CN105461896B - 一种桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料及其制备方法和使用方法 - Google Patents

一种桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料及其制备方法和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料及其制备方法和使用方法，该材料按质量份计包括：A组分包括多元醇100份、小分子醇10～20份、混合异氰酸酯60～140份；B组分为扩链剂；A/B的质量比为100/24～32。所述多元醇为PTMG或PPG，数均分子量为500～3000。所述混合异氰酸酯为MDI、PPDI、T‑100，T‑80、HMDI、IPDI、HDI等中的两种混合。所述的小分子醇为EG、BDO、DEG、PG、DPG等中的一种或两种混合。本发明材料釜中寿命较长、可操作工艺性好、硬度80±2D，固化后的聚氨酯弹性体材料作为承压支座提高承载性，可减少支座的使用数量，降低桥梁支座的更换频次，提升整个伸缩装置的安全系数。

Description

一种桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料及其制备方法 和使用方法
技术领域
本发明涉及桥梁用聚氨酯弹性体承压支座材料及其制备方法。
背景技术
桥梁伸缩装置是为使车辆平稳通过桥面并满足桥梁上部结构变形的需要，在桥梁伸缩缝处设置的由橡胶和钢材等构件组成的各种装置的总称。按照伸缩体结构的不同，可以分为模数式、梳齿式、橡胶式及异型钢单缝式。随着高等级公路和城市高架桥建设事业的发展，桥梁的长大化得到突破性进展，要求有结构合理、大位移量的桥梁伸缩装置适应这一发展的需要。其中模数式桥梁伸缩装置是近年来发展比较快的一类。伸缩体由中梁钢和80mm的单元橡胶带组合而成的伸缩装置，适用于伸缩量为160-2000mm的公路桥梁工程，其中大部分使用天然橡胶和氯丁橡胶支座。由于大部分的橡胶支座制品都是裸露在大气中，与臭氧直接接触，遭受风吹雨淋，随着单个桥梁规模的不断扩大和桥梁使用安全性要求的不断提高，上述橡胶材料的缺点逐渐呈现出来：一是单个支座的硬度不高，承载力小，在固定承重状态下，需要多个橡胶支座，不但增加了支座成本，更增加了整个伸缩装置的安全风险；二是橡胶材料的耐候性不佳，长时间使用性能下降明显，而且容易发生龟裂。这两个缺点导致由橡胶支座做成的模数式桥梁伸缩装置在实际使用过程中更换频次较高。每一次更换伸缩装置，都要涉及封锁交通、采用大型机械吊装、安装新的支座等过程，社会影响和经济损失均无法计量，加之近年来公路桥梁安全事故频发，更引起人们对桥梁中有机橡胶材料安全使用状态的关注。
专利文献CN103073753A提供了一种高强度橡胶支座的制备方法，但其拉伸断裂强度只有15MPa左右，不能满足安全性越来越高的要求。专利CN202047362U虽然将聚氨酯材料用于桥梁支座，但是该类型的桥梁支座需要在聚氨酯弹性板上粘接滑动耐磨层才能形成一体结构。高硬度聚氨酯弹性体独立使用于桥梁支座替代传统的橡胶类支座材料未见报道。高硬度聚氨酯弹性体的制备主要采用预聚法，通过提高硬段含量提高弹性体硬度。提高硬段含量即必须增加异氰酸酯及扩链剂的用量，一般来说高硬度聚氨酯弹性体的预聚体具有较高的NCO含量。NCO含量越高，预聚体扩链时的凝胶时间越短。试验表明，一般情况下，要制备硬度大于邵D 75的聚氨酯弹性体，NCO质量分数应高于10％，而这种高NCO含量体系的凝胶时间小于1min。陈海良等(陈海良；张芳；孙青峰等.聚醚型高硬度聚氨酯弹性体的研制，《聚氨酯工业》，2003，18(4)：22～24)采用一步法生产硬度为邵D 60-80的弹性体，由于A组分为聚醚多元醇，在存放过程中容易吸潮而导致制品发泡，需要加入吸水剂进行处理，工艺复杂。贾卫民等(贾卫民，冯振刚.高硬度聚氨酯弹性体的研制，科技情报开发与经济，2005，1：128～129)以1，4-丁二醇为扩链剂，采用高硬段质量分数的方法，可使硬度达到邵D 75。但这种方法会引起两方面问题：一是提高硬段含量会加快反应速度，固化速度过快，手工无法操作；二是由于反应速度过快，反应放热集中，在数秒内温度剧烈上升、凝胶，加剧了交联副反应，损失了部分主链反应的机会，造成强度下降，材料变脆。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料，该材料釜中寿命较长、操作工艺性好、硬度高。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种该材料的制备方法。
本发明要解决的第三个技术问题是提供一种该材料的使用方法。
一种桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料，由预聚体组分(A组分)、扩链剂组分(B组分)组成，按质量份计包括：
(1)A组分：
多元醇 100份
小分子醇 10～20份
混合异氰酸酯 60～140份
(2)B组分：扩链剂
A/B的质量比为100/24～32。
所述多元醇为聚四氢呋喃多元醇(PTMG)或聚环氧丙烯多元醇(PPG)，数均分子量为500～3000，优选分子量650～1000。所述混合异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、对苯二异氰酸酯(PPDI)、甲苯二异氰酸酯(T-100，T-80)、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)等中的两种混合。优选异氟尔酮二异氰酸酯与甲苯二异氰酸酯混合，质量比为1∶1～1∶1.9。所述的小分子醇为乙二醇(EG)、1，4丁二醇(BDO)、二乙二醇(DEG)、1，2-丙二醇(PG)、二丙二醇(DPG)等中的一种或两种混合。
扩链剂为二邻氯苯胺甲烷、二甲硫基甲苯二胺，二乙基甲苯二胺、2，4-二氨基-3，5-二甲硫基氯苯、2，4-二氨基-3甲硫基-5丙基氯苯中的一种或两种的混合。
本发明所述的材料中还可加入助剂，如由抗氧剂245、抗氧剂1076、抗氧剂1010、紫外吸收剂UV101、紫外吸收剂328、紫外吸收剂329、光稳定剂292、助抗氧剂聚亚磷酸酯、助抗氧剂亚磷酸三苯酯中按抗氧剂/紫外吸收剂/光稳定剂/助抗氧剂＝1/1/1/1的质量比复配而成的助剂。助剂的优选用量为聚氨酯弹性体质量的0.5％。
一种高硬度桥梁用聚氨酯弹性体承压支座材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)A组分的制备：将计量的多元醇加入反应器中，在100～110℃脱水后降温至40～50℃，加入一种异氰酸酯，在氮气保护下在80～85℃反应2h后，降温至60℃加入小分子醇和另外一种异氰酸酯，在80～85℃继续反应2h，真空脱泡，降温出料，密封保存。
(2)B组分的制备：室温下为液体的扩链剂可以直接使用，固体胺类的扩链剂加热熔化后，按照相应比例混合均匀后加热保持为液体状态备用。
材料中如使用助剂，助剂可按以下方法制备：按抗氧剂/紫外吸收剂/光稳定剂/助抗氧剂＝1/1/1/1的质量比加热至100℃左右融解混合均匀后，将复配的助剂密封保存备用。
桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料的使用方法：A组分温度控制在80～85℃，模温100～110℃，B组分温度90～120℃，助剂常温使用。将A/B按质量比100/24～32，选择性加入助剂，混合均匀后脱气浇注入模具，3-4min凝胶，20～25min脱模，100～120℃后硫化16～24h取出，室温放置7天后测试性能或使用。测试结果见表2。
本发明材料釜中寿命较长、可操作工艺性好、硬度80±2D，固化后的聚氨酯弹性体材料作为承压支座提高承载性，可减少支座的使用数量，降低桥梁支座的更换频次，提升整个伸缩装置的安全系数。
本发明采用两种异氰酸酯组合使用，通过预聚法生产工艺且通过两步反应、分批加料，降低了预聚体的粘度，解决了生产高硬度聚氨酯制品工艺过程复杂，粘度大，可操作时间短(小于1min)的问题。通过小分子醇和多元醇组合，提高了材料的硬度，同时保持一定的脆性温度。该发明所制备的材料的热空气老化以及耐水解老化15天拉伸强度保有率大于95％，材料的脆性温度≤-50℃。本发明制得一种釜中寿命较长、操作工艺性好、硬度高、耐老化的适于桥梁用承压支座的高硬度聚氨酯弹性体材料。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步说明。承压支座的内嵌铁件采用Q235-A钢材质。圆环和底板通过满焊连接，焊接后需去焊渣，打磨毛刺，表面粗糙度为3.2。其尺寸应符合表1要求。
表1内嵌铁件尺寸要求
名称 尺寸(mm)
铁件厚度 5～6
铁件上直径 55.3～55.6
铁件下直径 45.3～45.6
实施例1
A组分：将400g PPG(数均分子量2000)，在100～110℃，真空度0.1MPa下脱水2h后，降温至50℃加入112gIPDI在氮气保护下在80～85℃反应2h，降温至60℃再加入20g丁二醇、20g二丙二醇和157g甲苯二异氰酸酯T-80在80～85℃继续反应2h得到预聚体组分。
B组分：二甲硫基甲苯二胺
承压支座的制备：将A、B组分按100/24.2的质量比，加入0.62g的由抗氧剂1010/紫外吸收剂328/光稳定剂292/聚亚磷酸酯复配的助剂混合后脱气扩链，浇注承压支座和样片。承压支座放置7天后可使用，样片性能测试结果见表2。
实施例2
A组分：将400g PPG(数均分子量1000)在100～110℃，真空度0.1MPa下脱水2h后，降温至50℃加入200gHMDI，氮气保护下在80～85℃反应2h后降温至60℃再加入50g二乙二醇和200g甲苯二异氰酸酯T-100在80～85℃继续反应2h得到预聚体组分。
B组分：二邻氯苯胺甲烷和二甲硫基甲苯二胺按摩尔比2∶1的混合物。
承压支座的制备：将A组分与B组分按100/28.2的质量比，加入0.64g由抗氧剂245/UV101/光稳定剂292/聚亚磷酸酯复配而成的助剂混合后脱气，浇注承压支座和样片。承压支座放置7天后可使用，样片性能测试结果见表2。
实施例3
A组分：将400g PTMG(数均分子量1000)在真空度0.1MPa下脱水2h后，降温至50℃加入150gHDI，氮气保护下在80～85℃反应2h后降温至60℃，再加入55g乙二醇和250g甲苯二异氰酸酯T-100在80～85℃继续反应2h得到预聚体组分。
B组分：二邻氯苯胺甲烷和二甲硫基甲苯二胺按摩尔比1∶1的混合物。
承压支座的制备：将A组分与B组分按100/27.2的质量比，加入0.63g由抗氧剂1076/紫外吸收剂329/光稳定剂292/聚亚磷酸酯复配而成的助剂混合后脱气扩链，浇注承压支座和样片。承压支座放置7天后可使用，样片性能测试结果见表2。
实施例4
A组分：将400g PTMG(数均分子量650)在100-110℃，真空度0.1MPa下脱水2h后，降温至50℃加入190gIPDI，氮气保护下在80～85℃反应2h后降温至60℃，再加入78.6g丙二醇和353g甲苯二异氰酸酯T-100，在80～85℃继续反应2h得到预聚体组分。
B组分：二邻氯苯胺甲烷
承压支座的制备：将A组分与B组分按100/30.2的质量比，混合后脱气，浇注承压支座和样片。承压支座放置7天后可使用，样片性能测试结果见表2。
表2弹性体材料的性能
表3模数式伸缩装置中使用的承压支座物理机械性能要求
备注：表2和表3分别为聚氨酯弹性体承压支座和传统的橡胶类支座材料的性能对比，可以看出聚氨酯弹性体承压支座材料相对于橡胶材料具有明显优势。

Claims (6)

1.一种桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料，由预聚体组分(A组分)、扩链剂组分(B组分)组成，按质量份计包括：
(1)A组分：
多元醇 100份
小分子醇 10～20份
异氰酸酯 60～140份
(2)B组分：扩链剂
A/B的质量比为100/24～32；
所述多元醇为聚四氢呋喃多元醇(PTMG)或聚环氧丙烯多元醇(PPG)，数均分子量为500～3000；所述异氰酸酯为对苯二异氰酸酯(PPDI)、甲苯二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)中的两种；所述的小分子醇为乙二醇(EG)、1，4丁二醇(BDO)、二乙二醇(DEG)、1，2-丙二醇(PG)、二丙二醇(DPG)的一种或两种混合；
扩链剂为二邻氯苯胺甲烷、二甲硫基甲苯二胺，二乙基甲苯二胺、2，4-二氨基-3，5-二甲硫基氯苯、2，4-二氨基-3甲硫基-5丙基氯苯中的一种或两种的混合；
由以下方法制备：
(1)A组分的制备：将计量的多元醇加入反应器中，在100～110℃脱水后降温至40～50℃，加入一种异氰酸酯，在氮气保护下在80～85℃反应2h后，降温至60℃加入小分子醇和另外一种异氰酸酯，在80～85℃继续反应2h，真空脱泡，降温出料，密封保存；
(2)B组分的制备：室温下为液体的扩链剂直接使用，固体胺类的扩链剂加热熔化后，按照相应比例混合均匀后加热保持为液体状态备用。
2.根据权利要求1所述的桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料，其特征是所述异氰酸酯为异氟尔酮二异氰酸酯与甲苯二异氰酸酯，质量比为1∶1～1∶1.9。
3.根据权利要求1所述的桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料，其特征是其中还加有助剂，所述助剂是由抗氧剂245、抗氧剂1076、抗氧剂1010、紫外吸收剂UV101、紫外吸收剂328、紫外吸收剂329、光稳定剂292、助抗氧剂聚亚磷酸酯、助抗氧剂亚磷酸三苯酯中按抗氧剂/紫外吸收剂/光稳定剂/助抗氧剂＝1/1/1/1的质量比复配而成的助剂。
4.根据权利要求3所述的桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料，其特征是助剂的用量为聚氨酯弹性体质量的0.5％。
5.一种制备权利要求1～4之一所述的桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料的方法，包括以下步骤：
(1)A组分的制备：将计量的多元醇加入反应器中，在100～110℃脱水后降温至40～50℃，加入一种异氰酸酯，在氮气保护下在80～85℃反应2h后，降温至60℃加入小分子醇和另外一种异氰酸酯，在80～85℃继续反应2h，真空脱泡，降温出料，密封保存；
(2)B组分的制备：室温下为液体的扩链剂直接使用，固体胺类的扩链剂加热熔化后，按照相应比例混合均匀后加热保持为液体状态备用。
6.一种权利要求1～4之一所述的桥梁用高硬度聚氨酯弹性体承压支座材料的使用方法，包括以下步骤：
A组分温度控制在80～85℃，模温100～110℃，B组分温度90～120℃，助剂常温使用；将A/B按质量比100/24～32，选择性加入助剂，混合均匀后脱气浇注入模具，3-4min凝胶，20～25min脱模，100～120℃后硫化16～24h取出，室温放置7天后测试性能或使用。
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