低模量聚氨酯弹性体密封防水材料的研制*

2020-04-17刘志张勇贾积恒张彬赵微微

聚氨酯工业 2020年5期

刘志张勇贾积恒张彬赵微微

(1.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司北京 102200)(2.铁科腾跃科技有限公司河北石家庄 052360)

“十三五”期间我国铁路行业保持高速发展，综合考虑路网规划、运营安全舒适以及建设成本等诸多因素,桥梁高架成为我国铁路的主要铺设方式之一。在新建高速铁路中,除少量采用大跨特殊结构外,桥梁多采用预应力混凝土简支结构。简支梁间存在着大量的横向接缝,弹性体密封防水材料成为连接桥梁两端重要的组成部分,可以有效防止污水回流污染支座和梁端表面,实现梁间接缝的防水密封及密封修复[1-3]。

目前新建铁路混凝土桥梁梁端防水装置主要采用橡胶止水带和聚氨酯(PU)弹性体密封防水材料。传统的橡胶止水带普遍出现了防排水胶条脱落、排水通道堵塞等不同程度的病害,丧失梁端防水和排水功能。而发生病害后无法维修更换,成为铁路桥梁桥面防排水工程的一大难题。PU弹性体密封防水材料无支承构造，与混凝土梁端连接方式仅为粘接,整体结构简单,性能优异,安装方便,可维护性强,正逐渐替代传统的橡胶止水带[4-6]。本研究采用预聚体合成工艺,考察了自制色膏、增塑剂及扩链剂对PU弹性体密封防水材料的硬度、拉伸强度和断裂伸长率等性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料及仪器

聚醚三醇330N、聚合物多元醇(POP)3630、聚醚二醇280,佳化化学股份有限公司;二异氰酸酯MDI-100,万华化学集团股份有限公司;复合催化剂(TBL),自制;邻苯二甲酸二辛酯(DOP),山东科兴化工有限责任公司;炭黑FR5500(粒径约13 μm),上海复瑞化工有限公司;一缩二乙二醇(DEG),日本三井化学株式会社;乙二醇(EG)，广州市俱辉化工有限公司;1,4-丁二醇(BDO),天津市中和盛泰化工有限公司;抗氧剂1010,台湾双键化工股份有限公司。以上均为工业级。

CMT4304型电子万能拉伸实验机,美特斯工业系统(中国)有限公司;TIME5420型邵A硬度计,北京时代之峰科技有限公司;STNM-60型研磨混合机,上海市索廷设备有限公司;FS-1100型高速分散机,杭州齐威仪器有限公司;DAC 5000型快速混合机,德国Hauschild公司;831型水分测定仪,瑞士万通中国有限公司。

1.2 实验过程

1.2.1 聚氨酯弹性体组合料的配方及工艺

PU弹性体配方见表1，制备工艺如下:

A组分:取一定量的聚醚330N、聚醚280、DOP至分离式烧瓶,在100～110 ℃、-0.08 ～-0.10 MPa真空脱水2 h,测试水分低于0.02%后降温到70 ℃,加入MDI-100,升温到85 ℃,反应3 h,当测得NCO质量分数低于6.0%时,停止保温,降温到60 ℃以下得到PU预聚体,封闭保存。

表1 双组分聚氨酯弹性体的基本配方

B组分:取一定量的聚醚280、POP3630、扩链剂、抗氧剂1010和自制色膏,在分离式烧瓶内100～110 ℃、-0.08 ～-0.10 MPa真空脱水2 h,测试水分低于0.02%后降温到70 ℃,加入相应量的复合催化剂TBL,搅拌反应0.5 h后封闭保存。

1.2.2 聚氨酯弹性体样片制备及产品要求

按比例称取A、B组分共100 g倒入快速混合分散机样盒中,密闭后高速搅拌1 min,再倒入硫化机的模具内摊平,盖上模盖,在温度120 ℃保温15 min,25 ℃环境条件下放置72 h,裁片测试。

铁路混凝土桥梁用低模量PU弹性体密封防水材料的要求参考TJ/GW 120—2013《铁路混凝土桥梁弹性体伸缩缝暂行技术条件》,具体如下:产品颜色为浅灰或灰色、邵A硬度大于30、拉伸强度大于3 MPa、断裂伸长率大于900%等。

1.3 分析测试方法

拉伸强度和断裂伸长率按GB/T 528—2009的方法裁剪制片,按照GB/T 16777—2008的方法测试;邵A硬度按GB/T 531—2008的方法测定;表干时间按GB/T 16777—2008的方法进行测试。

2 结果与讨论

2.1 色膏对聚氨酯弹性体性能的影响

本研究的PU弹性体密封防水材料以自制的色膏调节颜色。将POP3630和炭黑FR5500以质量比100∶2 进行混合,按不同的工艺自制色膏。固定色膏的质量分数为0.7%,考察了不同制备方式的色膏对PU弹性体样片性能的影响,结果见表2。

色膏1#～3#通过以下方式制得:1#将纯炭黑直接加入到POP中使用搅拌机搅拌;2#将纯炭黑直接加入到POP中使用高速分散机进行分散;3#将纯炭黑和POP预混,然后使用研磨机进行研磨,炭黑粒径由原来的13 μm变为2 μm。

表2 色膏对聚氨酯弹性体性能的影响

由表2可知,由于1#、2#色膏中炭黑粒径未变,仅改变POP和纯炭黑的混合方式,2#PU弹性体密封防水材料力学性能略好,差距较小,但颜色由白灰色变为浅灰色,这是因为高速分散混合比搅拌混合更有利于炭黑在POP中分散相容;而色膏3#使PU弹性体颜色更深,硬度和拉伸强度满足要求,伸长率可达到1 280%,主要是因为炭黑研磨成微细颗粒后数量大幅度增加。因此使用经过研磨处理混合方式的色膏所制备的PU弹性体性能最优。

2.2 增塑剂用量对聚氨酯弹性体性能的影响

增塑剂可以降低PU体系黏度,降低成本。本实验选用极性增塑剂DOP为原料,考察了不同用量的DOP对PU弹性体性能的影响,结果见表3。

表3 增塑剂DOP用量对聚氨酯弹性体性能的影响

由表3可知,随着增塑剂DOP用量增加,PU弹性体表干时间增长,这样可以延长密封防水材料在施工时的可操作时间,更有利于施工,同时PU弹性体的硬度逐渐降低,断裂伸长率逐渐变大。这主要是因为增塑剂DOP在PU弹性体分子链段中起到了滑动的作用,致使硬度降低。当弹性体中DOP质量分数低于7%时,拉伸强度随DOP用量的增加逐渐降低且相差不多,这是由于增塑剂的加入促使PU弹性体的软硬段的微相分离,较高的微相分离使弹性体不随分子链增加滑动而明显降低;当DOP质量分数大于7%时,PU弹性体拉伸强度明显下降[7]。综合考虑,增塑剂DOP质量分数7%时,PU弹性体性能最优,可以满足铁路PU弹性体密封防水材料的设计要求。

2.3 扩链剂对聚氨酯弹性体性能的影响

2.3.1 二醇类扩链剂的选择

本实验考察了扩链剂EG、DEG和BDO对PU弹性体性能的影响,结果见表4。

表4 扩链剂种类对聚氨酯弹性体性能的影响

从表4可知,使用EG为扩链剂制备的PU弹性体的硬度和拉伸强度最大而断裂伸长率最小,这是因为EG的分子链段最短,制备的PU弹性体硬段密度大[8]。DEG扩链制备的PU弹性体硬度和拉伸强度最低,断裂伸长率最大,这是由于DEG分子链中含有醚键,制备的弹性体链段结构易旋转,柔性更好。综合考虑,选用BDO为扩链剂最为合适。

2.3.2 BDO用量对聚氨酯弹性体性能的影响

BDO用量对PU弹性体力学性能影响见表5。