雙組份聚氨酯發(fā)泡膠配比及性能研究

伍杰 胡力 徐國成 戴天彤 杜雪松

【摘?要】針對目前瀝青路面裂縫難于根治的難題，以及現(xiàn)有裂縫修補材料的性能缺陷，本文制備了一種新型的雙組份聚氨酯發(fā)泡膠材料，通過室內(nèi)試驗對材料的組成、配比及性能進行了詳細研究，尤其對發(fā)泡劑的種類和用量進行了仔細篩選，研究得到的聚氨酯發(fā)泡膠粘結(jié)性能優(yōu)秀、發(fā)泡率適中，有望在道路裂縫修補領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】聚氨酯;發(fā)泡膠;配比研究;性能研究

Study on the Proportion and Properties of Two-component Polyurethane Foaming Adhesive

Wu Jie1，3，Hu Li2，Xu Guo-cheng2，Dai Tian-tong1，3，Du Xue-song2

（1.China Merchants Chongqing Communications Technology ResearchDesign Institute Co.， Ltd?Chongqing?400067;

2.Chongqing Jiaotong University?Chongqing?400074;

3.National Local Joint Engineering Laboratory for Road Engineering ?in Mountainous Areas?Chongqing?400067）

【Abstract】According to the difficult problem of asphalt pavement crack treatment， and the performance defects of existing crack repair materials. In this paper， a new type of two-component polyurethane foaming adhesive material has been prepared. The composition， proportion and properties of this material have been studied in detail， especially with the types and dosage of foaming agents. The obtained polyurethane foaming adhesive has excellent bonding performance and moderate foaming rate， which is expected to be widely used in the field of road crack repair.

【Key words】Polyurethane;Foaming adhesive;Proportion research;Performance research

1. 前言

路面裂縫是我國道路最常見的病害之一，裂縫形成初期對道路危害和功能影響并不大，但是若不及時治理，路面的雜質(zhì)和雨水等便會沿著裂縫進入道路內(nèi)部，造成路面二次病害，如嘰漿、坑槽、脫空等，既影響行車舒適性又影響道路使用壽命。目前我國在裂縫修補方面主要通過灌縫和表面填縫方法進行修補，常見的裂縫修補材料主要有普通基質(zhì)瀝青、乳化瀝青、纖維瀝青、改性瀝青、橡膠瀝青密封膠、灌縫膠、抗裂貼等，研究發(fā)現(xiàn)這些材料幾乎都存在與舊路面粘結(jié)強度不足的問題，且由于這些材料的彈性形變能力差，不能與舊路面的形變協(xié)調(diào)性保持一致，通常在修補后不久便再次出現(xiàn)開裂等問題，導致修補失效。這些傳統(tǒng)的裂縫修補材料和技術(shù)并不能徹底根治路面裂縫病害，由此可見，新型的高性能裂縫修補材料亟待開發(fā)。由于聚氨酯發(fā)泡膠優(yōu)異的彈性和高粘性，被廣泛應(yīng)用于建筑、交通、煤礦等領(lǐng)域。鑒于筆者在聚合物路用材料方面的研究基礎(chǔ)，本文制備了一種新型的雙組份聚氨酯發(fā)泡膠，并對材料的組成、配比和力學性能進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)其具有用作路面裂縫修補材料的應(yīng)用前景。

2. 原材料及試驗方法

2.1?原材料。

（1）本文采用油性的雙組份聚氨酯為主要原材料，其中A組分為聚醚多元醇混合物（羥基組分），B組分芳基異氰酸酯混合物（異氰酸酯組分），A、B兩組分在室溫條件下均為液態(tài)，雙組份的物理參數(shù)見表1。需要注意的是，B組分需避光干燥保存，否則容易固結(jié)成塊。使用時只需將A、B兩組分按比例混合，并加入一定量的發(fā)泡劑拌和后，既可自發(fā)反應(yīng)、自然固化，整個過程都在室溫條件下進行，無需加熱，操作方便，且無揮發(fā)性有機氣體釋放，節(jié)能環(huán)保。

（2）試驗中使用的其他試劑均為化學純試劑，水為蒸餾水。

2.2?試驗方法。

本文主要通過測試固化材料的粘結(jié)強度和發(fā)泡率來分析評價聚氨酯發(fā)泡材料的性能。

（1）粘結(jié)強度測試方法。

粘結(jié)強度通過數(shù)顯拉拔儀進行測試，將聚氨酯材料均勻涂抹于邊長為5cm的正方體試件表面，然后與長方體試件粘結(jié)成拉拔試件，待自然固化后進行測試，拉拔試件及試驗裝置如圖1所示。

（2）發(fā)泡率測試方法。

參照標準“JC/T 2041-2010 聚氨酯灌漿材料”中的方法進行發(fā)泡率測試，但由于我們的材料為雙組份材料，故將試驗方案調(diào)整為：在帶刻度的1000ml干燥容器中，先將A、B組分和發(fā)泡劑攪拌反應(yīng)，將他們的體積之和計為試樣體積數(shù)V1，停止發(fā)泡后加水至1000ml刻度，記錄加水的體積數(shù)V2。則試樣發(fā)泡率S的計算公式如下：

S=1000-V1-V2V1×100%

式中S為試樣發(fā)泡率，用百分數(shù)表示（%）;V1為試樣的體積，單位為毫升;V2為第二次加水的體積，單位為毫升。

3. 試驗研究及結(jié)果分析

3.1?發(fā)泡劑的篩選。

（1）聚氨酯的發(fā)泡分為物理發(fā)泡和化學發(fā)泡兩種方式，物理發(fā)泡主要是通過聚氨酯反應(yīng)過程中放出的熱量使低沸點物質(zhì)氣化膨脹而發(fā)泡;化學發(fā)泡是在體系中加入能夠與異氰酸酯反應(yīng)的物質(zhì)，這類物質(zhì)通常含有活潑氫原子，能夠在聚氨酯交聯(lián)反應(yīng)的同時與異氰酸酯組分反應(yīng)生成二氧化碳氣體，從而實現(xiàn)材料的發(fā)泡膨脹。

（2）本文采用了物理發(fā)泡和化學發(fā)泡兩種方法進行聚氨酯發(fā)泡研究，共選取5種化合物開展試驗，分別是二氯甲烷、環(huán)戊烷、水、甲醇和乙醇，前面兩種為物理發(fā)泡劑，后面三種為化學發(fā)泡劑。在發(fā)泡劑篩選試驗中試驗采用A組分：B組分：發(fā)泡劑=1：1：0.02（體積比）的配方比例進行試件制作，試驗發(fā)現(xiàn)兩種物理發(fā)泡劑幾乎都不能使材料發(fā)生明顯的發(fā)泡現(xiàn)象，故未做下一步研究。材料的粘結(jié)性是材料工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此，將水、甲醇和乙醇三種化學發(fā)泡劑拌和后制成拉拔試件（圖2），研究不同發(fā)泡劑對聚氨酯材料粘結(jié)性能的影響，試驗結(jié)果見圖3。

（3）從圖2可以看出，從左至右的三個試件發(fā)泡率依次降低，即三種化學發(fā)泡劑的發(fā)泡能力為：水>甲醇>乙醇，與三種物質(zhì)活潑氫的活性高低順序一致，說明活性高的化合物更易與異氰酸酯B組分反應(yīng)而發(fā)泡膨脹。結(jié)合圖3的粘結(jié)強度測試結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)水做發(fā)泡劑時，材料的粘結(jié)性能最佳（1.012MPa），因此試驗選擇了水作為該聚氨酯的發(fā)泡劑進行后續(xù)研究。雖然甲醇做發(fā)泡劑時材料的粘結(jié)強度與水做發(fā)泡劑時相當，但是甲醇是一種揮發(fā)性有毒物質(zhì)，且成本比水高，故未對甲醇開展后續(xù)研究。

3.2?發(fā)泡劑用量的篩選。

（1）水作為一種化學反應(yīng)型聚氨酯發(fā)泡劑，用量的多少將直接影響材料力學性能和發(fā)泡率。當用量較低時，有效的發(fā)泡反應(yīng)減少，會導致材料的發(fā)泡率較低;當用量過高時，會消耗過多的異氰酸酯組分，導致羥基組分和異氰酸酯組分的比例失衡，且發(fā)泡率過大形成蓬松的影響材料固化后的各項性能。因此，需要對水的添加比例進行詳細研究。試驗仍然固定A、B組分的配比為1：1（體積比），分別研究水添加量為0%、1%、2%、3%、4%、5%條件下材料的粘結(jié)強度和發(fā)泡率，試驗結(jié)果見圖4。

圖4?水用量對粘結(jié)強度和發(fā)泡率的影響

圖5?A、B組分配比對粘結(jié)性影響研究

（2）試驗操作過程發(fā)現(xiàn)，隨著水的用量增加，發(fā)泡反應(yīng)的劇烈程度呈線性增加趨勢，但是從圖4的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，材料的發(fā)泡率隨水的添加量呈先增加后降低的變化趨勢。分析原因可能是因為水的用量較低時，反應(yīng)形成閉合孔洞，生成的二氧化碳都包裹在材料內(nèi)部，因此測得的發(fā)泡率隨水的添加量增加而增加;當水的用量超過3%后，材料發(fā)泡反應(yīng)過于劇烈，因產(chǎn)生的二氧化碳氣體過多而溢出，形成開口的孔洞，故用本試驗方法測試發(fā)泡率時，試驗中二次加水沿開口孔洞進入材料內(nèi)部，導致測得發(fā)泡率呈下降趨勢。

（3）材料粘結(jié)強度呈先增加后降低的趨勢是因為水是比A組分更活潑的羥基化合物，少量水的加入能夠快速引發(fā)A、B組分的反應(yīng)，且材料的發(fā)泡率比較適中，因此在水的添加量小于2%時，材料粘結(jié)強度隨水的添加呈增加而增加。當水的添加量大于2%后，材料發(fā)泡反應(yīng)過于劇烈，形成蓬松的孔隙結(jié)構(gòu)，使材料與試件的有效接觸面積減少，故水的添加量大于2%之后材料的粘結(jié)強度隨水用量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。綜上，研究得出水的最佳添加用量為2%，此時材料的粘結(jié)強度和發(fā)泡率都較好。

3.3?聚氨酯AB組分配比研究。

（1）將發(fā)泡劑的成分和用量確定后，研究了聚氨酯A、B組分配比變化對材料性能的影響。固定2%的水為發(fā)泡劑，制備A、B組分配比分別為2：1、1.5：1、1：1、1：1.5、1：2的幾種拉拔試件進行性能的測試，測試結(jié)果見圖5。

（2）通過表1中的數(shù)據(jù)可以計算得出A、B組分的理論最佳配比為1：1，但是從圖5的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著異氰酸酯B組分用量的增加，聚氨酯發(fā)泡膠的粘結(jié)強度幾乎呈線性增加趨勢。分析原因可能是因為，當B組分用量低于A組分時，隨著B組分的用量的增加，A、B組分間的反應(yīng)逐漸充分，富余的A組分逐漸減少，故粘結(jié)強度隨B組分用量的增加而增加;當B組分用量大于A組分時，A組分先與B組分反應(yīng)生成聚氨酯樹脂，而剩余的B組分進一步與環(huán)境中的水反應(yīng)生成聚脲化合物，故體系的粘結(jié)強度仍然隨B組分用量的增加而增加。但是聚脲化合物屬于比較脆性的高聚物，導致材料容易脆裂，影響材料的耐久性，故選擇A：B=1：1為該聚氨酯發(fā)泡膠的最佳使用配比。

4. 結(jié)論

本文研究制備了一種新型的雙組份聚氨酯發(fā)泡膠材料，結(jié)合材料的粘結(jié)性能和發(fā)泡率對材料的組成、配比及性能進行了詳細研究，結(jié)論如下：

（1）該材料不適合物理方法發(fā)泡方式，容易與活性氫化合物反應(yīng)發(fā)泡，研究發(fā)現(xiàn)2%的水可以使材料有效發(fā)泡并得到較好性能的聚氨酯發(fā)泡膠。

（2）對A、B組分和發(fā)泡劑配比進行詳細研究后得出該聚氨酯發(fā)泡膠的最佳使用配比為A：B：水=1：1：2%。

（3）本文研究的聚氨酯發(fā)泡膠粘結(jié)性能優(yōu)秀、發(fā)泡率適中，與無機添加劑混合后，有望用于瀝青路面裂縫或非開挖修補領(lǐng)域。