低模量聚氨酯彈性體密封防水材料的研制*

劉志 張勇 賈積恒 張彬 趙微微

(1.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司 北京 102200)(2.鐵科騰躍科技有限公司 河北石家莊 052360)

“十三五”期間我國(guó)鐵路行業(yè)保持高速發(fā)展，綜合考慮路網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)安全舒適以及建設(shè)成本等諸多因素,橋梁高架成為我國(guó)鐵路的主要鋪設(shè)方式之一。在新建高速鐵路中,除少量采用大跨特殊結(jié)構(gòu)外,橋梁多采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)支梁間存在著大量的橫向接縫,彈性體密封防水材料成為連接橋梁兩端重要的組成部分,可以有效防止污水回流污染支座和梁端表面,實(shí)現(xiàn)梁間接縫的防水密封及密封修復(fù)[1-3]。

目前新建鐵路混凝土橋梁梁端防水裝置主要采用橡膠止水帶和聚氨酯(PU)彈性體密封防水材料。傳統(tǒng)的橡膠止水帶普遍出現(xiàn)了防排水膠條脫落、排水通道堵塞等不同程度的病害,喪失梁端防水和排水功能。而發(fā)生病害后無(wú)法維修更換,成為鐵路橋梁橋面防排水工程的一大難題。PU彈性體密封防水材料無(wú)支承構(gòu)造，與混凝土梁端連接方式僅為粘接,整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能優(yōu)異,安裝方便,可維護(hù)性強(qiáng),正逐漸替代傳統(tǒng)的橡膠止水帶[4-6]。本研究采用預(yù)聚體合成工藝,考察了自制色膏、增塑劑及擴(kuò)鏈劑對(duì)PU彈性體密封防水材料的硬度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器

聚醚三醇330N、聚合物多元醇(POP)3630、聚醚二醇280,佳化化學(xué)股份有限公司;二異氰酸酯MDI-100,萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司;復(fù)合催化劑(TBL),自制;鄰苯二甲酸二辛酯(DOP),山東科興化工有限責(zé)任公司;炭黑FR5500(粒徑約13 μm),上海復(fù)瑞化工有限公司;一縮二乙二醇(DEG),日本三井化學(xué)株式會(huì)社;乙二醇(EG)，廣州市俱輝化工有限公司;1,4-丁二醇(BDO),天津市中和盛泰化工有限公司;抗氧劑1010,臺(tái)灣雙鍵化工股份有限公司。以上均為工業(yè)級(jí)。

CMT4304型電子萬(wàn)能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī),美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司;TIME5420型邵A硬度計(jì),北京時(shí)代之峰科技有限公司;STNM-60型研磨混合機(jī),上海市索廷設(shè)備有限公司;FS-1100型高速分散機(jī),杭州齊威儀器有限公司;DAC 5000型快速混合機(jī),德國(guó)Hauschild公司;831型水分測(cè)定儀,瑞士萬(wàn)通中國(guó)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 聚氨酯彈性體組合料的配方及工藝

PU彈性體配方見(jiàn)表1，制備工藝如下:

A組分:取一定量的聚醚330N、聚醚280、DOP至分離式燒瓶,在100～110 ℃、-0.08 ～-0.10 MPa真空脫水2 h,測(cè)試水分低于0.02%后降溫到70 ℃,加入MDI-100,升溫到85 ℃,反應(yīng)3 h,當(dāng)測(cè)得NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于6.0%時(shí),停止保溫,降溫到60 ℃以下得到PU預(yù)聚體,封閉保存。

表1 雙組分聚氨酯彈性體的基本配方

B組分:取一定量的聚醚280、POP3630、擴(kuò)鏈劑、抗氧劑1010和自制色膏,在分離式燒瓶?jī)?nèi)100～110 ℃、-0.08 ～-0.10 MPa真空脫水2 h,測(cè)試水分低于0.02%后降溫到70 ℃,加入相應(yīng)量的復(fù)合催化劑TBL,攪拌反應(yīng)0.5 h后封閉保存。

1.2.2 聚氨酯彈性體樣片制備及產(chǎn)品要求

按比例稱(chēng)取A、B組分共100 g倒入快速混合分散機(jī)樣盒中,密閉后高速攪拌1 min,再倒入硫化機(jī)的模具內(nèi)攤平,蓋上模蓋,在溫度120 ℃保溫15 min,25 ℃環(huán)境條件下放置72 h,裁片測(cè)試。

鐵路混凝土橋梁用低模量PU彈性體密封防水材料的要求參考TJ/GW 120—2013《鐵路混凝土橋梁彈性體伸縮縫暫行技術(shù)條件》,具體如下:產(chǎn)品顏色為淺灰或灰色、邵A硬度大于30、拉伸強(qiáng)度大于3 MPa、斷裂伸長(zhǎng)率大于900%等。

1.3 分析測(cè)試方法

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率按GB/T 528—2009的方法裁剪制片,按照GB/T 16777—2008的方法測(cè)試;邵A硬度按GB/T 531—2008的方法測(cè)定;表干時(shí)間按GB/T 16777—2008的方法進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 色膏對(duì)聚氨酯彈性體性能的影響

本研究的PU彈性體密封防水材料以自制的色膏調(diào)節(jié)顏色。將POP3630和炭黑FR5500以質(zhì)量比100∶2 進(jìn)行混合,按不同的工藝自制色膏。固定色膏的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%,考察了不同制備方式的色膏對(duì)PU彈性體樣片性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表2。

色膏1#～3#通過(guò)以下方式制得:1#將純炭黑直接加入到POP中使用攪拌機(jī)攪拌;2#將純炭黑直接加入到POP中使用高速分散機(jī)進(jìn)行分散;3#將純炭黑和POP預(yù)混,然后使用研磨機(jī)進(jìn)行研磨,炭黑粒徑由原來(lái)的13 μm變?yōu)? μm。

表2 色膏對(duì)聚氨酯彈性體性能的影響

由表2可知,由于1#、2#色膏中炭黑粒徑未變,僅改變POP和純炭黑的混合方式,2#PU彈性體密封防水材料力學(xué)性能略好,差距較小,但顏色由白灰色變?yōu)闇\灰色,這是因?yàn)楦咚俜稚⒒旌媳葦嚢杌旌细欣谔亢谠赑OP中分散相容;而色膏3#使PU彈性體顏色更深,硬度和拉伸強(qiáng)度滿(mǎn)足要求,伸長(zhǎng)率可達(dá)到1 280%,主要是因?yàn)樘亢谘心コ晌⒓?xì)顆粒后數(shù)量大幅度增加。因此使用經(jīng)過(guò)研磨處理混合方式的色膏所制備的PU彈性體性能最優(yōu)。

2.2 增塑劑用量對(duì)聚氨酯彈性體性能的影響

增塑劑可以降低PU體系黏度,降低成本。本實(shí)驗(yàn)選用極性增塑劑DOP為原料,考察了不同用量的DOP對(duì)PU彈性體性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 增塑劑DOP用量對(duì)聚氨酯彈性體性能的影響

由表3可知,隨著增塑劑DOP用量增加,PU彈性體表干時(shí)間增長(zhǎng),這樣可以延長(zhǎng)密封防水材料在施工時(shí)的可操作時(shí)間,更有利于施工,同時(shí)PU彈性體的硬度逐漸降低,斷裂伸長(zhǎng)率逐漸變大。這主要是因?yàn)樵鏊軇〥OP在PU彈性體分子鏈段中起到了滑動(dòng)的作用,致使硬度降低。當(dāng)彈性體中DOP質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于7%時(shí),拉伸強(qiáng)度隨DOP用量的增加逐漸降低且相差不多,這是由于增塑劑的加入促使PU彈性體的軟硬段的微相分離,較高的微相分離使彈性體不隨分子鏈增加滑動(dòng)而明顯降低;當(dāng)DOP質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于7%時(shí),PU彈性體拉伸強(qiáng)度明顯下降[7]。綜合考慮,增塑劑DOP質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%時(shí),PU彈性體性能最優(yōu),可以滿(mǎn)足鐵路PU彈性體密封防水材料的設(shè)計(jì)要求。

2.3 擴(kuò)鏈劑對(duì)聚氨酯彈性體性能的影響

2.3.1 二醇類(lèi)擴(kuò)鏈劑的選擇

本實(shí)驗(yàn)考察了擴(kuò)鏈劑EG、DEG和BDO對(duì)PU彈性體性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 擴(kuò)鏈劑種類(lèi)對(duì)聚氨酯彈性體性能的影響

從表4可知,使用EG為擴(kuò)鏈劑制備的PU彈性體的硬度和拉伸強(qiáng)度最大而斷裂伸長(zhǎng)率最小,這是因?yàn)镋G的分子鏈段最短,制備的PU彈性體硬段密度大[8]。DEG擴(kuò)鏈制備的PU彈性體硬度和拉伸強(qiáng)度最低,斷裂伸長(zhǎng)率最大,這是由于DEG分子鏈中含有醚鍵,制備的彈性體鏈段結(jié)構(gòu)易旋轉(zhuǎn),柔性更好。綜合考慮,選用BDO為擴(kuò)鏈劑最為合適。

2.3.2 BDO用量對(duì)聚氨酯彈性體性能的影響

BDO用量對(duì)PU彈性體力學(xué)性能影響見(jiàn)表5。

表5 BDO用量對(duì)聚氨酯彈性體性能的影響

由表5可知,隨著B(niǎo)DO用量增加,PU彈性體密封防水材料的硬度增大,拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率先增大而后略降低,當(dāng)BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.2%時(shí),彈性體的性能符合TJ/GW 120—2013的要求。

3 結(jié)論

(1)以聚醚多元醇、MDI-100、擴(kuò)鏈劑、色膏、復(fù)合催化劑、抗氧劑、紫外吸收劑為主要原料制備出一種滿(mǎn)足鐵路混凝土橋梁用雙組分低模量PU彈性體密封防水材料。

(2)增塑劑DOP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%且擴(kuò)鏈劑BDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.2%時(shí),所制備的PU彈性體邵A硬度為35、拉伸強(qiáng)度為3.5 MPa、斷裂伸長(zhǎng)率為1 280%,綜合性能較佳,可以滿(mǎn)足鐵路凝土橋梁用低模量PU彈性體密封防水材料的標(biāo)準(zhǔn)要求。