双组份聚氨酯发泡胶配比及性能研究
伍杰 胡力 徐国成 戴天彤 杜雪松
【摘?要】针对目前沥青路面裂缝难于根治的难题，以及现有裂缝修补材料的性能缺陷，本文制备了一种新型的双组份聚氨酯发泡胶材料，通过室内试验对材料的组成、配比及性能进行了详细研究，尤其对发泡剂的种类和用量进行了仔细筛选，研究得到的聚氨酯发泡胶粘结性能优秀、发泡率适中，有望在道路裂缝修补领域推广应用。
【关键词】聚氨酯;发泡胶;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
路面裂縫是我国道路最常见的病害之一，裂缝形成初期对道路危害和功能影响并不大，但是若不及时治理，路面的杂质和雨水等便会沿着裂缝进入道路内部，造成路面二次病害，如叽浆、坑槽、脱空等，既影响行车舒适性又影响道路使用寿命。目前我国在裂缝修补方面主要通过灌缝和表面填缝方法进行修补，常见的裂缝修补材料主要有普通基质沥青、乳化沥青、纤维沥青、改性沥青、橡胶沥青密封胶、灌缝胶、抗裂贴等，研究发现这些材料几乎都存在与旧路面粘结强度不足的问题，且由于这些材料的弹性形变能力差，不能与旧路面的形变协调性保持一致，通常在修补后不久便再次出现开裂等问题，导致修补失效。这些传统的裂缝修补材料和技术并不能彻底根治路面裂缝病害，由此可见，新型的高性能裂缝修补材料亟待开发。由于聚氨酯发泡胶优异的弹性和高粘性，被广泛应用于建筑、交通、煤矿等领域。鉴于笔者在聚合物路用材料方面的研究基础，本文制备了一种新型的双组份聚氨酯发泡胶，并对材料的组成、配比和力学性能进行了详细研究，发现其具有用作路面裂缝修补材料的应用前景。
2. 原材料及试验方法
2.1?原材料。
（1）本文采用油性的双组份聚氨酯为主要原材料，其中A组分为聚醚多元醇混合物（羟基组分），B组分芳基异氰酸酯混合物（异氰酸酯组分），A、B两组分在室温条件下均为液态，双组份的物理参数见表1。需要注意的是，B组分需避光干燥保存，否则容易固结成块。使用时只需将A、B两组分按比例混合，并加入一定量的发泡剂拌和后，既可自发反应、自然固化，整个过程都在室温条件下进行，无需加热，操作方便，且无挥发性有机气体释放，节能环保。
（2）试验中使用的其他试剂均为化学纯试剂，水为蒸馏水。
2.2?试验方法。
本文主要通过测试固化材料的粘结强度和发泡率来分析评价聚氨酯发泡材料的性能。
（1）粘结强度测试方法。
粘结强度通过数显拉拔仪进行测试，将聚氨酯材料均匀涂抹于边长为5cm的正方体试件表面，然后与长方体试件粘结成拉拔试件，待自然固化后进行测试，拉拔试件及试验装置如图1所示。
（2）发泡率测试方法。
参照标准“JC/T 2041-2010 聚氨酯灌浆材料”中的方法进行发泡率测试，但由于我们的材料为双组份材料，故将试验方案调整为：在带刻度的1000ml干燥容器中，先将A、B组分和发泡剂搅拌反应，将他们的体积之和计为试样体积数V1，停止发泡后加水至1000ml刻度，记录加水的体积数V2。则试样发泡率S的计算公式如下：
S=1000-V1-V2V1×100%
式中S为试样发泡率，用百分数表示（%）;V1为试样的体积，单位为毫升;V2为第二次加水的体积，单位为毫升。
3. 试验研究及结果分析
3.1?发泡剂的筛选。
（1）聚氨酯的发泡分为物理发泡和化学发泡两种方式，物理发泡主要是通过聚氨酯反应过程中放出的热量使低沸点物质气化膨胀而发泡;化学发泡是在体系中加入能够与异氰酸酯反应的物质，这类物质通常含有活泼氢原子，能够在聚氨酯交联反应的同时与异氰酸酯组分反应生成二氧化碳气体，从而实现材料的发泡膨胀。
（2）本文采用了物理发泡和化学发泡两种方法进行聚氨酯发泡研究，共选取5种化合物开展试验，分别是二氯甲烷、环戊烷、水、甲醇和乙醇，前面两种为物理发泡剂，后面三种为化学发泡剂。在发泡剂筛选试验中试验采用A组分：B组分：发泡剂=1：1：0.02（体积比）的配方比例进行试件制作，试验发现两种物理发泡剂几乎都不能使材料发生明显的发泡现象，故未做下一步研究。材料的粘結性是材料工程应用的基础，因此，将水、甲醇和乙醇三种化学发泡剂拌和后制成拉拔试件（图2），研究不同发泡剂对聚氨酯材料粘结性能的影响，试验结果见图3。
（3）从图2可以看出，从左至右的三个试件发泡率依次降低，即三种化学发泡剂的发泡能力为：水>甲醇>乙醇，与三种物质活泼氢的活性高低顺序一致，说明活性高的化合物更易与异氰酸酯B组分反应而发泡膨胀。结合图3的粘结强度测试结果分析，发现水做发泡剂时，材料的粘结性能最佳（1.012MPa），因此试验选择了水作为该聚氨酯的发泡剂进行后续研究。虽然甲醇做发泡剂时材料的粘结强度与水做发泡剂时相当，但是甲醇是一种挥发性有毒物质，且成本比水高，故未对甲醇开展后续研究。
3.2?发泡剂用量的筛选。
（1）水作为一种化学反应型聚氨酯发泡剂，用量的多少将直接影响材料力学性能和发泡率。当用量较低时，有效的发泡反应减少，会导致材料的发泡率较低;当用量过高时，会消耗过多的异氰酸酯组分，导致羟基组分和异氰酸酯组分的比例失衡，且发泡率过大形成蓬松的影响材料固化后的各项性能。因此，需要对水的添加比例进行详细研究。试验仍然固定A、B组分的配比为1：1（体积比），分别研究水添加量为0%、1%、2%、3%、4%、5%条件下材料的粘结强度和发泡率，试验结果见图4。
图4?水用量对粘结强度和发泡率的影响
图5?A、B组分配比对粘结性影响研究
（2）试验操作过程发现，随着水的用量增加，发泡反应的剧烈程度呈线性增加趋势，但是从图4的测试结果发现，材料的发泡率随水的添加量呈先增加后降低的变化趋势。分析原因可能是因为水的用量较低时，反应形成闭合孔洞，生成的二氧化碳都包裹在材料内部，因此测得的发泡率随水的添加量增加而增加;当水的用量超过3%后，材料发泡反应过于剧烈，因产生的二氧化碳气体过多而溢出，形成开口的孔洞，故用本试验方法测试发泡率时，试验中二次加水沿开口孔洞进入材料内部，导致测得发泡率呈下降趋势。
（3）材料粘结强度呈先增加后降低的趋势是因为水是比A组分更活泼的羟基化合物，少量水的加入能够快速引发A、B组分的反应，且材料的发泡率比较适中，因此在水的添加量小于2%时，材料粘结强度随水的添加呈增加而增加。当水的添加量大于2%后，材料发泡反应过于剧烈，形成蓬松的孔隙结构，使材料与试件的有效接触面积减少，故水的添加量大于2%之后材料的粘结强度随水用量的增加而呈现下降趋势。综上，研究得出水的最佳添加用量为2%，此时材料的粘结强度和发泡率都较好。
3.3?聚氨酯AB组分配比研究。
（1）将发泡剂的成分和用量确定后，研究了聚氨酯A、B组分配比变化对材料性能的影响。固定2%的水为发泡剂，制备A、B组分配比分别为2：1、1.5：1、1：1、1：1.5、1：2的几种拉拔试件进行性能的测试，测试结果见图5。
（2）通过表1中的数据可以计算得出A、B组分的理论最佳配比为1：1，但是从图5的测试结果发现，随着异氰酸酯B组分用量的增加，聚氨酯发泡胶的粘结强度几乎呈线性增加趋势。分析原因可能是因为，当B组分用量低于A组分时，随着B组分的用量的增加，A、B组分间的反应逐渐充分，富余的A组分逐渐减少，故粘结强度随B组分用量的增加而增加;当B组分用量大于A组分时，A组分先与B组分反应生成聚氨酯树脂，而剩余的B组分进一步与环境中的水反应生成聚脲化合物，故体系的粘结强度仍然随B组分用量的增加而增加。但是聚脲化合物属于比较脆性的高聚物，导致材料容易脆裂，影响材料的耐久性，故选择A：B=1：1为该聚氨酯发泡胶的最佳使用配比。
4. 结论
本文研究制备了一种新型的双组份聚氨酯发泡胶材料，结合材料的粘结性能和发泡率对材料的组成、配比及性能进行了详细研究，结论如下：
（1）该材料不适合物理方法发泡方式，容易与活性氢化合物反应发泡，研究发现2%的水可以使材料有效发泡并得到较好性能的聚氨酯发泡胶。
（2）对A、B组分和发泡剂配比进行详细研究后得出该聚氨酯发泡胶的最佳使用配比为A：B：水=1：1：2%。
（3）本文研究的聚氨酯发泡胶粘结性能优秀、发泡率适中，与无机添加剂混合后，有望用于沥青路面裂缝或非开挖修补领域。
