CN116410695A - 一种聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料及其制备方法，其包括A组分和B组分，其中以重量份计，A组分包括聚氨酯预聚体5~30份、环氧树脂10~100份；B组分包括改性沥青10~200份、增容剂5~30份、酸酐类固化剂30~125份、促进剂1~10份；经制备后，聚氨酯改性环氧沥青嵌缝料各种状态下(23℃、‑20℃、老化处理)的定伸粘结性均无破坏，具有良好的位移能力好，嵌缝材料的尺寸可跟随伸缩缝的变形而发生，且嵌缝材料本身和粘结面不会被破坏，具有良好的界面粘结性能和耐老化性能。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体说是一种聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料及其制备方法。
背景技术
为了适应不同温度下混凝土结构的变形，无砟轨道的底座板、道床板、封闭层等长线连续浇筑结构需要隔一段距离设置接缝(宽度2～3cm)。同时，底座/支承层与线下结构间也存在接缝(宽度1～2cm)。由于轨道工程一次性投资巨大，返修费用高，因嵌缝材料失效所带来的脱粘、开裂老化、防水失效等问题便会引起巨大的经济损失和诸多的社会问题，因此，对于嵌缝材料的要求便不可忽视。目前已投入运营的高速铁路无砟轨道嵌缝材料主要有沥青类、聚硫类、聚氨酯类、硅酮类等嵌缝胶，其中聚硫类嵌缝材料容易导致环境污染，沥青类嵌缝材料虽然价格低，但施工工艺较复杂，需要在加热条件下施工，并且对温度适应能力较弱，低温发脆、高温易流淌，这两种材料目前逐步被聚氨酯类或硅酮类嵌缝材料代替。聚氨酯类嵌缝材料多为双组分包装，需要现场称量再进行混合固化，容易因计量差错或混合不均匀导致材料不固化或固化后性能无法达到要求，而且其原材料还具有毒性；硅酮类嵌缝材料造价较昂贵，其固化受到空气含水率及结构深度影响，与混凝土界面的粘结性能不足。因此迫切需要理想的高速铁路无砟轨道嵌缝材料。
环氧沥青是由环氧树脂、固化剂和基质沥青按一定比例配制加工，形成不可逆的三维立体互穿网络结构的固化物。固化后的环氧沥青具有高强度、超强的粘结性能、优异的永久变形能力、抗疲劳性能与抗化学物质侵蚀能力。但在低温环境中，环氧沥青材料会***脆进而开裂，出现开裂，从而会在各种荷载与环境的作用下加速破坏，形成更大面积的病害。异氰酸酯封端的聚氨酯能与环氧树脂发生反应，使环氧沥青的断裂韧性大幅提高，从而改善环氧沥青的低温性能。采用聚氨酯改性后的环氧沥青，作为高铁嵌缝材料具有广阔的前景。
针对聚氨酯改性环氧沥青材料，CN202111086640.5给出了一种钢桥面用热固性聚氨酯改性环氧沥青材料。其采用聚醚胺和腰果酚混合后的复配固化剂改性沥青，再将聚氨酯改性环氧树脂加入其中。CN202111218337.6给出了一种环氧树脂胶粉的复合改性沥青及混合料，其聚氨酯改性环氧树脂采用甲苯二异氰酸酯和乙二胺聚醚制备的聚氨酯预聚体改性，再加入到橡胶粉改性的沥青中，得到复合改性沥青。CN202010569980.2在聚氨酯改性环氧树脂材料上由毒性更小的二苯基甲烷二异氰酸酯和乙二胺制备的聚氨酯预聚体改性环氧树脂得到，加入到酸活化的凹凸棒土改性的沥青中。202110293824.2给出了一种聚氨酯改性环氧沥青钢桥面修补材料，其采用EPU与EPD混合的改性环氧树脂，加入胺类固化剂后得到复配环氧树脂，再加入到沥青中。但上述聚氨酯改性环氧沥青材料低温模量偏大，适应不了高速铁路无砟轨道伸缩缝变形需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供了一种位移能力高、界面粘结性好、耐老化性好、成本合适的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：包括A组分和B组分，A组分和B组分的重量比为1：2～6；其中以重量份计，A组分包括聚氨酯预聚体5～30份、环氧树脂10～100份；B组分包括改性沥青10～200份、增容剂5～30份、酸酐类固化剂30～125份、促进剂1～10份；所述的改性剂为马来酸酐；所述的增容剂为二甲苯；所述的酸酐类固化剂为甲基六氢苯酐；所述的促进剂为二甲氨基甲基苯酚。
所述的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料，所述的聚氨酯预聚体为二苯基甲烷二异氰酸酯和聚乙二醇的混合。
所述的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料，所述二苯基甲烷二异氰酸酯和聚乙二醇的混合质量份数为二苯基甲烷二异氰酸酯3～16份，聚乙二醇2～14份。
所述的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料，所述的改性沥青材料为石油沥青和改性剂的混合。
所述的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料，所述石油沥青和改性剂的混合质量份数为石油沥青10～200份，改性剂1～10份。
本发明的另一目的是提供一种聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)聚乙二醇真空脱水后，滴加到50～60℃的二苯基甲烷二异氰酸酯中，均匀升温到80～90℃，保温搅拌反应3～4小时，得到聚氨酯预聚体。
(2)取聚氨酯预聚体与环氧树脂在80～100℃以300～400r/min转速保温反应2～3h，得到改性环氧树脂。
(3)取基质沥青，升温到140～150℃后保温，以500～600r/min搅拌，在30min内分批次加入改性剂，而后继续搅拌反应1h，得到改性沥青。
(4)将所述改性沥青保持在140～150℃并在500～600r/min的转速下，依次加入固化剂、增容剂、促进剂，搅拌2h后加入改性环氧树脂，搅拌20min得到复合改性沥青。
有益效果：
本发明制备的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝料各种状态下(23℃、-20℃、老化处理)的定伸粘结性均无破坏，这说明本发明制备的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝料具有良好的位移能力好，嵌缝材料的尺寸可跟随伸缩缝的变形而发生，且嵌缝材料本身和粘结面不会被破坏，具有良好的界面粘结性能和耐老化性能。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详述。这些实施例仅限用于解释说明本发明，而不限制本发明的范围。
实施例1
一种聚氨酯改性环氧沥青材料，包括A组分和B组分，以重量份计如下：A组分聚氨酯预聚体20份，环氧树脂50份；B组分改性沥青72份，增容剂23份，酸酐类固化剂80份，促进剂5份。A、B两组分的重量比为1:2.29。
以上组分中，增容剂为二甲苯，固化剂为甲基六氢苯酐，促进剂为二甲氨基甲基苯酚，改性沥青材料为33份石油沥青和2份改性剂的混合，其中改性剂为马来酸酐。
以上聚氨酯改性环氧沥青材料的制备方法如下：
(1)聚乙二醇真空脱水后，滴加到50℃的二苯基甲烷二异氰酸酯中，均匀升温到80℃，保温搅拌反应3小时，得到聚氨酯预聚体。
(2)取20份聚氨酯预聚体与50份环氧树脂在80℃以350r/min转速保温反应2h，得到改性环氧树脂。
(3)取基质沥青，升温到140℃后保温，以500r/min搅拌，在30min内分批次加入改性剂，以保证改性剂与沥青的反应充分，而后继续搅拌反应1h，得到改性沥青。
(4)将72份改性沥青保持在140℃并在500r/min的转速下，依次加入80份固化剂、23份增容剂、5份促进剂，搅拌2h后加入改性环氧树脂，搅拌20min得到复合改性沥青。
实施例2
一种聚氨酯改性环氧沥青材料，包括A组分和B组分，以重量份计如下：A组分聚氨酯预聚体25份，环氧树脂58份；B组分改性沥青80份，增容剂24份，酸酐类固化剂110份，促进剂6份。A、B两组分的重量比为1:2.65。
以上组分中，增容剂为二甲苯，固化剂为甲基六氢苯酐，促进剂为二甲氨基甲基苯酚，改性沥青材料为33份石油沥青和2份改性剂的混合，其中改性剂为马来酸酐。
以上聚氨酯改性环氧沥青材料的制备方法如下：
(1)聚乙二醇真空脱水后，滴加到50℃的二苯基甲烷二异氰酸酯中，均匀升温到80℃，保温搅拌反应3小时，得到聚氨酯预聚体。
(2)取25份聚氨酯预聚体与58份环氧树脂在80℃以350r/min转速保温反应2h，得到改性环氧树脂。
(3)取基质沥青，升温到140℃后保温，以500r/min搅拌，在30min内分批次加入改性剂，以保证改性剂与沥青的反应充分，而后继续搅拌反应1h，得到改性沥青。
(4)将80份改性沥青保持在140℃并在500r/min的转速下，依次加入110份固化剂、24份增容剂、6份促进剂，搅拌2h后加入改性环氧树脂，搅拌20min得到复合改性沥青。
实施例3
一种聚氨酯改性环氧沥青材料，包括A组分和B组分，以重量份计如下：A组分聚氨酯预聚体15份，环氧树脂30份；B组分改性沥青60份，增容剂21份，酸酐类固化剂72份，促进剂3份。A、B两组分的重量比为1:3.47。
以上组分中，增容剂为二甲苯，固化剂为甲基六氢苯酐，促进剂为二甲氨基甲基苯酚，改性沥青材料为石油沥青和改性剂的混合，其中改性剂为马来酸酐。
以上聚氨酯改性环氧沥青材料的制备方法如下：
(1)聚乙二醇真空脱水后，滴加到50℃的二苯基甲烷二异氰酸酯中，均匀升温到80℃，保温搅拌反应3小时，得到聚氨酯预聚体。
(2)取15份聚氨酯预聚体与30份环氧树脂在80℃以350r/min转速保温反应2h，得到改性环氧树脂。
(3)取基质沥青，升温到140℃后保温，以500r/min搅拌，在30min内分批次加入改性剂，以保证改性剂与沥青的反应充分，而后继续搅拌反应1h，得到改性沥青。
(4)将60份改性沥青保持在140℃并在500r/min的转速下，依次加入72份固化剂、21份增容剂、3份促进剂，搅拌2h后加入改性环氧树脂，搅拌20min得到复合改性沥青。
实施例4
一种聚氨酯改性环氧沥青材料，包括A组分和B组分，以重量份计如下：A组分聚氨酯预聚体5份，环氧树脂20份；B组分改性沥青35份，增容剂10份，酸酐类固化剂40份，促进剂2份。A、B两组分的重量比为1:3.48。
以上组分中，增容剂为二甲苯，固化剂为甲基六氢苯酐，促进剂为二甲氨基甲基苯酚，改性沥青材料为33份石油沥青和2份改性剂的混合，其中改性剂为马来酸酐。
以上聚氨酯改性环氧沥青材料的制备方法如下：
(1)聚乙二醇真空脱水后，滴加到50℃的二苯基甲烷二异氰酸酯中，均匀升温到80℃，保温搅拌反应3小时，得到聚氨酯预聚体。
(2)取5份聚氨酯预聚体与20份环氧树脂在80℃以3500r/min转速保温反应2h，得到改性环氧树脂。
(3)取基质沥青，升温到140℃后保温，以500r/min搅拌，在30min内分批次加入改性剂，以保证改性剂与沥青的反应充分，而后继续搅拌反应1h，得到改性沥青。
(4)将35份改性沥青保持在140℃并在500r/min的转速下，依次加入40份固化剂、10份增容剂、2份促进剂，搅拌2h后加入改性环氧树脂，搅拌20min得到复合改性沥青。
实施例5
一种聚氨酯改性环氧沥青材料，包括A组分和B组分，以重量份计如下：A组分聚氨酯预聚体7份，环氧树脂16份；B组分改性沥青40份，增容剂14份，酸酐类固化剂36份，促进剂3份。A、B两组分的重量比为1:4.04。
以上组分中，增容剂为二甲苯，固化剂为甲基六氢苯酐，促进剂为二甲氨基甲基苯酚，改性沥青材料为33份石油沥青和2份改性剂的混合，其中改性剂为丙烯酸。
以上聚氨酯改性环氧沥青材料的制备方法如下：
(1)聚乙二醇真空脱水后，滴加到50℃的二苯基甲烷二异氰酸酯中，均匀升温到80℃，保温搅拌反应3小时，得到聚氨酯预聚体。
(2)取7份聚氨酯预聚体与16份环氧树脂在80℃以350r/min转速保温反应2h，得到改性环氧树脂。
(3)取基质沥青，升温到140℃后保温，以500r/min搅拌，在30min内分批次加入改性剂，以保证改性剂与沥青的反应充分，而后继续搅拌反应1h，得到改性沥青。
(4)将40份改性沥青保持在140℃并在500r/min的转速下，依次加入36份固化剂、14份增容剂、3份促进剂，搅拌2h后加入改性环氧树脂，搅拌20min得到复合改性沥青。
实施1～5中聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料测试技术指标内容如表1所示，根据工作性能、力学性能、界面粘结性能、耐老化性能和耐疲劳性能展开测试，其中拉伸强度、断裂伸长率按照GB/T16777-2008测试；定伸粘结性、冷拉-热压粘结性、拉伸压缩循环粘结性按照GB/T13477-2002测试。聚氨酯改性环氧沥青技术指标如下表1所示，试验结果如下表2所示。
表1聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料技术指标内容
表2聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料试验结果
表2的试验结果表明：本发明制备的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料，其满足容留时间≥1h，表干时间≤12h，实干时间≤1d。这说明本发明制备的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝料具有较快的固化速度，可在短期内形成表干，防止施工扬尘、人员踩踏等破坏，此后本发明制备的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝料的固化过程不受外界环境干扰，具有固化时间稳定的性能。
本发明制备的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料，当环境温度为23℃，拉伸强度为1.06MPa-1.20MPa，断裂延伸率为140.23％-159.75％；当环境温度为-5℃，拉伸强度为1.63MPa-1.82MPa，断裂延伸率为180.44％-193.29％；当环境温度为-20℃，拉伸强度为1.95MPa-2.11MPa，断裂延伸率为240.42％-254.32％；这说明本发明制备的环氧沥青嵌缝料具有合理的力学性能，可承受一定的拉伸强度，且拥有较大的断裂伸长率；同时随着环境温度降低，拉伸强度和断裂伸长率均得到提高，低温时具有更好的柔韧性，来适应伸缩缝的变形。
本发明制备的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝料的23℃粘结强度为0.64MPa-0.78MPa，-5℃粘结强度为0.96MPa-1.09MPa，-20℃粘结强度为1.30MPa-1.42MPa；当环境温度从23℃下降到-20℃时，拉伸强度大幅提高，这说明本发明制备的环氧沥青嵌缝料与混凝土界面的具有较好的粘结性能，同时该粘结性能随着环境温度降低而提高。
本发明制备的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝料，浸水192h后，23℃拉伸强度衰减8％-11％，23℃断裂伸长率衰减4％-9％；热老化后，23℃拉伸强度衰减11％-14％，23℃断裂伸长率衰减4％-9％；紫外老化后，23℃拉伸强度衰减6％-7％，23℃断裂伸长率衰减6％-12％，这说明老化对本发明制备的环氧沥青嵌缝料有一定影响。老化对23℃拉伸强度最大衰减为14％，对断裂伸长率最大衰减为12％，在正常衰减范围内。这说明本发明制备的环氧沥青嵌缝料具有良好的耐老化性能。
本发明制备的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝料的冷拉-热压后的粘结性和拉伸-压缩循环后的粘结性均无破坏，说明本发明制备的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝料具有良好的耐疲劳性能。
本发明涉及一种聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料及其制备方法，该嵌缝材料由下列质量份数的原料组成：A组分包括聚氨酯预聚体5～30份，环氧树脂10～100份；B组分包括改性沥青10～200份，增容剂5～30份，酸酐类固化剂30～125份，促进剂1～10份。该聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料经本发明提出的制备方法制备而成。该聚氨酯环氧沥青嵌缝材料具有施工简易、固化稳定、位移能力好，界面粘结性强、耐久性好及成本适宜等特点，适用于高速铁路无砟轨道混凝土伸缩缝以及机场跑道、水泥混凝土路面伸缩缝等。
Claims (6)
1.一种聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料，其特征在于：包括A组分和B组分，A组分和B组分的重量比为1：2~6；其中以重量份计，A组分包括聚氨酯预聚体5~30份、环氧树脂10~100份；B组分包括改性沥青10~200份、增容剂5~30份、酸酐类固化剂30~125份、促进剂1~10份；
所述的改性剂为马来酸酐；所述的增容剂为二甲苯；所述的酸酐类固化剂为甲基六氢苯酐；所述的促进剂为二甲氨基甲基苯酚。
2.根据权利要求1所述的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料，其特征在于：所述的聚氨酯预聚体为二苯基甲烷二异氰酸酯和聚乙二醇的混合。
3.根据权利要求2所述的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料，其特征在于：所述二苯基甲烷二异氰酸酯和聚乙二醇的混合质量份数为二苯基甲烷二异氰酸酯3~16份，聚乙二醇2~14份。
4.根据权利要求1所述的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料，其特征在于：所述的改性沥青材料为石油沥青和改性剂的混合。
5.根据权利要求4所述的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料，其特征在于：所述石油沥青和改性剂的混合质量份数为石油沥青10-200份，改性剂1-10份。
6.权利要求1-5任一项所述的聚氨酯改性环氧沥青嵌缝材料的制备方法，其特征在于：制备包括以下步骤：
（1）聚乙二醇真空脱水后，滴加到50~60°C的二苯基甲烷二异氰酸酯中，均匀升温到80~90°C，保温搅拌反应3~4小时，得到聚氨酯预聚体；
（2）取聚氨酯预聚体与环氧树脂在80~100°C以300~400r/min转速保温反应2~3h，得到改性环氧树脂；
（3）取基质沥青，升温到140~150°C后保温，以500~600r/min搅拌，在30min内分批次加入改性剂，而后继续搅拌反应1h，得到改性沥青；
将所述改性沥青保持在140~150°C并在500~600r/min的转速下，依次加入固化剂、增容剂、促进剂，搅拌后加入改性环氧树脂，搅拌得到复合改性沥青。
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