聚脲弹性体涂料(通用7篇)
聚脲弹性体涂料 篇1
0 引言
聚脲弹性体涂料(Spray Polyured Waterproofing Coating)是一种无溶剂、无污染、高反应型防护涂料,具有优异的理化性能指标、便捷的施工工艺、防水防腐系统的整体性以及环保性,可应用于混凝土表面、金属罐体和管道内外表面“两防一耐”(防水、防腐、耐磨)分项工程,在城市地铁、高速铁路、隧道桥梁、水利机电、石油化工、海洋钻探等领域都有应用。在滨海新区海河开启桥施工中,为保证混凝土耐久性需要,在主墩及其他混凝土外表面采用了涂刷聚脲弹性体涂料防腐工艺。
1 工程概况
滨海新区响螺湾片区海河开启桥工程横跨海河,位于响螺湾与于家堡之间,西起坨场南道跨过海河东至永泰路,起讫桩号为TCNK1+251.741,终点桩号为TCNK2+300。大桥引桥上部结构采用简支变连续小箱梁,下部结构为异形桥墩、钻孔灌注桩基础。开启桥主墩基础为32根直径1.8m钻孔灌注桩基础,水中大体积混凝土承台。墩身为异型空腔薄壁结构,主墩腔室内安装开启系统,要求主墩墩室具有严格的密闭性。
开启桥主桥计算跨径76米,为亚洲同类最大跨径的开启桥,开启形式为立转式,最大开启角度为85度,全桥配重达1600吨,桥梁宽度20米。天津地区冬季海河有结冰和流凌,开启桥桥位处海河水具有强腐蚀性。
2 施工准备
2.1 喷涂现场人行通道、作业平台搭设
在钢板桩与墩身间的空隙部分,设置钢管扣件爬梯,为作业人员和现场管理人员提供方便安全通道;在钢板桩与承台之间采用丝杠支撑,丝杠与承台连接处采用方木支垫(避免直接支垫损伤砼表面),调整丝杠支撑使其与方木和钢板桩支撑牢固,然后将丝杠与钢板桩连接处点焊,丝杠支撑每80cm宽设置3道,丝杠上满铺竹排或木板,作为聚脲涂刷时作业人员的工作平台。
2.2 喷涂前砼基材表面处理
混凝土表面处理,是非常关键的一道工序。对于主墩墩身外侧砼表面局部气泡、流挂、麻面等缺陷进行处理,保证聚脲喷涂后的质量;首先将基层表面凸点用角磨机或扁铲去掉,清除各种妨碍附着力的浮浆、灰尘等物质.然后用高压水枪清洗表面灰尘。待水分完全挥发后,用专用腻子或密封胶修补裂缝、凹陷破损及阴角处.也可用其他增强材料对底材表面的孔洞或缝隙进行修补找平。刚性腻子固化后用电动砂轮磨平,直到肉眼看不见孔洞为止。
2.3 聚脲喷涂施工现场保温措施
开启桥东主墩聚脲喷涂作业时为11月底,已经进入冬季施工,为保证工程质量,防止喷涂材料在固化期间受冻,需要在围堰内采取升温措施,控制聚脲喷涂期间环境空气温度不低于10℃。
在钢板桩围堰内部设置防水碘钨灯,每5米设置一道,达到在围堰内升温的效果。
在保温棚内安设水银温度计,每隔10米安装1道,随时检测棚内空气温度,发现异常及时采取措施,在聚脲喷涂及固化期间,保证棚内温度始终在10以上。
2.4 喷涂材料进场及检验
计算主墩外侧聚脲弹性体涂料涂刷面积,将计算数据提供给聚脲喷涂厂家,便于厂家组织材料进场;在喷涂前,目测涂料的外观状态,应为均匀的无凝胶、无杂质的可流动的液体。喷涂前将B组分进行充分搅拌,以确保其颜色均匀一致、无浮色、无发花、无沉淀为止。
3 聚脲喷涂施工作业
3.1 底漆喷涂
砼表面清理干净之后喷涂底涂料,确保其喷涂均匀无漏点,厚度不超过10μm,干燥时间4~10h。底材表面温度应该高于露点温度5℃以上。尤其应注意的是,新水泥底材要等水分充分挥发后方可施工,否则受热挥发将导致聚脲涂层鼓泡分层。
3.2 聚脲弹性体喷涂
聚脲弹性体喷涂时随时观察压力、温度等参数,以免发生异常事故。喷涂时,调节喷枪的喷射角度、高度以及与底材的距离,以得到表面光滑的效果,提高美观性。
4 施工安全注意事项
(1)所有施工作业人员必须经专业培训持证上岗,施工时严格按照规程进行操作;(2)进入施工现场必须戴安全帽,喷涂过程中材料为雾状,有轻微气味,要求操作人员穿防护服并佩戴专用面罩。(3)聚脲喷涂施工现场不得有焊接或明火,同时必须配备灭火器等消防器材。
5 质量检查与验收
(1)基层平整度、坚实程度直接关系到成品的质量,基层表面应牢固、清洁,不得有空鼓、松动、起砂等现象。(2)涂刷底漆前必须对凹凸部分进行打磨、填补、达到平整。(3)聚脲涂层应与基层粘结牢固,表面平整均匀,不得有流挂、堆积、褶皱、鼓泡等现象。(4)聚脲涂层厚度应符合设计要求,且厚薄均匀一致,检验可分为针测或切片,用卡尺测量厚度。(5)防水层收头应粘结牢固、严密,并做密封处理。
6 结语
我们于2008年11月底完成了海河开启桥主墩的聚脲喷涂工作,质量检验全部合格。经过一年多的观测验证,防水效果良好。考虑混凝土防腐、耐久及景观需要,于2010年5月到6月份对其他下部结构混凝土及引桥箱梁混凝土外露表面进行了大面积聚脲涂刷施工,取得了满意的效果。
“一分聚脲,九分施工”,施工设备及人员素质对施工质量起着决定作用。由于大面积涂刷施工期间技术培训不够细致、基底处理不到位、施工人员操作水平等原因,个别喷涂部位出现了外观观感较差、涂刷厚度不均匀等问题造成返工,因此应重视质量控制,加强对施工人员的培训。
摘要:本文以滨海新区海河开启桥施工为例,详细介绍了聚脲弹性体涂料在开启桥混凝土防腐中的应用,以及施工质量控制的注意事项,为相同情况下混凝土的施工提供了可借鉴的经验。
关键词:聚脲弹性体涂,混凝土施工,质量控制
参考文献
[1]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.人民交通出版社,2004.
[2]喷涂聚脲防护材料HG/T3831-2006中华人民共和国化工行业标准.
[3]喷涂型聚脲防护材料涂装工程技术规范.HG/T20273-2011期.
[4]客运专线铁路桥梁混凝土桥面喷涂聚脲防水层暂行技术条件.
[5]王宝柱,黄微波.喷涂聚脲弹性体技术的应用.聚氨酯工业,2000,(1).
聚脲弹性体涂料 篇2
为彻底解决该问题, 在长城汽车推出的“风骏”高端皮卡车上采用了美国皮卡车箱防护的成熟方案——在车箱内侧喷涂一层聚脲弹性耐磨涂料。
1 聚脲涂料的特点
喷涂聚脲弹性体技术 (SPUA) 是美国Texaco化学公司于1991年开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术, 是在聚氨酯反应注射成型 (RIM) 技术的基础上发展起来的, 结合了聚脲树脂的反应特性和RIM技术的快速混合、快速成型的特点, 可在各类复杂形状的表面形成连续的整体涂层。
聚脲涂料固化成型后形成一种类似橡胶的涂膜, 该涂膜具有优异的综合力学性能, 如高拉伸强度、高伸长率、超强耐磨性、优异的弹性、耐候性好、耐冷和热的冲击、对湿度和温度不敏感, 在户外长期使用不粉化、不开裂、不脱落, 环境友好 (近100%的固体分) 、固化快速 (5 s凝胶) 等特点。由于聚脲材料的出色性能, 该技术自1999年在我国投入商业应用以来, 已经在众多工程领域得到了广泛应用。
2 聚脲涂料的组成
聚脲涂料由A、B两组分组成。A组分是由聚醚和异氰酸酯反应生成的异氰酸酯封端的聚醚预聚物。B组分包括端氨基聚醚、端羟基聚醚、多元胺扩链剂、多元醇扩链剂、催化剂、助剂和颜填料等。助剂的主要成分有紫外光吸收剂、抗氧化剂、热稳定剂和分散剂等, 颜填料主要使用钛白粉、碳黑和铁红粉等。
3 聚脲涂料的性能试验和选择
按表1的技术指标对若干种聚脲涂料进行了全面的性能试验, 根据各项试验结果, 选择涂膜综合性能最佳的聚脲涂料。
4 喷涂设备
4.1 设备要求
SPUA涂料的固化速度极快, 对喷涂设备的要求较高, 因为如果没有适当的混合及成型设备, 这一反应是很难控制的。对喷涂设备的基本要求是:a.平稳的物料输送系统;b.精确的物料计量系统;c.瞬时均匀的物料混合系统;d.良好的物料雾化系统;e.方便的物料清洗系统;f.喷涂设备自身有加热、加压和撞击混合功能。
4.2 操作方法
施工时将主机配置的2支抽料泵分别插入A、B原料桶内, 借助主机的高压 (24 MPa) 驱动将原料按A:B为1:1的比例推入喷枪混合室, 经加热装置加热以后, 在喷枪的枪头混合室内经高压对撞混合后喷出 (A、B组分混合原理见图3) , 最后经高压雾化后喷到皮卡车车箱内表面时, 涂料几乎已近凝胶, 5~10 s后, 涂层完全固化。一次喷涂厚度为1.5 mm左右, 总涂膜厚度不限, 为达到规定厚度只需反复喷涂 (隔5 s以上) 。
4.3 对喷涂环境的要求
环境温度≥15℃、相对湿度≤75%、风速为0.3~0.6 m/s、喷漆室保持负压, 车体温度≥10℃ (否则影响附着力) 。
A组分中的异氰酸酯易与潮湿空气中的水反应生成二氧化碳, 若体系中含有水分或环境湿度过大, 则反应生成的二氧化碳气体在涂膜中形成气泡, 会大大影响涂膜的力学性能, 所以要严格控制环境尤其是压缩空气中水分。压缩空气一般要经冷干机干燥和油水分离器后才能使用。
5 工艺流程
面漆完工的皮卡车箱→打磨→擦净→遮蔽→干燥→喷涂施工→卸遮蔽→检验下线。
a.打磨:用400号砂纸干打磨待喷涂区域。
b.遮蔽:用配套的切边胶带纸及遮蔽膜遮蔽车身外表面及不需喷涂的部位
c.擦净:用干净吸水性抹布擦去车厢内表面的灰尘、油污和水迹等, 使表面清洁、干燥。
d.喷涂:喷枪匀速移动, 使涂膜厚度一致、麻面均匀, 连接处涂膜连续无接痕。
e.卸遮蔽:去除遮蔽纸, 拉起切边胶带纸内的细钢丝, 将耐磨弹性涂料膜沿边切成整齐、美观的直边。
f.检验:一般平面涂膜厚度要求≥1.2 mm、垂直面涂膜厚度要求≥0.8 mm。外观要求:麻面均匀一致, 无流挂、漏涂、气泡和明显色差, 边界线平直、整齐, 无明显毛边、锯齿。膜厚和外观合格后下线 (见图4) 。
6 结束语
慢反应聚脲弹性体材料的研究进展 篇3
常规的异氰酸酯与伯胺反应形成的聚脲弹性体凝胶时间小于5 s,1 min可以达到步行强度,且对湿气不敏感,施工时不受湿度和温度的影响,100%固含量。但表观状态差,层间附着力低,对底材的浸润性不好,而且需要使用专门的喷涂设备施工。本文把常规聚脲弹性体定义为快反应聚脲弹性体,凝胶时间大于5 s的聚脲弹性体称为慢反应聚脲弹性体,因此,慢反应聚脲弹性体成为聚脲研究的重要内容和研究方向。本文对国内外慢反应聚脲弹性体的研究进展进行综述,在喷涂聚脲弹性体中,A组份一般采用半预聚物,降低聚脲的反应速率主要是通过改变R组份来进行。
1 仲胺基聚醚
仲胺的位阻效应大于伯胺,电子云密度也与伯胺不同,受这二者的综合影响,仲胺的反应活性约是伯胺的1/20。因此,用仲胺基聚醚代替伯胺基聚醚可以较大程度地降低聚脲的反应速率[2]。采用常用的Hunstman的端胺基聚醚D-230、D-400和D-2000,分别开发出了相应的仲胺基聚醚SD-231、SD-401和SD-2001,其主要性能参数见表1。使用仲胺基聚醚与异氰酸酯反应生成的聚脲有更高的硬度和良好的断裂伸长率。
2 仲胺扩链剂
仲胺扩链剂中活泼氢的空间位阻比伯胺的大,二者电子云的密度也不同,因此,仲胺扩链剂能降低聚脲反应的反应速率。在芳香族聚脲弹性体中,最常用的是Unilink 4200,烟台万华开发出了与Unilink 4200同样的产品Wandalink 6200。Wandalink 6200与异氰酸酯WANNATE 8312的凝胶时间远大于常规聚脲弹性体的凝胶时间(见表2),因此,使用仲胺扩链剂可以延长聚脲弹性体的凝胶时间。
研究表明,在聚脲喷涂体系中加入Unilink 4200扩链剂后可以显著延长凝胶时间,从4 s延长到12 s,聚脲喷涂体系的流动性能和喷涂状态也得到改善。加入Unilink 4200后,聚脲弹性体对基体的浸润性能和聚脲弹性体层间结合力得到提高;聚脲弹性体的表观质量得到优化,材料低温性能好,收缩率降低;同时聚脲弹性体的断裂伸长率和抗冲击性能得到提高,而拉伸强度变化不大[3,4]。
在脂肪族喷涂聚脲弹性体中,常用的仲胺类扩链剂有Huntsman公司的JefflinkTM754及UOP公司的Clearlink 1000。该系列的产品通过优化体系的NCO含量和各组份的配比,可以制得高拉伸强度、高断裂伸长率、高光泽度及凝胶时间长的聚脲弹性体。
由于脂肪族异氰酸酯的反应活性低于芳香族异氰酸酯,选用位阻型胺扩链剂制备的聚脲涂层凝胶时间长达30~60 s,聚脲涂层有良好的流平性,同时抗老化性能得到提高。慈洪涛[5]制备的脂肪族聚脲涂层在25℃时凝胶时间达45 s,喷涂时凝胶时间为12~15 s。脂肪族聚脲涂层有优异的附着力、耐化学药品性、耐腐蚀性和UV稳定性。
3 聚天冬氨酸酯聚脲
聚天冬氨酸酯聚脲是近10年来聚脲工业领域出现的一种新型脂肪族、慢反应、高性能涂层材料,被称为第三代聚脲,凝胶时间从几分钟到数小时。该材料A组份采用HDI三聚体,R组份选用聚天冬氨酸酯,聚天冬氨酸酯是一种脂肪族仲胺,由Zwiener于1990年发现,其原理是应用二烷基马来酸酯与脂肪族伯胺经Michael加成反应制备。通过选用不同的脂肪族伯二胺,可以反应生成不同黏度、活性和当量的聚天冬氨酸酯衍生物[6]。氨基上的1个氢被1个大的取代基团取代而变成仲胺,且仲胺处于空间冠状位阻环境的包围中,从而使反应活性大幅减弱,见图1。
葛喨[7]用异佛尔酮二胺(IPDA)或聚醚胺与马来酸二丁酯反应,催化剂为自制的CH-1,反应温度为55~65℃,反应24h后得到聚天冬氨酸酯。研究了R结构对聚天冬氨酸酯聚脲凝胶时间的影响表明,脂环族的IPDA比由聚醚胺所合成的聚天冬氨酸酯有更长的凝胶时间,也比具有直链结构的脂肪胺NH1220的凝胶时间长。环境温度对聚天冬氨酸酯的凝胶时间有一定的影响,当温度相差20℃时,聚天冬氨酸酯的凝胶时间延长1倍,但对反应速率快的聚天冬氨酸酯的凝胶时间影响不大。研究表明,微量的水分会加速聚天冬氨酸酯反应,缩短凝胶时间。可以通过调节聚天冬氨酸酯聚脲软硬段的含量来调节聚脲材料的力学性能,当硬段含量增加,聚脲材料的拉伸强度和撕裂强度增大,但断裂伸长率下降。
吕平等[8]用二步法合成新型聚天冬氨酸酯:(1)脂肪族伯胺4,4'-二氨基环己基甲烷或3,3'-二甲基-4,4'-二氨基环己基甲烷与马来酸二乙酯进行Michael加成反应;(2)反应(1)的产物与E-51环氧树脂进行加成反应,合成新型聚天冬氨酸酯,合成时间缩短至22 h。将合成的聚天冬氨酸酯与4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯/聚四亚甲基二醇PTMG-1000预聚物反应形成聚脲涂层。研究了合成的新型聚天冬氨酸酯聚脲的微观结构和反应活性,研究表明,形成的聚脲弹性体呈现微相分离的形态,是低活性、高强度的弹性体涂层材料。
刘艳华和孙东成[9]以马来酸二丁酯和己二胺为原料,通过Michael加成反应合成了天冬氨酸酯二聚物(AE);AE与己二异氰酸酯反应制得含末端仲胺和乙内酰脲环的聚天冬氨酸酯聚脲低聚物(PAE);以N-(2-氨基乙基)-2-氨基乙磺酸钠为亲水单体,PAE、异佛尔酮二异氰酸酯、乙二胺为原料,采用丙酮法合成了磺酸盐型聚脲分散体。制得的聚脲分散体具有良好的稳定性,具有低黏度、粒径可调的特征。聚脲分散体为明显球形结构,呈多元粒径分布,有良好的热稳定性。
邹涛等[10]制备的聚天冬氨酸酯聚脲纳米复合材料,当纳米SiO2粒子用量为6%时,复合材料的力学性能达到最佳,这时材料的冲击强度比聚天冬氨酸酯聚脲提高了47%,拉伸强度提高了8%,断裂伸长率提高了20%。
美国专利[11]报道聚天冬氨酸酯聚脲应用混合的固化体系,包括快速固化的聚天冬氨酸酯聚脲与慢固化聚脲的反应,A组份应用高官能团的缩二脲异氰酸酯。该体系聚脲可以在4.4~32.2℃和40%~95%的湿度范围内使用,具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。
国外用醛亚胺或酮亚胺与聚天冬氨酸酯组成R组份,制得的聚脲涂料性能更优异。聚天冬氨酸酯是DESMOPHEN NH1220、NH1420、NH1521、NH1520,PACXP2528或它们的组合物,异氰酸酯选用HDI、IPDI和PPDI的预聚物。制备的聚脲涂层用作飞机机翼和螺旋桨等的保护层[12]。
上海涂料有限公司用马来酸二烷基酯或富马酸二烷基酯与伯胺反应制备聚天冬氨酸酯,伯胺选用聚氧乙烯多元胺或聚氧丙烯多元胺,多异氰酸酯是脂肪族多异氰酸酯。制备的聚天冬氨酸酯聚脲涂层凝胶时间为1.5~2.0 h,有优异的力学性能和防腐性能[13]。
拜耳材料科学股份有限公司用含磺酸酯基团的异氰酸酯做A组份,其中聚天冬氨酸酯如下式所示,X表示n价有机基团,R1和R2表示相同或不同的有机基团,该基团在反应条件下对异氰酸酯呈惰性,n是2的整数倍。制备的聚天冬氨酸酯聚脲有长的适用期且可以快速干燥[14]。
王立平等[15]用二元羧酸酯如马来酸二乙酯,富马酸二乙酯等羧酸酯与端氨基聚醚如D-230、D-400、D-2000和T-5000等伯胺进行Michael加成反应生成聚天冬氨酸酯,反应产物与环氧树脂进一步反应制备新型的聚天冬氨酸酯,用制备的聚天冬氨酸酯可以制备从柔韧性好的弹性体到硬度高的刚性聚脲材料。
4 结语
聚脲弹性体涂料 篇4
现有的喷涂聚脲大多为芳香族聚脲体系,性能优异,但易黄变,应用于装饰要求较高的领域时必须配套相应的面漆,增加了施工工序;而现有的脂肪族聚脲与芳香族聚脲相比,反应速度太快,产品表面状态不理想。本文通过选取合适的仲胺基聚醚和扩链剂,制备了新型脂肪族聚脲弹性体,研究了仲氨基聚醚对预聚物性能的影响,以及扩链剂和异氰酸酯指数对聚脲弹性体性能的影响。
1 实验部分
1.1 主要原料和检测仪器
异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI,当量111),工业级,Bayer公司;异佛尔酮二胺(IPDA,当量85),工业级,Deggusa公司;D2000(当量1 000),工业级,扬州晨化;T5000(当量1 667),工业级,扬州晨化;SD-2001(当量1 000),工业级,Huntsman;Diamine A(当量125),工业级;碳酸丙烯酯(PC),工业级,上海聚豪精细化工有限公司。
主要检测仪器有:TY8000系列电子式万能试验机,江苏江都天源试验机械有限公司;硬度计,上海六菱仪器厂;NDJ-5S数字式黏度计,上海尼润智能科技有限公司。
1.2 A组分的制备
将一定量的多异氰酸酯投入装有搅拌器、温度计、加料口和氮气入口的反应釜,因为此反应相对比较快并且是放热反应,因此开始不需要加热。然后缓慢加入胺基聚醚反应一定时间,温度保持恒定后再缓慢升温至70~80℃,反应3~4 h后出料,第二天测定—NCO的含量。
1.3 B组分的制备
将脱水后的颜填料、助剂以及适量的胺基聚醚在三辊机上研磨,将研磨好的浆料投入反应釜中,加入剩余的胺基聚醚及扩链剂,混合均匀后出料待用。
1.4 喷涂设备及工艺参数
实验所用的喷涂设备是美国Graco公司生产的EXPII主机和Fusion誖AP喷枪。主要喷涂工艺参数为:静压5~6 MPa,物料温度60~70℃,体积比1∶1。
2 结果与讨论
2.1 胺基聚醚对半预聚体性能的影响
由于选用的异氰酸酯单体IPDI的挥发性比较大,因此需要合成异氰酸酯半预聚体才能使用。半预聚物的合成主要采用伯胺基聚醚和仲胺基聚醚,相同分子量的伯胺基聚醚反应性要高于仲胺基聚醚。本实验采用的D2000是伯胺基聚醚,SD-2001是仲胺基聚醚(图1)。IPDI与胺基聚醚的配比对半预聚体中—NCO含量的影响见表1。
图2是通过测试表1不同—NCO含量的半预聚体的黏度而绘制的曲线。通过图2可以看出,采用SD-2001合成的半预聚体的黏度曲线相对比较平缓,而采用D2000合成的半预聚体的黏度随着—NCO含量的增加降低明显,这主要是由不同的胺基聚醚的氢键造成的。图3是伯胺基聚醚和仲胺基聚醚反应合成的半预聚体之间的氢键吸引示例,从图3可以看出,伯胺基聚醚合成的半预聚体IPDI/D2000含有两个氢氧键,较仲胺基聚醚合成的半预聚体IPDI/SD-2001的分子间作用力要大,因此黏度也更大。
图4是半预聚体IPDI/SD-2001的黏度-温度变化曲线,从图4可以看出,在45℃左右时,半预聚体的黏度发生突变,之后黏度的变化相对较小,60℃之后无太大变化。这是由于温度在45℃左右时,半预聚体分子运动加剧,突破了分子间引力,分子间作用力降低,黏度降低;之后由于克服了分子间引力,黏度受温度的变化影响较小,所以变化平缓。
不同胺基聚醚合成的半预聚体制得的聚脲弹性体的物理性能相差不大(表2)。从表2可以看出,由于伯胺基聚醚制得的半预聚体A组分与B组分黏度差别比较大,因此在喷涂过程中容易造成设备压差过大,从而产生混合比例失调,影响产品的质量。压差过大也易造成堵塞喷枪,影响正常施工(喷涂型聚脲弹性体要求两个组分的黏度差在喷涂温度下不能超过200 mPa·s,并且黏度要尽可能接近,这样在高压混合时才能达到理想的混合)。
2.2 扩链剂对聚脲弹性体性能的影响
脂肪族扩链剂的选择对聚脲弹性体的操作性影响比较大,伯胺基扩链剂活性高,反应速度快,产品外观不佳。因此选择一种活性稍低、且对产品质量没有影响的扩链剂非常重要。
图5是仲氨基扩链剂Diamine A的用量对聚脲弹性体伸长率的影响。从图5可以看出,随着Diamine A用量的增加,聚脲弹性体的伸长率逐渐增大,当用量达到20%以上时,伸长率提高明显,所以Diamine A的最佳用量应该在11%~27%。表3是不同扩链剂对聚脲弹性体性能的影响。其中,Diamine A是仲胺基扩链剂,分子结构中一端只有一个活泼氢,与半预聚体反应后形成的分子交联密度较低,因此制得聚脲的伸长率比较高;并且该活泼氢原子因为位阻的原因,反应活性较低,所以制得聚脲的凝胶时间也延长。IPDI是伯胺基扩链剂,分子结构中含有两个活泼氢,与半预聚体反应得到的分子交联密度较大,因此制得聚脲的伸长率较小;同时活泼氢原子的活性高,因此制得聚脲的凝胶时间较短。实际应用中可以根据需要来调节伯胺基扩链剂和仲胺基扩链剂的含量,从而得到适合的配方体系。
2.3 异氰酸酯指数α对聚脲弹性体性能的影响
半预聚体采用—NCO含量为14.7%的IPDI/SD-2001、扩链剂采用Diamine A,研究了异氰酸酯指数α对聚脲弹性体性能的影响。
图6是α值对聚脲弹性体伸长率的影响,从图6可知,α值在1.05~1.10之间时,伸长率有一个突变,并且在α=1.10之后基本不变,这说明α值在1.10时反应相对比较完全(理论上讲,α值为1.00时反应最完全,但是在实际反应过程中,由于B组分中水分的存在以及半预聚体吸收空气中水分从而使—NCO含量降低等原因,选择时α值要稍微偏大一些)。α值对聚脲弹性体拉伸强度的影响同伸长率(图7)。从凝胶/表干时间曲线(图8)可以看出,当α值超过1.10之后,凝胶时间和表干时间仍陆续增大,这是由于当异氰酸酯过量后,没有足够的胺基与其反应,只能通过与空气中的水分以及与脲基反应生成缩二脲,因此表干时间会延长。
3 脂肪族喷涂聚脲弹性体的应用
由于脂肪族喷涂聚脲弹性体具有低温操作性好、对湿度不敏感、施工速度快、耐黄变、耐腐蚀性好等优点,因此其应用范围也在逐步扩大。
3.1 高铁中的应用[5]
由于高铁车辆的行驶速度快、遭遇各种恶劣环境几率高、长期暴露在室外,所以对防水涂层的选择要求很高。脂肪族喷涂聚脲弹性体通过技术改进,在高铁混凝土桥梁防水项目上得到了大量应用。
3.2 桥梁工程中的应用[6]
近年来,由于环境恶化,加上混凝土材料自身的缺陷,使混凝土结构的耐久性出现了一系列的问题。脂肪族喷涂聚脲弹性体在混凝土桥梁和钢结构防腐方面显示了独特的优越性,其优良的物理性能、耐黄变、施工快、受湿度影响小等特点使其在桥梁工程中逐步得到推广应用。
3.3 混凝土底材上的应用
混凝土底材上对涂层产品的保色性、耐冲击性和伸长率具有较高的要求,常用的场合如体育场的露天看台,由于常年暴露室外,人流量大,所以对涂层产品的各种要求就比较高。脂肪族喷涂聚脲弹性体具有施工快的特点,适合大面积施工,几分钟就可以达到步行强度,并且使用期限可以达到30年,能满足看台等对涂层产品的要求。
3.4 木底材上的应用[7]
脂肪族材料在木底材上的应用已经很广泛,但大多都是刷涂型的材料,含有大量的溶剂,对人身和环境的危害比较大。而脂肪族喷涂聚脲弹性体为100%固含量,不会对环境产生污染,并且施工速度快,喷涂后外观较好。
4 结论
本文采用仲胺基聚醚和扩链剂制备了新型脂肪族喷涂聚脲弹性体,研究了仲胺基聚醚对半预聚体组分黏度的影响以及扩链剂、异氰酸酯指数等对聚脲弹性体性能的影响,结果表明:采用仲胺基聚醚可以降低半预聚物的黏度,而在B组分添加11%~27%的仲氨基扩链剂、配方体系异氰酸酯指数α=1.10时可以得到性能较佳的聚脲弹性体产品。脂肪族喷涂聚脲弹性体的应用范围因其性能的不断提高也在不断扩大。
摘要:研究了仲胺基聚醚和扩链剂对脂肪族喷涂聚脲弹性体性能的影响,结果表明,采用仲胺基聚醚可以降低半预聚体的黏度,B组分中添加11%~27%的仲胺基扩链剂、配方体系中异氰酸酯指数α=1.10时可以制得性能较佳的聚脲弹性体。文章最后对脂肪族喷涂聚脲弹性体的应用领域进行了介绍。
关键词:脂肪族,喷涂聚脲弹性体,半预聚体,仲胺基聚醚,仲胺基扩链剂
参考文献
[1]黄微波.喷涂聚脲弹性体技术[M].北京:化学工业出版社,2005.
[2]Angeloff C.Polyaspartics:An aliphatic coatingtechnology for high productivity applications[R].BayerPolymers:LLC,2003.
[3]Squiller E P,Best K E.Polyaspartics for corrosion protectionapplications[R].Development Scientist Bayer MaterialScience:LLC,2007.
[4]詹中贤.反光材料用不黄变聚氨酯弹性体的研制[J].化学推进剂与高分子材料,2010,8(4):52-55.
[5]胡松霞,刘培礼,徐春英.喷涂聚脲技术的最新进展[J].化学推进剂与高分子材料,2010,8(3):23-27.
[6]OD'onoghue M,Garrett R,Datta V J,et al.Windmills-fastproduction schedules with novel zinc primersandpolyaspatices tertopcoats[R].LasVegas,Nevada:Paint andCoatings Expo,2005.
聚脲弹性体涂料 篇5
1 实验部分
1.1 原料与试剂
冰乙酸、硫酸、磷酸:天津市四通化工厂产品,分析纯;1,6-己二胺(HDA):上海凌峰化学试剂有限公司产品,化学纯,使用前在80~90℃真空脱水3 h;4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI):烟台万华聚氨酯股份有限公司产品,工业级,将MDI加热到55℃熔融,然后将液化的MDI抽虑后用上层无色不透明部分;两官能度的端氨基聚氧化丙烯醚(Jeffamine D2000):扬州晨化科技集团有限公司产品,数均分子量为2000,使用前在100℃下真空干燥3 h;N,N-二甲基甲酰胺(DMF):天津市永大化学试剂开发中心产品,分析纯,使用前用无水硫酸镁干燥24 h后减压蒸馏,收集55~56℃/1330 Pa的馏分,然后用4A分子筛干燥备用。
1.2 酰胺扩链剂的合成与表征
在带有搅拌、温度计、滴液漏斗、回流冷凝管的四口烧瓶中加入一定量的1,6-己二胺(HDA),催化剂H3PO4少许,将计量的冰乙酸用滴液漏斗滴加,控制滴速使温度在80℃以下。冰乙酸全部滴加完,将溶液加热回流一段时间,然后蒸馏收集反应产生的水(以理论出水量为基准),冷却结晶。过滤、洗涤,最后在120℃下真空干燥至恒重,彻底去除残留的乙酸。为简单起见,本文将冰乙酸改性HDA的产物命名为MHDA。
MHDA的结构用WQF-510 FTIR仪测定,测试条件为:TGS检测器,4 cm-1分辨率,扫描32次,制样为KBr盐片,扫描范围为4000~400 cm-1;同时用FOSS TECATOR定氮仪测定氮含量;用X-4型数显显微熔点测定仪测定熔点。
1.3 聚脲的合成与表征
将Jaffamine D2000在室温滴加到MDI中后,缓慢升温至80℃反应,直至体系的NCO含量达到理论值,得到端NCO基预聚物,其NCO含量按照ASTM D2572—80测定。将端NCO预聚物溶解在DMF中(ω=0.4),加入计量的HDA或MHDA的DMF溶液(ω=0.25),并在室温下搅拌均匀后倒入聚四氟乙烯模具中,然后在50~60℃下挥发溶剂并继续反应24~36 h,最后在80℃、1 h,110℃、3 h条件下挥发溶剂并继续反应至恒重,得到厚度为1 mm左右的聚脲试样。分别用HDA和MHDA扩链合成了聚脲试样,所有聚脲试样的NCO指数均为1.05。
将小块聚脲试样溶解在DMF中(ω=0.01),将此溶液涂在KBr盐片上,干燥后用WQF-510 FTIR仪测红外光谱。
将聚脲试样按照GB/T 528—1998裁成标准试样,用微机控制电子万能试验机在23℃下测试聚脲的力学性能,拉伸速率为50 mm/min。聚脲的撕裂强度按GB/T 529—1999裁成直角形标准试样,拉伸速率为50 mm/min。
2 结果和讨论
2.1 酰胺扩链剂的合成与表征
2.1.1 酸胺比对MHDA产率的影响
按反应温度140℃、反应时间3 h、催化剂H3PO4用量1.5%(以己二胺质量比计,下同)的实验条件,改变不同的酸胺比(物质的量比,下同)进行反应,得到酸胺比与产率之间的关系如图1所示。
图1表明,随冰乙酸与己二胺配比的增加,产品的产率也随之增加,当酸胺比小于3∶1时,产率上升较快,但超过3∶1后,产率上升较缓慢,考虑到产率和经济投资情况选择酸胺比为3∶1最佳。
2.1.2 反应温度对MHDA产率的影响
按酸胺比3∶1、时间3 h、催化剂H3PO4用量1.5%的实验条件,不同的反应温度与MHDA产率之间的关系如图2所示。
图2表明,随着反应温度的升高,产品的产率明显上升,但同时也看到,随反应温度的升高,料液的颜色逐渐加深,焦化现象严重,且160℃时温度不稳定并有下降的趋势,由此,综合考虑反应温度在150℃左右为宜。
2.1.3 反应时间对MHDA产率的影响
按酸胺比2.5∶1、温度140℃、H3PO4用量1.5%的实验条件,不同的反应时间与产率之间的关系如图3所示。
图3表明,随着反应时间的增加,产率上升,当反应时间小于6 h时,产率上升比较快,大于6 h时,产率上升比较慢,故本文选择最佳反应时间为6 h。
2.1.4 MHDA合成反应的正交实验
大量的单因素实验结果表明,影响反应产率的因素主要有:酸胺比、反应温度及反应时间,故实验安排了3因素3水平L9(34)的正交实验,结果见表1。
从表1极差可以看出,各因素对产品产率均有影响,其中酸胺比的影响最为突出,其影响顺序为A>B>C。最佳合成条件为:酸胺比3∶1,反应温度150℃,反应时间6 h。
2.1.5 MHDA的表征
(1)MHDA的红外光谱分析
首先采用FTIR对MHDA进行表征,图4是MHDA的红外光谱图谱。
从图4可以看到,在1631 cm-1处有很强的吸收峰,对应C=O的伸缩振动,即酰胺Ⅰ带;在3303 cm-1处的谱带是游离N—H的伸缩振动,3066 cm-1处的谱带是形成氢键而缔合的N—H的伸缩振动,均呈单峰,说明为仲酰胺;1535 cm-1处的谱带是N—H的弯曲振动,强度大,特征明显,即酰胺Ⅱ带;1284 cm-1处的谱带是C—N的伸缩振动,即酰胺Ⅲ带。这些特征峰的存在,证明样品具有仲酰胺的特征结构,合成产物符合预期的化学结构。
(2)MHDA氮含量的测定
FOSS TECATOR定氮仪测得MHDA的ω氮为13.86%,己二胺与冰乙酸反应可能有3种产物:H2N(CH2)6NHCOCH3、H3CCOHN(CH2)6NHCOCH3、(H3CCO)2N(CH2)6NHCOCH3,其理论氮含量分别为17.7%、14.0%、11.57%,而实测值为13.86%,与14%接近,确定MHDA化学式为H3CCOHN(CH2)6NHCOCH3。所有这些结果都说明已经成功地合成了MHDA。此外,测得MHDA的熔程为127~128℃。
2.2 MHDA扩链的聚脲红外光谱分析
图5是MHDA扩链的聚脲红外光谱图谱。
从图5可以看到,在3303 cm-1处有很强的吸收峰,对应N—H的伸缩振动;在3066 cm-1和3029 cm-1处的谱带是芳香族的C—H的伸缩振动峰,而出现在2935 cm-1处的谱带是脂肪族的C—H的伸缩振动峰。1597 cm-1处的谱带是苯环上C=C的伸缩振动峰。在1643 cm-1处对应脲羰基的吸收峰,而在1512 cm-1处的谱带是HN—CO—NH的吸收峰。这些特征峰的存在,证明样品具有聚脲的特征结构。
2.3 聚脲的力学性能
表2列出了用2种不同扩链剂制备的聚脲的力学性能,其中由MHDA扩链的聚脲100%和300%定伸应力均低于HDA扩链的聚脲,但撕裂强度差异不大,且MHDA扩链的聚脲的拉伸强度、扯断伸长率要高于HDA扩链的聚脲。
2.4 MHDA扩链的聚脲凝胶时间
Jaffamine D2000/MDI/HDA形成聚脲时的凝胶时间为10.6 s,而在相同条件下,以Jaffamine D2000/MDI/MHDA为扩链剂时形成聚脲的凝胶时间为61.9 s,说明后者可大幅度降低形成聚脲的反应速率,有利于喷涂成型工艺的实施,是一类新型的形成聚脲的胺扩链剂。
3结论
(1)MHDA最佳合成条件为:酸胺比3∶1,反应温度150℃,反应时间6 h,产品的熔程为127~128℃。
(2)FTIR分析及氮含量测试结果表明,合成产物符合预期的化学结构。
(3)FTIR分析表明,以MHDA扩链的聚脲样品符合预期的化学结构。
(4)由MHDA扩链的聚脲100%和300%定伸应力均低于HDA扩链的聚脲,但撕裂强度差异不大,且MHDA扩链的聚脲的拉伸强度、扯断伸长率要高于HDA扩链的聚脲。以MHDA扩链的聚脲能显著延长聚脲的凝胶时间,且有良好的力学性能。
摘要:通过冰乙酸和己二胺(HDA)反应,合成一种新型的酰胺扩链剂二乙酰己二胺(MHDA)。将HDA和MHDA分别与4,4’-二苯甲烷二异氰酸酯反应,制备芳香族聚脲弹性体。与HDA扩链剂合成的聚脲相比,由MHDA合成聚脲的反应速率大大降低,同时显示出较高的拉伸强度和扯断伸长率。研究结果表明,MHDA是制备喷涂型聚脲的新型扩链剂。
关键词:聚脲,异氰酸酯,扩链剂,合成
参考文献
[1]Primeaux D J.Spray polyurea versatile high performance elas-tomer for the polyurethane industry[C]//Polyurethanes89,Pro-ceedings of the SPI32nd Annual Technical/Marketing Confer-ence.San Francisco,1989:26.
[2]Primeaux D J.A study of polyurea spray elastomer system[J].High Solid Coatings,1994,15:2-6.
[3]Primeaux D J.Polyurea spray technology in commercial appl-ications[C]//60Years of Polyurethanes:International Symposium and Exhibition,1997.
[4]Ahmad B,Hassan H,Amir A I.Efficient and rapid synthesis of polyureas and polythioureas from the reaction of urea a nd thiourea with diamines under microwave irradiation[J].Polym.Sci.Part A:Polym.Chem.2004,42(9):2106.
[5]黄微波,王宝柱,陈酒姜,等.喷涂聚脲弹性体技术在我国的发展和展望[J].聚氨酯工业,2002,17(3):6-9.
聚脲弹性体涂料 篇6
为改善喷涂聚脲弹性体技术的上述不足,本研究制备了在分子链上带有羟基的端氨基聚醚,即羟氨基聚醚D2800[1]。羟氨基聚醚D2800的每个分子链上既有两个仲氨基又带有两个仲羟基,相当于四官能度结构。相对于传统的端氨基聚醚D2000而言,D2800中仲氨基的存在使聚脲弹性体的凝胶时间由原来的5~8 s延长到2~3 min;两个仲羟基的存在又能大大提高聚脲涂层对基材和底涂层(如环氧底涂和聚氨酯底涂)的附着力;配合Ethacure100和Unlink 4200等小分子扩链剂,D2800可以制得凝胶时间从几十秒到几分钟的聚脲涂料配方。值得一提的是,该配方既有传统聚脲快速固化的优点,在立体施工面上快速凝胶防止流挂,又能在后续固化时提供足够的时间对基材和底涂层进行润湿从而产生优良的附着力。经与部分高铁聚脲防水工程中标企业的联合应用研究表明[2],采用D2800制得的聚脲弹性体断裂伸长率为450%左右、拉伸强度在20 MPa以上,且耐磨性能优异,完全符合GB/T 23446—2009《喷涂聚脲防水涂料》标准的要求[3],可用于隧道、高铁等国家大型建设项目的防水防护工程。
羟氨基聚醚D2800的推出,极大地改善了原来聚脲涂层存在的附着力、外观流平性差等不足,保留了其绝大部分优点。配方设计人员可以将D2800作为主体树脂使用,也可与原端氨基聚醚搭配使用。
1 实验部分
1.1 主要原材料
聚醚多元醇PPG2000,山东蓝星;MDI-50,烟台万华;羟氨基聚醚D2800(当量600,相对分子质量2 200~2 600),珠海飞扬化工;端氨基聚醚D2000(当量1 000),美国Huntsman公司;Ethacure 100,美国Albemarle公司;Unlink 4200,美国UOP公司。
1.2 工艺简介
1.2.1 A组分的制备
将一定量的MDI-50加入到装有搅拌器、温度计、氮气入口的四口烧瓶中,把计算好的聚醚多元醇PPG2000慢慢滴入到瓶中,控制温度在60~70℃,反应到—NCO含量大约为15%~16%后快速降温,出料。检测出—NCO含量为15.9%。
1.2.2 R组分的制备
将脱水后的颜填料、流平剂、防沉剂及适量的氨基聚醚在三辊研磨机上研磨,将研磨好的浆料投入到反应釜中,加入剩余的氨基聚醚及扩链剂,混合均匀后出料。
1.2.3 喷涂设备及工艺参数
实验所用的喷涂设备是美国Graco公司生产的HV-20/35主机和Fusion GAP喷枪,主要喷涂工艺参数:压力为1 500 mPa·s,物料温度为70℃,异氰酸酯指数为1.05,体积比为1∶1。
2 结果与讨论
2.1 D2800的结构表征
图1是D2800的红外谱图。分析图1可知,在波数为3 454.3 cm-1处有一个单且尖锐的吸收峰,与仲氨基的红外吸收峰相符(仲氨基的吸收峰为3 300cm-1,由于吸电子基团存在,使它向高波数移动)。在波数为1 344.3 cm-1处的吸收峰与羟基吸收峰相符。该红外谱图证实了仲羟基和仲氨基官能团的存在。
2.2 不同配方的聚脲性能比较
表1是不同配方的聚脲弹性体及其性能比较。从表1可以看出,采用D2800制得的聚脲弹性体的拉伸强度和伸长率都与采用D2000制得的聚脲弹性体接近;在与基材、环氧底涂的附着力指标上,采用D2800制得的聚脲弹性体要远远好于采用D2000制得的聚脲弹性体;D2800和D2000混合使用,可以大大提高聚脲弹性体对基材或底涂层的附着力。
D2800分子链上的仲氨基、仲羟基与异氰酸酯反应后,生成脲羰基产物,其分子链之间可以通过氢键紧紧缠绕在一起,分子间的氢键可以提高材料的强度;氢键化程度越高,聚脲涂膜中软链段和硬链段之间的微相分离程度越高,因而强度越高。但与含伯氨基的D2000反应生成的对称脲羰基相比,其氢键化完善程度稍差,因此配方一的拉伸强度略小于配方二,但这种差别不到3%。由表1可知,3个配方的拉伸强度均大大超过国家标准要求的15 MPa。
D2800的理论官能度为4,与异氰酸酯反应后形成一定的交联网状结构,能增加涂膜的交联密度。与采用D2000制得的聚脲涂膜相比,采用D2800制得的聚脲涂膜断裂伸长率略有降低,但能满足国家标准要求的400%。实际上通过调整配方,采用D2800完全可以制得断裂伸长率>600%的聚脲弹性体。
D2800分子链上带有两个仲羟基,部分或全部与异氰酸酯的—NCO基团反应,生成的氨基甲酸酯极性基团和部分残留的羟基共同提供了对基材或底涂层的粘结力,其粘结机理类似于聚氨酯和环氧树脂。因此,采用D2800制得的聚脲弹性体无论是对混凝土、金属基材,还是对环氧或聚氨酯底涂均有非常好的附着力。
2.3 D2800在喷涂聚脲弹性体中的应用特性
羟氨基聚醚D2800与MDI半预聚体反应,除了具有固化速度快、不受潮气影响、成膜物具有和传统喷涂聚脲弹性体相似的力学性能外,还具有如下优点:
1)由于D2800是由仲氨基封端,位阻效应使其与MDI半预聚体反应的凝胶时间延长,改善了流平性能,使喷涂聚脲的现场施工更容易进行。
2)D2800大分子链中含有的仲羟基可与—NCO继续反应,生成氨基甲酸酯基团,其反应速率慢于氨基与—NCO的反应速率,可延长对底涂层或各类基材的浸润时间,增加界面的粘结力。
3)D2800与—NCO反应,其中既有快速固化生成脲羰键的反应,也有稍缓慢的生成氨酯键的反应,前者可避免立面喷涂流挂的现象,后者可为基材或底涂层提供良好的附着力,并且可按化学当量设计成预留一部分羟基基团,以便与基材、底涂、面漆有更好的结合力。该设计可使面涂层中—NCO与下层残留的羟基反应,保证整个涂层为一体,体现更佳的防护和防水性能。
4)聚脲弹性体中加入适当比例的D2800,可以调节涂膜在10~40 s内初始强度的形成速率[2],允许基材空气和湿气及时逸出表面,克服涂膜因过快固化封闭而形成的针眼、气泡等缺陷。
5)喷涂聚脲施工过程中,扩链剂和树脂中的氨基与—NCO在70℃左右反应,放出大量热量,提供羟基和—NCO反应的活化能,使其能快速固化,不易出现像聚氨酯涂料在潮湿环境下的起泡现象。
3 结论
羟氨基聚醚D2800是一类新型聚脲涂料树脂,其结构特点是大分子链上同时含有仲氨基和仲羟基。研究与应用表明,D2800完全可以取代传统端氨基聚醚用于喷涂聚脲弹性体中,能大大增强聚脲涂层对基材或底涂层的附着力,改善聚脲涂层的流平性能。D2800单独或与D2000搭配使用,制得的聚脲弹性体均有优异的力学性能,完全能满足GB/T 23446—2009《喷涂聚脲防水涂料》标准的要求。
参考文献
[1]张余英,罗善锴,曾伟华,等.一种脂肪族羟氨基聚醚及其制备方法:中国,102086263A[P].2009.
[2]王万金,赖振峰,贺奎,等.羟氨基聚醚在喷涂聚脲防水涂料中的应用研究[J].中国建筑防水,2011(4):15-17.
聚脲弹性体涂料 篇7
城市地铁主要由隧道组成,而隧道在高铁和高速公路中也占有相当的比重。以郑西客专、武广客专、石太客专、合宁铁路、广深港高铁、广株城际、甬台温铁路、温福铁路、福厦铁路、合武客专这10条高速铁路为例,合计全长3 204 km,隧道长724 km,隧道平均占全线比重达22.6%。
高铁、高速公路、城市地铁是关系国计民生的重要交通基础设施,是属于难维修甚至是不可维修的设施,应是高性能、高可靠性、高耐久性的,其设计寿命为100年。过去我国铁路公路隧道使用不到30年就成了危隧,不得不进行抢修,这不但给国家造成人力、物力、财力的巨大损失,还会危及人们的生命安全。时代呼唤高性能、高可靠性、高耐久性的新型防护材料,在隧道防水防护的战场上建功立业。本文将着重探讨和介绍聚脲弹性体喷涂技术在隧道防水防护工程中的应用。
1 高铁、高速公路和城市地铁隧道对防水防护材料性能的要求
高铁、高速公路、城市地铁隧道的主体多为混凝土结构,而混凝土结构在使用过程中存在开裂和失强等劣化现象。抗开裂和对开裂的防护是混凝土防护的主要问题。导致混凝土结构劣化,有混凝土的中性化及碳化、盐害、碱性骨料反应、冻害等四大因素。
混凝土是非均质材料,具有孔洞和裂缝。混凝土中的孔洞及裂缝是建筑及基础设施普遍的通病,是其防护的大敌,水和有害物就是经过孔洞和裂缝渗入的。因此,有效阻断水和有害物质的渗透、侵入,是混凝土结构的重要防护手段。混凝土自防水、混凝土表面铺设防水卷材及涂敷防水涂料是混凝土结构的重要防护对策,防水材料的性能是有效防护的关键。
鉴于隧道混凝土结构劣化的原因和防护对策,理想的隧道防水防护材料应具有以下性能。
1)优良的防水渗透性、极低的吸水率,能有效屏蔽水的渗透。
2)良好的防腐性,耐酸、碱、盐(氯离子)等腐蚀介质的侵蚀。
3)与混凝土基材粘结强度高,能实现“皮肤式”防水,防止脱层和窜水。
4)良好的耐久性、耐冷热冲击和冻融循环。
5)优良的耐磨、耐冲击、抗穿刺性。
6)优异的抗混凝土基材开裂性、对基材开裂的防护性(遮盖性)及对基材的修复和补强作用。要求防水防护层有优异的综合力学性能,抗拉强度高、断裂伸长率大、粘结强度高。
7)环保性好,有机挥发物(VOC)符合国家环保规定。
8)工艺性好,施工速度快、周期短、效率高、质量好;可在复杂型面、潮湿基面上施工,既可在迎水面防水,亦可在背水面防水;节点细部施工性好、质量有保证。
9)可靠性、耐久性好,使用寿命长,与隧道使用寿命相匹配。
10)有高的性能价格比,寿命周期费用低,年均防护成本低。
2 新型隧道防水防护材料———喷涂聚脲弹性体涂料
喷涂聚脲弹性体涂料是国外近20年、国内近10年发展起来的一种高反应性、无污染的喷涂技术,它一问世就以其优异的理化性能、优良的工艺性和环保性,充分显示出传统防护技术所不可匹敌的优越性,得到快速发展,广泛应用于建筑、能源、交通、化工、环保等领域,显示出强大的生命力。按照前述隧道防水防护材料性能要求,聚脲是隧道防水防护材料最新理想选择。
2.1 聚脲与常用隧道防水防护材料性能比较
喷涂聚脲弹性体涂料与常用隧道防水防护材料的性能比较分别见表1。从表1可以看出,聚脲在许多方面都比常用隧道防水防护材料具有优势。
1)抗水渗透性
HDPE、EVA和PVC片材本身抗渗性好,但因接缝多、与基层粘结力低,易漏水和窜水,基本上属于“雨衣式”防水。反应型丁基橡胶和自粘性防水卷材,抗渗性好,粘结力≥1 MPa,防水性较好。水泥基渗透结晶型涂料可渗入混凝土内部,形成整体无缝防水层,抗渗能力强。聚脲涂层组织致密,抗拉强度高,断裂延伸率大,整体无缝,粘结力强,是真正的“皮肤式”防水,防水可靠性高。
2)耐高低温性
聚脲与其他材料相比有优异的耐高低温性,能长期耐120℃的高温,又能在-40℃保持低温柔性。HDPE、EVA、PVC是热塑性材料,高温强度低、低温硬脆。
3)抗混凝土开裂性
聚脲有很高的拉伸强度(≥17MPa)、断裂伸长率(≥550%)和粘结强度(≥4 MPa),耐冲磨性、耐穿刺性也很好,还有极好的抗混凝土开裂性和对混凝土开裂的防护性,以及对剥落混凝土结构的修复和补强作用。
抗开裂性(即涂层阻止混凝土开裂的能力),取决于材料的抗拉强度和基层粘结强度的大小。除自粘卷材外,各种卷材和基层的粘结强度都不高,故抗开裂性差。聚脲抗拉强度高,和基层粘结力大,有极好的抗开裂性;而且由于聚脲固化速度快、施工周期短、效率高,故还可用于旧混凝土面的修复和补强。
对混凝土裂缝的防护性(即对混凝土裂缝的追随性)取决于材料的抗拉强度和断裂延伸率的大小。水泥基渗透结晶型防水涂料涂层硬脆,属刚性防水材料,需和柔性防水材料配合使用。HDPE、EVA和PVC片材、丁基橡胶、自粘性防水卷材和聚脲都有很好的对混凝土裂缝的防护性。聚脲抗拉强度最高,断裂延伸率最大,故对混凝土裂缝的防护性最佳。
4)工艺性
HDPE、EVA和PVC片材、丁基橡胶、自粘性防水卷材施工工艺较复杂、效率较低、受人为的因素影响较大,故工艺性相对较差。水泥基渗透结晶型涂料施工工艺简便,可在潮湿基面施工,工艺性较好。聚脲弹性体涂膜1 min表干、10 min实干,固化速度快,可连续厚涂,施工速度快、效率高,可在复杂型面成型,涂层连续无接缝,可背水面、潮湿基面施工,故工艺性最好。
5)成本
就一次性成本而言,丁基橡胶和聚脲成本略高,HDPE和EVA、PVC、自粘性防水基材居中,水泥基渗透结晶涂料较低。就使用年限而言,聚脲使用年限最长;若计算年均成本,则聚脲较低。
因此,在隧道防水防护工程中,选取一次性成本略高,但性能优越可靠、耐久性和维修性好、使用年限长、寿命周期费用低、年均成本低的聚脲弹性体涂料,比其他防水材料更经济。
2.2 聚脲可解决隧道防水防护中采用塑料防水板的一些不足
塑料防水板(HDPE、LDPE、PVC、EVA和ECB)虽有较好的抗拉强度、断裂延伸率及较好的抗渗性,但在隧道防水防护工程中使用,是安装在高低不平(不平度达30 mm)的初期支护(锚喷支护或地下连续墙)壁面上的,与初期支护基面根本不粘结,是典型的“雨衣式”防水,加上接缝多,防水可靠性不是很高。
隧道初期支护堵漏不彻底、抗渗透性差,经过一一段时间的渗水后,在初期支护与塑料防水板之间必然会充满地下水。
塑料防水板虽然可暂时封闭初期支护的渗漏水,为浇注二次衬砌起了临时挡水层的作用,但在浇注二次衬砌时由于施工空间狭窄、施工仓促、钢筋密集,难免会出现塑料防水板被刺破或塑料防水板焊缝被撕开(特别是拱顶部位的焊缝)的情况。而且由于塑料防水板自重过大,施工中有可能会出现塑料防水板下垂和脱落的现象。
一旦塑料防水板破损,地下水会在塑料防水板和二次衬砌之间乱窜,久而久之初期支护和二次衬砌之间长期浸泡在地下水之中,造成塑料防水板失效,而且很难修复。
采用聚合物水泥防水砂浆和喷涂聚脲弹性体组成的复合防水涂层,在初期支护和二次衬砌之间形成刚柔相济的全封闭防水层,可有效阻断从初期支护渗漏过来的地下水,确保二次衬砌不受地下水长期浸泡的困扰,从而根本上解决上述由塑料防水板失效带来的问题,是一个可靠、经济、使用寿命长的方案。
聚合物水泥防水砂浆,与混凝土基面相容性好,粘结强度>1 MPa,可在潮湿基面上施工。在初期支护凹凸不平、犬牙交错的表面上涂敷一层强度高、粘结力强、表面平滑的聚合物水泥防水砂浆涂层,为聚脲涂层的施工创造有利条件。它抗渗能力强(>1.2MPa),可有效阻断初期支护的渗漏水,既为聚脲喷涂创造一个干燥的施工条件,同时也与聚脲一起组成抗渗透性极高的复合防水层。
聚脲和聚合物水泥防水砂浆互相配合,成为隧道防水防护一种新的理想选择。
2.3 聚脲可用于隧道渗漏治理
聚脲不仅可用于新建隧道的防水,还可用于既有隧道的渗漏治理和修复补强。
隧道、地铁的渗漏治理因条件所限一般采取背水面防水,而这是防水卷材无法实现的;聚脲抗拉强度高、断裂伸长率大、粘结力强、抗渗性好,是修复补强的最佳材料。聚脲粘结强度2 MPa以上,可承受200m以上水头的静水压力,目前地铁隧道的水头多数不超过60 m,故聚脲可用于地铁隧道渗漏的背水面维修。
潮湿基面施工也是隧道修复补强中常遇到的棘手问题,传统防水卷材不能用于潮湿基面施工,而聚脲在这方面也有独特优势。聚脲在潮湿基面施工应配备潮湿基面底漆,该底漆渗入混凝土结构的孔洞及裂缝,和其中的水汽反应而固化,封闭孔洞及裂缝,和基材牢牢咬合,并和聚脲防护层牢固粘结在一起。聚脲有防水(防止水渗透)及透汽(即呼吸性)两种功能[1]。潮湿基材透出的水蒸气能透过聚脲层排入大气,避免湿气在聚脲底层聚集,形成鼓泡。
隧道的变形缝、施工缝等是其防水的薄弱环节,有“十缝九漏”之说。聚脲抗拉强度高、断裂伸长率大、粘结强度高,配合合理的设计和精心施工,聚脲对治理变形缝渗漏有独特功效。
综上,聚脲是新一代的隧道防水防护材料,不仅能克服传统塑料防水板应用中的不足,而且还能用于隧道渗漏的背水面治理。
3 聚脲在隧道防水防护工程中的应用实例
3.1 美国波士顿市区的地铁隧道防水工程
该地铁隧道为三节双孔钢筋混凝土沉厢式隧道,全长210 m,单节隧道长70.1 m,宽11.23 m,高7 m。采用沉厢法施工,用聚脲作防水防护材料。
隧道底板用6 mm厚焊接钢板,表面喷聚脲,工艺如下:基面喷砂除锈至2.5级,描纹深度75 mm→用聚合物水泥防水砂浆填补孔洞→滚涂环氧底漆→喷2.5 mm厚芳香族聚脲防护层。
隧道顶板和侧壁混凝土,也用聚脲防护,工艺如下:基面喷砂形成粗糙表面→刮涂环氧腻子填补孔洞及裂缝→滚涂环氧底漆→喷涂2.5 mm厚芳香族聚脲→做7.5 cm厚水泥砂浆保护层。
3.2 美国北卡罗莱纳州高速公路隧道修复工程
该隧道长320 m,高12 m,建于1950年。隧道为建在岩石上的混凝土构筑物,经过半个多世纪的使用,隧道开裂、剥落、渗漏,导致隧道结构严重侵蚀,出现坍塌。采用聚脲进行修复,工艺如下:表面喷砂形成粗糙表面→高压水冲洗→用腻子修补孔洞及裂缝→刷涂底漆→喷涂1.25 mm厚浅黄色聚脲→喷涂0.4mm厚脂肪族聚脲(形成光洁表面,利于清洁和保养)。
3.3 广州地铁4号线7号线连接段隧道试验段防护工程
聚脲试验段共500 m2,防护方案为:聚合物干粉砂浆(高分子益胶泥PA-A)5 mm+聚脲涂层1.2 mm,做到刚柔并济。施工工艺为:清洗基面→堵漏→修整蜂窝麻面→第一次喷涂高分子益胶泥2.5 mm厚→喷射点补,使涂层厚度一致→第二次喷涂高分子益胶泥2.5 mm厚→喷射点补→镘刀抹平→喷涂底漆→喷涂1.2 mm厚聚脲层。
该工程2004年完工,经过5年使用,效果良好。
参考文献