CN110511352A - 一种填充加固堵水聚氨酯注浆材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种填充加固堵水聚氨酯注浆材料及其制备方法，其特征在于，由体积1:1的组分A和组分B混合后得到；所述组分A包括按质量份数的以下组分：多亚甲基多苯基异氰酸酯37～49份、合成植物酯Ⅰ5～17份；所述组分B包括按质量份数的以下组分：聚醚二醇10～30份、聚醚三醇5～15份、聚醚四醇4～15份、合成植物酯Ⅱ2～10份、硅油0.5～1.5份、复合催化剂0.2～1份。本发明的无溶剂双组分发泡聚氨酯注浆材料，具有强度高、韧性好、凝固时间短、发泡率高、粘接性能好、施工简便及安全环保的特点，特别适用于地铁、煤矿、地质钻探等工程的坑洞填补、加固及堵水。

Description

一种填充加固堵水聚氨酯注浆材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚氨酯注浆材料，具体地指一种填充加固堵水聚氨酯注浆材料及其制备方法。
背景技术
传统的堵水加固注浆材料一般分为二类，一类是无机注浆材料，如水泥类、水玻璃类等；第二类是有机注浆材料，如聚氨酯类、丙烯酰胺类等。无机注浆材料一般适用于静水环境，在涌水量大、水流速度快的环境中无法起到堵水加固作用；有机注浆材料存在凝固体强度低、价格高，大多数有机材料还具有一定的毒性，会造成地下水的污染。
近年来，出现了环保型水性聚氨酯注浆材料及不与水反应的双组份发泡弹性体聚氨酯注浆材料。环保型水性聚氨酯注浆材料存在失水干缩或抗渗性不足的缺点，且不能在无水条件下使用，在水较少的情况下注浆效果得不到保证，在水流速度较高的动水环境中容易被冲散；不与水反应的双组份发泡弹性体聚氨酯注浆材料因体积膨胀率较小，一般不用于工程的填充堵水加固；强度和韧性无法兼顾，地下结构经常因沉降或热胀冷缩出现形变，韧性太低易导致注浆材料开裂而发生复漏，其防渗堵漏的耐久性较低，无法形成长久的弹性密封。
目前市面上存在的堵水加固注浆材料品种较多，但适用于地下工程存在较大坑洞、涌水量大、水流速度快且安全环保的填充加固堵水注浆材料较少。基于此，需要研发出一种不与水反应的无溶剂双组分发泡聚氨酯注浆材料，该聚氨酯注浆材料需要具有以下特点：1)使用范围广泛，在有水及无水环境中均可使用；2)合成制备时不使用丙酮、甲苯、二丁基锡二月硅酸酯等有毒溶剂，其他原材料尽量使用无毒或低毒的有机物，降低生产及使用过程中对人体、水质及周边环境的污染，具有较好的安全环保性；3)凝固速度快，可在水流量大、水流速度快的动水环境中进行堵水使用；4)凝固体的强度高、韧性好，可对工程中较大的坑洞进行填充，浆液通过渗透扩散和劈裂扩散作用还可对周边土体进行加固；5)粘接强度大，在动水环境下与缝壁强力贴合。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种强度高、韧性好、凝固时间短、发泡率高、粘接性能好、施工简便及安全环保的聚氨酯注浆材料，使其特别适用于地铁、煤矿、地质钻探等工程的坑洞填补、加固及堵水。
本发明的技术方案为：一种填充加固堵水聚氨酯注浆材料，其特征在于，由组分A和组分B混合后得到；
所述组分A包括按质量份数的以下组分：
多亚甲基多苯基异氰酸酯37～49份
合成植物酯Ⅰ5～17份；
所述组分B包括按质量份数的以下组分：
所述复合催化剂由三亚乙基二胺与辛酸亚锡按1:1.2-2质量比复配而成。本方案中聚氨酯注浆材料达到了凝固时间53～72s、发泡率19～25倍、抗压强度48～53MPa、拉伸强度22.9～26MPa、断裂伸长率10.4～12.3％、粘结强度6.5～7.5MPa的优良效果。
优选的，所述多亚甲基多苯基异氰酸酯的异氰酸根含量为30.5％～32％，25℃粘度为150Pa·s～250Pa·s。
优选的，所述合成植物酯Ⅰ、合成植物酯Ⅱ均为8611增塑剂。
优选的，由体积1:1的组分A和组分B混合后得到；
所述组分A包括按质量份数的以下组分：
多亚甲基多苯基异氰酸酯41～45份
合成植物酯Ⅰ11～15份；
所述组分B包括按质量份数的以下组分：
所述复合催化剂由三亚乙基二胺与辛酸亚锡按1:1.5质量比复配而成。本方案中聚氨酯注浆材料达到了凝固时间53～58s、发泡率23～25倍、抗压强度51～53MPa、拉伸强度24.8～26MPa、断裂伸长率11.1～12.3％、粘结强度7.3～7.5MPa的优良效果。
进一步的，所述组分A包括按质量份数的以下组分：
所述组分A包括按质量份数的以下组分：
多亚甲基多苯基异氰酸酯41份
合成植物酯Ⅰ11份；
所述组分B包括按质量份数的以下组分：
上述方案中使用的材料来源为：
多亚甲基多苯基异氰酸酯为烟台万华化学集团有限公司的产品PM-200，异氰酸根含量为30.5％～32％，25℃粘度为150～250mPa·s；合成植物酯为苏州伊格特化工有限公司产8611增塑剂；聚醚二醇为上海石化产PPG-400；聚醚三醇为江苏钟山化工有限公司产ZSN-330；聚醚四醇为山东蓝星东大化工有限责任公司产DD-4110；硅油为南京德美世创化工有限公司产AK-8805；复合催化剂中三亚乙基二胺为BASF公司产LupragenN201；辛酸亚锡为云南锡业公司产品。
本发明制备的聚氨酯注浆材料，是一种不与水发生反应的无溶剂双组份发泡材料，由以下五类原材料组成：1)多亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI)：是聚氨酯产品的主反应原料，PAPI是一种粗MDI，通常MDI含量为50％左右，因MDI蒸汽压比TDI低得多，在普通良好通风情况下对人体损害小；2)聚醚多元醇：是聚氨酯产品的主反应材料，相比于聚酯多元醇，聚醚多元醇合成的聚氨酯产品耐水性能、耐低温性能好，选用较小分子量多元醇合成的发泡聚氨酯材料的抗压强度相对较大；3)增塑剂：可降低聚氨酯产品硬度，提升产品的塑性(延性)，改善泡沫脆性，本发明采用合成植物酯，无毒环保；4)催化剂：可催化发泡及凝胶反应速率，不使用毒性较大的二丁基锡二月硅酸酯；5)泡沫稳定剂：属于一类表面活性剂，有乳化泡沫物料、稳定泡沫和调节泡孔的作用其中，如聚醚改性有机硅表面活性剂(俗称“硅油”)等。以上五类原材料按一定的比例配制成A、B两组分，将A、B两组分以大致相等的体积混合后，在几分钟内，生成具有较高强度(抗压强度48～53MPa、拉伸强度22.9～26MPa)、良好粘接强度(6.5～7.5MPa)和一定韧性(断裂伸长率10.4～12.3％)的聚氨酯产物。
本发明还提供一种上述填充加固堵水聚氨酯注浆材料的制备方法，其特征在于，步骤为：
1)将多亚甲基多苯基异氰酸酯、合成植物酯Ⅰ搅拌均匀，密封保存作为组分A；将聚醚二醇、聚醚三醇、聚醚四醇、合成植物酯Ⅱ经过100℃～120℃高温真空脱水2～4h，再降温至50～60℃，加入复合催化剂、硅油混合搅拌后，密封保存作为组分B；
2)将组分A、组分B按体积1:1混合得到填充加固堵水聚氨酯注浆材料。
本发明的有益效果为：
1)本发明的无溶剂双组分发泡聚氨酯注浆材料，具有强度高、韧性好、凝固时间短、发泡率高、粘接性能好、施工简便及安全环保的特点，特别适用于地铁、煤矿、地质钻探等工程的坑洞填补、加固及堵水。
2)本发明的聚氨酯注浆材料，所有原材料均采用低毒或无毒有机物，在生产及使用过程中对人体、水体及周边环境的毒害作用较其他聚氨酯注浆材料小得多。该新型聚氨酯注浆材料凝固时间短，不溶于水，在水流量大，水流速度快的动水环境中堵水效果优异；因其抗压强度、粘结强度高，发泡率高，对较大坑洞的填充加固效果亦较其他聚氨酯注浆材料优良；在现场施工时，只需将预先配制好的A、B组分通过双液注浆泵快速混合均匀后，在低压条件下注入需要注浆处，即可迅速达到填充加固堵水的效果，相比于其他聚氨酯注浆材料其更加安全高效，施工便捷，在抢修、抢险工程中具有良好的效果。
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中，各材料的来源以及性能参数为：
多亚甲基多苯基异氰酸酯为烟台万华化学集团有限公司产PM-200，异氰酸根含量为30.5％～32％，25℃粘度为150mPa·s～250mPa·s；
合成植物酯(合成植物酯Ⅰ、合成植物酯Ⅱ)为苏州伊格特化工有限公司产8611增塑剂，其比重为1.12，熔点80℃，伸长率275％，热稳定性70min；
聚醚二醇为上海石化产PPG-400，其羟值为279mgKOH/g，酸值为0.04mgKOH/g，水份为0.03％，pH值为6.4、粘度70mPa﹒s/25℃，色度为45，官能度为2；
聚醚三醇为江苏钟山化工有限公司产ZSN-330，其羟值为56.5mgKOH/g，酸值0.03mgKOH/g，水份为0.03％，pH值为6、粘度610mPa·s/25℃，官能度为3；
聚醚四醇为山东蓝星东大化工有限责任公司产DD-4110，其羟值为435mgKOH/g，酸值为0.2mgKOH/g，水份为0.2％，pH值11，粘度为3120mPa·s/25℃，色度为8，官能度为4；
硅油为南京德美世创化工有限公司产AK-8805，其密度为1.05g/ml，粘度为830mPa·s/25℃，pH值为6.5，水份为0.3％。
复合催化剂由三亚乙基二胺与辛酸亚锡按2:3比例复配而成。其中，三亚乙基二胺为BASF公司产LupragenN201，其25℃密度为1.12g/cm3，水分为0.4％，闪点60℃；辛酸亚锡为云南锡业公司生产，25℃密度1.25g/ml，亚锡含量28％，粘度为380mPa·s/20℃。
实施例1-8中聚氨酯注浆材料中各原料质量份数如下表1所示。
表1实施例1-8中各原料对应质量份数
实施例1
如表1所示，本实施例填充加固堵水聚氨酯注浆材料的配方为：按体积1:1的组分A和组分B；
组分A包括按质量份数的亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI，其中-NCO含量为31％，25℃粘度为200Pa·s)41份、合成植物酯Ⅰ(8611增塑剂)11份；
组分B包括按质量份数的聚醚二醇(PPG-400)20份、聚醚三醇(ZSN-330)10份、聚醚四醇(DD-4110)15份、合成植物酯Ⅱ(8611增塑剂)6份、硅油(AK-8805)1.2份、复合催化剂(由三亚乙基二胺：辛酸亚锡质量比1:1.5混合得到)0.8份。
实施例2
如表1所示，本实施例填充加固堵水聚氨酯注浆材料的配方为：按体积1:1的组分A和组分B；
组分A包括按质量份数的亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI，其中-NCO含量为32％，25℃粘度为150Pa·s)45份、合成植物酯Ⅰ(8611增塑剂)15份；
组分B包括按质量份数的聚醚二醇(PPG-400)25份、聚醚三醇(ZSN-330)12份、聚醚四醇(DD-4110)12份、合成植物酯Ⅱ(8611增塑剂)8份、硅油(AK-8805)1.4份、复合催化剂(由三亚乙基二胺：辛酸亚锡质量比1:1.5混合得到)1份。
实施例3
如表1所示，本实施例填充加固堵水聚氨酯注浆材料的配方为：按体积1:1的组分A和组分B；
组分A包括按质量份数的亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI，其中-NCO含量为30.5％，25℃粘度为250Pa·s)42份、合成植物酯Ⅰ(8611增塑剂)12份；
组分B包括按质量份数的聚醚二醇(PPG-400)21份、聚醚三醇(ZSN-330)11份、聚醚四醇(DD-4110)13份、合成植物酯Ⅱ(8611增塑剂)7份、硅油(AK-8805)1.3份、复合催化剂(由三亚乙基二胺：辛酸亚锡质量比1:1.5混合得到)0.9份。
实施例4
如表1所示，本实施例填充加固堵水聚氨酯注浆材料的配方为：按体积1:1的组分A和组分B；
组分A包括按质量份数的亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI，其中-NCO含量为31.5％，25℃粘度为180Pa·s)44份、合成植物酯Ⅰ(8611增塑剂)13份；
组分B包括按质量份数的聚醚二醇(PPG-400)24份、聚醚三醇(ZSN-330)11.5份、聚醚四醇(DD-4110)14份、合成植物酯Ⅱ(8611增塑剂)7.5份、硅油(AK-8805)1.4份、复合催化剂(由三亚乙基二胺：辛酸亚锡质量比1:1.5混合得到)0.85份。
实施例5
如表1所示，本实施例填充加固堵水聚氨酯注浆材料的配方为：按体积1:1的组分A和组分B；
组分A包括按质量份数的亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI，其中-NCO含量为31.5％，25℃粘度为220Pa·s)37份、合成植物酯Ⅰ(8611增塑剂)5份；
组分B包括按质量份数的聚醚二醇(PPG-400)10份、聚醚三醇(ZSN-330)5份、聚醚四醇(DD-4110)4份、合成植物酯Ⅱ(8611增塑剂)2份、硅油(AK-8805)0.5份、复合催化剂(由三亚乙基二胺：辛酸亚锡质量比1:1.2混合得到)0.2份。
实施例6
如表1所示，本实施例填充加固堵水聚氨酯注浆材料的配方为：按体积1:1的组分A和组分B；
组分A包括按质量份数的亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI，其中-NCO含量为31％，25℃粘度为150Pa·s)40份、合成植物酯Ⅰ(8611增塑剂)8份；
组分B包括按质量份数的聚醚二醇(PPG-400)15份、聚醚三醇(ZSN-330)8份、聚醚四醇(DD-4110)7份、合成植物酯Ⅱ(8611增塑剂)4份、硅油(AK-8805)0.8份、复合催化剂(由三亚乙基二胺：辛酸亚锡质量比1:2.0混合得到)0.5份。
实施例7
如表1所示，本实施例填充加固堵水聚氨酯注浆材料的配方为：按体积1:1的组分A和组分B；
组分A包括按质量份数的亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI，其中-NCO含量为32％，25℃粘度为250Pa·s)47份、合成植物酯Ⅰ(8611增塑剂)16份；
组分B包括按质量份数的聚醚二醇(PPG-400)25份、聚醚三醇(ZSN-330)13份、聚醚四醇(DD-4110)10份、合成植物酯Ⅱ(8611增塑剂)5份、硅油(AK-8805)1份、复合催化剂(由三亚乙基二胺：辛酸亚锡质量比1:1.8混合得到)0.6份。
实施例8
如表1所示，本实施例填充加固堵水聚氨酯注浆材料的配方为：按体积1:1的组分A和组分B；
组分A包括按质量份数的亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI，其中-NCO含量为30.5％，粘度为180Pa·s)49份、合成植物酯Ⅰ(8611增塑剂)17份；
组分B包括按质量份数的聚醚二醇(PPG-400)30份、聚醚三醇(ZSN-330)15份、聚醚四醇(DD-4110)11份、合成植物酯Ⅱ(8611增塑剂)10份、硅油(AK-8805)1.5份、复合催化剂(由三亚乙基二胺：辛酸亚锡质量比1:1.4混合得到)0.7份。
上述实施例1-8中注浆材料制备以及施工方法为：
1)按各组分原材料质量配比，分别称取相应质量份的多亚甲基多苯基异氰酸酯、聚醚二醇、聚醚三醇、聚醚四醇、合成植物酯Ⅰ、合成植物酯Ⅱ、复合催化剂(三亚乙基二胺、辛酸亚锡)、硅油。
2)将按质量配比称量的多亚甲基多苯基异氰酸酯、合成植物酯Ⅰ搅拌均匀，密封保存作为组分A；将聚醚二醇、聚醚三醇、聚醚四醇、合成植物酯Ⅱ经过100℃～120℃高温真空脱水2～4h，再降温至50～60℃(优选经过120℃真空脱水2h后再降温至50℃)，加入复合催化剂、硅油混合搅拌后，密封保存作为组分B；
3)现场施工时先确定注浆孔的位置、注浆孔的埋设间距、注浆孔的大小及埋深，然后钻孔埋设PVC材质的注浆孔；
4)将组分A、组分B按1:1的体积比分别称量，然后在双液注浆泵的混合器内混合均匀，采用0.5～1.0MPa的低压通过注浆孔开始注浆；
5)当观察到临近注浆孔有零星聚氨酯生成时，停止注浆，对下一个注浆孔进行注浆，所有注浆孔注浆完成，观察注浆效果，及时补注浆；
6)对较大孔洞进行注浆填充堵水时，根据孔洞大小，选择不同尺寸的尼龙袋，将尼龙袋置于注浆孔内，袋口与注浆孔口用扎丝或细绳绑扎牢固，然后向尼龙袋内注浆，待聚氨酯发泡凝固后即可堵塞孔洞并进行堵水，从而减少聚氨酯注浆材料的耗用量，降低施工成本。
性能检测
以市售陕西德美防水材料有限公司生产的环氧改性聚氨酯堵水补强灌浆料DMPU-D-GJ-530(改性型)为对比例1；以华东勘测设计院开发的HW水溶性聚氨酯(水溶型)为对比例2，以中国科学院广州化学研究所研制的蓖麻油型聚氨酯浆材(油溶型)为对比例3，实施例1-8制得的聚氨酯注浆材料的主要性能参数如表2所示：
表2实施例所得聚氨酯注浆材料主要性能
从表2可以看出，实施例1～8的聚氨酯注浆材料性能指标均满足《聚氨酯灌浆材料》(JC/T 2041—2010)中OPU产品的要求。实施例1-8的聚氨酯注浆材料达到了凝固时间53～72s、发泡率19～25倍、抗压强度48～53MPa、拉伸强度22.9～26MPa、断裂伸长率10.4～12.3％、粘结强度6.5～7.5MPa的优良效果，在保持良好抗压强度、拉伸强度时具有较高的断裂伸长率，即较好地兼顾强度和韧性。
因此，本发明中用于地铁、煤矿、地质钻探等工程坑洞填充、加固及堵水的聚氨酯注浆材料在具备高强度的同时还具有良好的韧性，具有良好的可行性和应用性，因其凝固时间短，发泡率高，不与水反应，从而解决了一般聚氨酯材料不适用于水流量大、水流速度快的动水环境的缺点，相比于其他聚氨酯材料，在生产和使用过程中更加安全环保。

Claims (6)

1.一种填充加固堵水聚氨酯注浆材料，其特征在于，由体积1:1的组分A和组分B混合后得到；
所述组分A包括按质量份数的以下组分：
多亚甲基多苯基异氰酸酯 37～49份
合成植物酯Ⅰ 5～17份；
所述组分B包括按质量份数的以下组分：
所述复合催化剂由三亚乙基二胺与辛酸亚锡按1:1.2-2质量比复配而成。
2.如权利要求1所述的填充加固堵水聚氨酯注浆材料，其特征在于，所述多亚甲基多苯基异氰酸酯的异氰酸根含量为30.5％～32％，25℃粘度为150mPa·s～250mPa·s。
3.如权利要求1所述的填充加固堵水聚氨酯注浆材料，其特征在于，所述合成植物酯Ⅰ、合成植物酯Ⅱ均为8611增塑剂。
4.如权利要求1所述的填充加固堵水聚氨酯注浆材料，其特征在于，由体积1:1的组分A和组分B混合后得到；
所述组分A包括按质量份数的以下组分：
多亚甲基多苯基异氰酸酯 41～45份
合成植物酯Ⅰ 11～15份；
所述组分B包括按质量份数的以下组分：
所述复合催化剂由三亚乙基二胺与辛酸亚锡按1:1.5质量比复配而成。
5.如权利要求4所述的填充加固堵水聚氨酯注浆材料，其特征在于，所述组分A包括按质量份数的以下组分：
多亚甲基多苯基异氰酸酯41份
合成植物酯Ⅰ11份；
所述组分B包括按质量份数的以下组分：
6.一种如权利要求1所述的填充加固堵水聚氨酯注浆材料的制备方法，其特征在于，步骤为：
1)将多亚甲基多苯基异氰酸酯、合成植物酯Ⅰ搅拌均匀，密封保存作为组分A；将聚醚二醇、聚醚三醇、聚醚四醇、合成植物酯Ⅱ经过100℃～120℃高温真空脱水2～4h，再降温至50～60℃，加入复合催化剂、硅油混合搅拌后，密封保存作为组分B；
2)将组分A、组分B按体积1:1混合得到填充加固堵水聚氨酯注浆材料。
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