新型双组份聚氨酯填缝胶制备技术及应用

陈建国，潘云峰，孙桂山，陈国庆

（1.广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁 530023；2.广西水工程材料重点实验室培育基地，广西 南宁 530023；3.河海大学，江苏 南京 210098）

新型双组份聚氨酯填缝胶制备技术及应用

陈建国1，2，潘云峰3，孙桂山3，陈国庆3

（1.广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁 530023；2.广西水工程材料重点实验室培育基地，广西 南宁 530023；3.河海大学，江苏 南京 210098）

采用正交试验，研究了预聚体与多元醇比例、—NCO含量、填料用量、催化剂用量等对双组份聚氨酯填缝胶粘结强度的影响，制备了能产生交联反应、充分胶粘的新型双组份聚氨酯填缝胶。结果表明，所制备的双组份聚氨酯填缝胶适用期为4 h，表干时间为10 h，拉伸粘结强度为2.2 MPa，断裂伸长率为230%，粘结最大伸长率230%，弹性恢复率93%，浸水300 h后粘结强度比0.73、拉伸强度比0.76，干湿循环20次后粘结强度比0.7、拉伸强度比0.6，满足水泥混凝土弱碱性环境的使用要求。介绍在贵港达开灌区中干渠改造工程应用情况，该渠段稳渗强度较采用沥青砂浆作为填缝材料下降43.8%。

双组份聚氨酯填缝胶；正交试验；基本性能；工程应用

0 前言

伸缩缝是混凝土防渗渠道中的主要漏水通道之一，伸缩缝渗漏不仅会造成水量损失，还会引起渠基土严重破坏，因此伸缩缝处理尤为重要。目前使用的沥青或沥青砂浆作为填缝止水材料，其现场加热施工技术十分复杂[1]；遇水膨胀条施工要求高，价格贵；热熔性胶泥施工操作不便，熬制温度难以控制；聚氯乙烯油膏等作伸缩缝填缝止水材料，有的性能差，有的造价较高，施工复杂[2]。对于聚氨酯类填缝材料而言，因生产聚氨酯填缝胶的原料和辅料有很多种，配方可调，自由度非常大，其独特的柔性链段和刚性链段嵌段共聚结构可以真正做到结构—性能设计，双组份聚氨酯填缝胶的设计性更强，也更易投入使用。但是聚氨酯填缝胶也存在着缺点，如它的耐热性不是很好，低温下弹性降低变脆硬，极性基团具有亲水性因此耐水性不好等，这些都限制了聚氨酯填缝胶的使用范围[3-5]。因此，本试验旨在制备出一种综合性能优良的双组份聚氨酯填缝胶，优化其制备工艺，进一步研究结构与性能的关系，为改善聚氨酯填缝胶的性能提供科学的依据和方法。

1 实验

1.1 原材料及仪器设备

聚氨酯预聚体：黎明化工研究院。聚四氢呋喃聚醚：PTMEG 1000、2000等，三菱化学株式会社；邻苯二甲酸：分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司；氧化钙、滑石粉：分析纯，天津市福晨化学试剂厂；炭黑：分析纯，上海凯茵化工有限公司；二月桂酸二丁基锡：分析纯，天津市大茂化学试剂厂；膨润土：工业级，浙江华特新材料有限公司。

电子天平：HA-202M-4G，上海精密科学仪器有限公司；电热鼓风干燥箱：A0613427，哈尔滨永光明仪器厂；精密定时电动搅拌器：JJ-1A，江苏金坛市荣华仪器制造有限公司；拉力试验机：XL-250A，广州实验仪器厂；粘结指数测定仪：RM07，东莞如美仪器设备有限公司；傅里叶变换红外光谱仪：Tensor 27，德国布鲁克公司。

1.2 填缝胶制备方法

聚氨酯填缝胶是由A、B两种组份在常温下混合分散，再用消泡剂或机械抽真空方法脱泡处理制备而成。其中A组份为聚氨酯预聚体；B组份为聚醚多元醇、增塑剂、填料、催化剂、触变剂（依次为聚四氢呋喃、邻苯二甲酸、滑石粉和炭黑、二月桂酸二丁基锡、膨润土）的混合物。

1.3 性能测试与表征

密封材料表干时间、密度、流平性、拉伸粘结性能和弹性恢复率均按GB/T 13477—2002《建筑密封材料试验方法》进行测试；耐水性参照GB/T 1690—2010《硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法》进行测试，实验条件为蒸馏水，温度为（30± 1）℃；耐碱液浸泡性能是将聚氨酯膜称重后，浸泡于浓度为5%NaOH溶液中，每隔一段时间将其取出并快速拭干称重，并观察其浸泡现象；红外光谱分析，依据JY/T 001—1996《傅里叶变换红外光谱方法通则》制样，对制备的预聚体及混合固化后的密封胶以ATR全反射模式进行红外光谱分析。

2 结果与讨论

2.1 填缝胶组成配比正交试验

利用正交试验法，以m（预聚体）∶m（多元醇）、—NCO含量、填料用量及催化剂用量作为4个考察因素，采用L9（34）进行正交试验设计，来确定双组份聚氨酯填缝胶的最佳配合比。正交试验方案与结果分别见表1、表2。

由表2可以看出，预聚体和多元醇的比例有一个最佳值，预聚体和多元醇接触时发生化学交联反应，当m（预聚体）∶m（多元醇）=0.5∶1时，粘结强度最大，而当m（预聚体）∶m（多元醇）大于0.5时，样品中多余的多元醇没有被使用而导致样品粘结强度下降。预聚体的端—NCO基含量在8%时，粘结强度达到最大值，预聚体的端—NCO和固化剂的—OH室温反应生成氨基甲酸酯基，期间产生各种无规则的接触固化，反应程度较本体聚合要低得多，很难生成大分子质量的高聚物，故力学性能也相应降低。随着填料用量的增大，粘结强度逐渐下降。催化剂用量在0.01%时，粘结强度最高。通过正交试验得出双组份聚氨酯填缝胶的最佳配合比为m（预聚体）∶m（多元醇）=0.5∶1、—NCO含量8%、填料用量20%、催化剂用量0.01%。

表1 聚氨酯填缝胶正交因素水平

表2 正交试验设计与结果分析

根据最佳配合比设计制备双组份聚氨酯填缝胶，其适用期为4 h、表干时间为10 h、拉伸粘结强度2.2 MPa、断裂伸长率为230%、粘结最大伸长率230%、弹性恢复率93%。

2.2 红外光谱分析

A组份、B组份及二者混合体的红外光谱见图1。

图1（a）A组份中2250 cm-1处为异氰酸酯基团，而在图1（c）中这个峰不存在，说明—NCO基团已全部参与反应，反应过程中水分子也参与了与—NCO基团的反应，起到扩链的作用。从图1（a）～（c）对比可以明显看出，峰值已显著偏移或消失；从宏观来看，已出现明显的胶粘现象，1350 cm-1处的R—C（=O）—O吸收峰已非常显著，表明A、B组份已发生交联反应。

图1 A组份、B组份及二者混合体的红外光谱

2.3 聚氨酯填缝胶在浸水环境下拉伸强度和粘结强度

按最佳配合比制备聚氨酯填缝胶，测试模拟浸水环境下拉伸强度和粘结强度随浸水时间的变化曲线，如图2、图3所示。

图2 聚氨酯填缝胶浸水拉伸强度-时间变化曲线

图3 聚氨酯填缝胶浸水粘结强度-时间变化曲线

从图2、图3可以看出，在浸水一定时间后，聚氨酯填缝胶的粘结强度和拉伸强度在100 h内下降比较明显；但100 h以后，强度下降速度变慢，到达300 h时趋于稳定，可以推测在300 h以后粘结强度不会再有明显的降低，而300 h时拉伸强度比为0.76、粘结强度比为0.73，依然较高，可知产品的耐水性能良好，能够保证聚氨酯填缝胶在长时间浸水下的使用性能。

2.4 聚氨酯填缝胶干湿循环强度比

测试模拟枯水季节和漫水季节的聚氨酯填缝胶使用性能，以实验室干湿模拟20次为准，测试拉伸强度和粘结强度降低情况，结果显示，模拟渠道干湿循环20次后，双组份聚氨酯填缝胶粘结强度比为0.7，拉伸强度比为0.6。比干湿循环前有所下降，但依然可以达到原性能的1/2以上，可以应用于实际施工过程。

2.5 聚氨酯填缝胶耐碱液浸泡性能

观察浸泡入碱液以后的聚氨酯填缝胶表观现象，模拟在聚氨酯填缝胶和水泥接触下，在饱水环境中水泥混凝土呈现碱性可能会影响聚氨酯填缝胶性能的情况。填缝胶在5%NaOH碱液中浸泡，表观未起皱变形，可以认为满足水泥混凝土弱碱性环境下使用。

2.6 工程应用

为进一步测试密封胶实际性能和施工工艺，选取贵港达开灌区中干渠改造工程试用本研制的新型双组份聚氨酯密封胶。贵港达开水库灌区位于广西桂中，是广西的大型灌区之一，防渗衬砌的中干渠原有伸缩缝填充材料为沥青砂浆，经运行多年，填充材料已老化失效，用本研制新型双组份聚氨酯密封胶进行更新改造，见图4。

图4 渠道改造前后对比

2.6.1 施工工艺

（1）对伸缩缝的表面进行处理，清除杂物，并保证表面干燥。对粗糙表面须磨光，对于蜂窝麻面严重部位应采用界面腻子处理。（2）装衬垫材料来调节间隙深度并使密封胶仅粘接2个侧面，把清洁条均匀顺直地贴于伸缩缝的两边防止污染。（3）用刮刀将搅拌均匀的密封胶在缝两侧涂抹一层，并反复挤压，使密封胶与被粘结面很好地浸润，待表面修饰完成后，将缝口两侧的清洁条纸撕去。（4）伸缩缝填缝施工作业质量检查需要注意的是：保证伸缩缝清缝干净；保证密封胶填缝深度2cm；伸缩缝注胶前清洁条一定要贴顺直，两清洁条间距统一；注胶完成压紧刮平后再检查一下是否有凸凹不平或小孔洞的地方。

2.6.2 质量保证措施

（1）气温低于0℃或高于35℃都不宜注胶施工；（2）保证注胶密实；（3）阴雨、大风天气要停止注胶；（4）在聚氨酯密封胶表干前注意对其保护，避免人为破坏。

2.6.3 改造后工程质量

渠道渗漏测试按照SL 18—2004《渠道防渗工程技术规范》，采用静水法中的水位下降法进行测试，结果见表3。

表3 静水法渠道渗漏测试结果

由表3结果表明，采用沥青砂浆作为填缝材料渠段的稳渗强度为4.631 L/（m2·h），采用新型双组份聚氨酯填缝密封胶渠段的稳渗强度为2.604 L/（m2·h），与采用沥青砂浆作为填缝材料渠段相比，采用新型双组份聚氨酯填缝密封胶的渠段稳渗强度下降43.8%，极大地提高了渠道的抗渗性能。

使用新型双组份聚氨酯填缝密封胶作为填缝材料的贵港达开灌区中干渠在通水后防渗和止水效果良好，不但解决了渠道伸缩缝材料老化失效的问题，而且大幅度提高了渠道的使用寿命和灌区放水的安全可靠性，对灌区改造工程伸缩缝止水施工具有借鉴作用。

3 结论

（1）通过正交设计方法，综合衡量m（预聚体）∶m（多元醇）、—NCO含量、填料用量、催化剂用量对双组份聚氨酯密封胶粘结强度的影响，得出了双组份聚氨酯填缝胶合成的最佳配比为：m（预聚体）∶m（多元醇）=0.5∶1、—NCO含量8%、填料用量20%、催化剂用量0.01%。

（2）分别测试预聚体和固化剂的红外光谱，并分析吸收峰，判断A、B组份已发生交联反应。

（3）研制的双组份聚氨酯填缝胶施工性能良好；浸水300 h时拉伸强度比为0.76、粘结强度比为0.73，耐水性能良好；实验室干湿模拟20次后其拉伸强度比为0.6、粘结强度比为0.7，满足实际工程要求；在5%NaOH碱液中浸泡，表观未起皱变形，满足水泥混凝土弱碱性环境的使用环境。

[1] 王晶，赵大生，孙秀英.我国环保胶黏剂的现状及发展趋势[J].化学与黏合，2009，31（2）：51-53.

[2] 张慧莉，娄宗科，田堪良.几种填缝材料在渠道防渗工程中的应用比较[J].水土保持研究，2002，9（2）：26-28.

[3] 彭文奇，严小妹，沈慧芳.硬段含量对水性聚氨酯软段结晶性能的影响[J].聚氨酯工业，2012，27（4）：12-15.

[4] 刘景芳，李树材.硬段含量对水性聚氨酯性能的影响[J].涂料工业，2004，34（8）：5-10.

[5] Sahoo N G，Rana S，Cho J W，et al.Polymer nanocomposites based on functionalized carbon nanotubes[J].Progress in Polymer Science，2010，35（7）：837-867.

New two-component polyurethane sealant preparation technology and applications

CHEN Jianguo1，2，PAN Yunfeng3，SUN Guishan3，CHEN Guoqing3
（1.Hydraulic Research Institute of Guangxi Zhuang Autonomous Region，Nanning 530023，China；2.Guangxi Key Laboratory Cultivation Base of Water Engineering Materials，Nanning 530023，China；3.Hohai University，Nanjing 210098，China）

The orthogonal test of 4 factors and 3 levels was used to study influence of prepolymer with a polyol proportion，—NCO content，filler content，the amount of catalyst on the two-component polyurethane sealant adhesive strength.And we prepared a new two-component polyurethane sealant that can take place crosslinked reaction and bonded fully.Results show that the preparation of two-component polyurethane sealant has the following basic properties：pot-life 4 h，tack-free time 10 h，tensile adhesive strength 2.2 MPa，breaking elongation 230%，the largest elongation 230%，elastic recovery rate 93%，after soaking of 300 h，adhesive strength ratio 0.73，tensile strength ratio 0.76，after drying-wetting of 20 times，adhesive strength ratio 0.7，tensile strength ratio 0.6，can meet the operating requirement in the weak alkaline environment of cement concrete.The application situation of trunk canal reconstruction engineering in Expensive Port DaKai irrigation zone has been introduced，the steady seepage intensity of the channel fell by 43.8%than asphalt mortar sealant before.

two-component polyurethane sealant，orthogonal array test，basic properties，engineering practice

TU57+8

A

1001-702X（2016）08-0128-04

2016-05-03

陈建国，男，1984年生，江苏溧阳人，工程师，硕士，主要从事水工材料研究。