合进行注浆。
本发明中通过对聚碳化二亚胺和至少含有两个酸性官能团的聚合物结构的设计和选择，扩链剂、增塑剂、助剂的选择以及调整配比，使制得的化学灌浆加固材料强度大，韧性好，适用于混凝土裂缝结构加固或地质加固等材料。
本发明所涉及的聚酰脲化学灌浆加固材料遇水不发泡，固化快，且固化速度可调节，强度大，韧性好，适用于混凝土裂缝结构加固或地质加固等材料。
以下通过实施例进一步说明本发明：
以下各实施例所用二聚脂肪酸购自安庆市虹宇化工有限公司，牌号HY-005；所用三聚脂肪酸购自连城百新科技有限公司，牌号BX-6；所用羧基丙烯酸树脂购自淄博泽阳化工有限公司，牌号为ZY01；所用的二月桂酸二丁基锡购自空气化工产品有限公司的T-12；所用聚醚多元醇购自DOW公司，牌号为VORANOL1000LM；所用消泡剂DL-1299购自惠州德天新材料公司。
实施例1
A组分的制备：按质量份数称取聚碳化二亚胺95份和聚醚多元醇5份，加入反应釜，常温搅拌均匀，出料备用。
B组分的制备：按质量份数将二聚脂肪酸(重均分子量分子量560)90份，邻苯二甲酸5份，DMF 5份，常温搅拌均匀，出料备用。
其中，所述聚碳化二亚胺由甲苯二异氰酸酯在有机膦的催化下缩合反应制成，并用单异氰酸酯进行封端；所述聚碳化二亚胺的重均分子量为910；
采用专用的化学注浆设备，将A组分与B组分按体积比为2:1混合进行注浆；25℃的固化时间为360s。
实施例2
A组分的制备：按质量份数称取80份聚碳化二亚胺，环己烷1,2-二甲酸二异壬酯(DINCH)10份以及醋酸丁酯10份加入反应釜，常温搅拌均匀，出料备用。
B组分的制备：按质量份数将二聚脂肪酸(重均分子量分子量560)90份，甲基四氢苯酐4.5份，乙酸乙酯5份，催化剂二月桂酸二丁基锡0.5份常温搅拌均匀，出料备用。
其中，所述聚碳化二亚胺由甲苯二异氰酸酯在有机膦的催化下缩合反应制成，并用单异氰酸酯进行封端；所述聚碳化二亚胺的重均分子量为910；
采用专用的化学注浆设备，将A组分与B组分按体积比1:1混合进行注浆；25℃的固化时间为200s。
实施例3
A组分的制备：按质量份数称取聚碳化二亚胺60份，柠檬酸三丁酯40份，消泡剂DL-1299 0.2份加入反应釜，常温搅拌均匀，出料备用。
B组分的制备：按质量份数将三聚脂肪酸(重均分子量900)80份，二聚脂肪酸(重均分子量560)18份，醋酸丁酯10份，环己酮10份，消泡剂DL-1299 0.3份，常温搅拌均匀，出料备用。
其中，所述聚碳化二亚胺由二苯基甲烷二异氰酸酯在有机膦的催化下缩合反应制成，并用单异氰酸酯进行封端；所述聚碳化二亚胺的重均分子量为1360。
采用专用的化学注浆设备，将A组分与B组分按体积比1:2混合进行注浆；25℃的固化时间为400s。
实施例4
A组分的制备：按质量份数称取聚碳化二亚胺90份，醋酸丁酯10份，BYK-052消泡剂0.3份，加入反应釜，常温搅拌均匀，出料备用。
B组分的制备：按质量份数将二聚脂肪酸(重均分子量为560)40份，羧基丙烯酸树脂(重均分子量为800)30份，环己烷1,2-二甲酸二异壬酯(DINCH)15份，邻苯二甲酸4.5份，醋酸丁酯10份，辛酸亚锡0.5份，BYK-052消泡剂0.3份，硅烷偶联剂(KH550)0.3份，常温搅拌均匀，出料备用。
其中，所述聚碳化二亚胺由甲苯二异氰酸酯在有机膦的催化下缩合反应制成，并用单异氰酸酯进行封端；所述聚碳化二亚胺的重均分子量为910；
采用专用的化学注浆设备，将A组分与B组分按体积比1:1混合进行注浆；25℃的固化时间为240s。
测试例
按照JC/T2041-2010聚氨酯灌浆材料标准，对实施例1-4制备的聚酰脲化学灌浆加固材料进行性能测试，具体测试结果如表1。
表1
主要性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
抗压强度，MPa 40 32 20 45
抗拉强度，MPa 10 8 6 13
抗弯强度，MPa 12 10 14 15
粘接强度，MPa 2.8 2.8 2.5 2.7
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种聚酰脲化学灌浆加固材料，其特征在于，该灌浆加固材料包括A和B组分；
以质量份数计，所述A组分包括：聚碳化二亚胺65-100份，增塑剂0-45份，有机溶剂0-20份和助剂0-5份；
以质量份数计，所述B组分包括：至少含有两个酸性官能团的聚合物50-99份，扩链剂0-10份，增塑剂0-30份，有机溶剂0-20份，催化剂0-2份和助剂0-5份。
2.根据权利要求1所述的聚酰脲化学灌浆加固材料，其中，所述聚碳化二亚胺衍生自异氰酸酯、异氰酸酯低聚物、异氰酸酯与多元醇的加成物和异氰酸酯与多元胺的加成物中的至少一种；
所述异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯和/或芳香族异氰酸酯；
所述脂肪族异氰酸酯优选选自异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、三甲基己二异氰酸酯和六亚甲基二异氰酸酯中的至少一种；
所述芳香族异氰酸酯优选选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯和四甲基苯二甲基二异氰酸酯中的至少一种；
其中，所述聚碳化二亚胺优选衍生自甲苯二异氰酸酯和/或二苯基甲烷二异氰酸酯。
3.根据权利要求1所述的聚酰脲化学灌浆加固材料，其中，所述聚碳化二亚胺的重均分子量为500-3000。
4.根据权利要求1所述的聚酰脲化学灌浆加固材料，其中，所述至少含有两个酸性官能团的聚合物的酸性官能团选自羧酸基、碳酸基、磺酸基、硫醇基、酚基、磷酸基和亚磺酸基中的至少一种；
所述至少含有两个酸性官能团的聚合物优选为不饱和脂肪酸聚合物、至少含有两个酸性官能团的聚酯和丙烯酸聚合物中的至少一种，进一步优选为二聚脂肪酸、三聚脂肪酸和羧基丙烯酸树脂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的聚酰脲化学灌浆加固材料，其中，所述至少含有两个酸性官能团的聚合物的重均分子量优选为100-3500。
6.根据权利要求1所述的聚酰脲化学灌浆加固材料，其中，所述扩链剂为含有酸性官能团的扩链剂和/或含有酸酐的扩链剂；优选为甲基四氢苯酐。
7.根据权利要求1所述的聚酰脲化学灌浆加固材料，其中，所述催化剂为有机金属催化剂；优选为有机锌催化剂、有机铋催化剂和有机锡催化剂中的至少一种；进一步优选为二月桂酸二丁基锡和/或辛酸亚锡。
8.根据权利要求1所述的聚酰脲化学灌浆加固材料，其中，所述增塑剂为C5石油树脂，C9石油树脂，氯化石蜡，邻苯二甲酸二辛酯，邻苯二甲酸二丁酯，邻苯二甲酸二异壬酯，柠檬酸酯类增塑剂，植物油酯类增塑剂，聚醚多元醇，聚酯多元醇和环己烷1,2-二甲酸二异壬酯中的至少一种；进一步优选为植物油酯类增塑剂、聚醚多元醇、聚酯多元醇和环己烷1,2-二甲酸二异壬酯中的至少一种；
所述有机溶剂优选选自乙醇，环己酮，甲苯，二甲苯，120#溶剂油，150#溶剂油，乙酸乙酯，乙酸丁酯，N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的聚酰脲化学灌浆加固材料，其中，以质量份数计，所述助剂包括：偶联剂0-1份和消泡剂0-1份。
10.权利要求1-9中任意一项所述的聚酰脲化学灌浆加固材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
A组分的制备：将聚碳化二亚胺和任选的增塑剂、有机溶剂和助剂混合均匀，得到所述A组分；
B组分的制备：将至少含有两个酸性官能团的聚合物和任选的扩链剂、增塑剂、有机溶剂、催化剂和助剂混合均匀，得到所述B组分。
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