CN107312159A - 一种全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料及其制备方法，由A、B两组份构成，其中A组分由亲水聚醚多元醇、分散剂、硅溶胶、复合催化剂、泡沫稳定剂和水组成，B组为多异氰酸酯。本发明的聚氨酯注浆抬升材料具有较好储存稳定性、较高压缩强度的注浆抬升修复材料，适用于不同地质条件下的抬升修复；当其应用于建筑物或路面地基塌陷的抬升修复时，在满足施工作业需求的同时，能达到快速抬升修复效果。

Description

一种全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料 及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种力学强度较高、综合性能优良的聚氨酯注浆抬升材料及其制备方法。

背景技术

利用聚氨酯注浆发泡，实现地基抬升和修复已被广泛应用于建筑及交通领域，为建筑体及路面的快速修复和安全提供了保障。然而，普通的聚氨酯发泡形成的抬升材料在应用过程中，易发生抬升力不够和修复点再次塌陷等问题。究其原因，一是聚氨酯水发泡过程中形成的抬升材料泡孔不均匀、且强度较低。二是聚氨酯注浆材料发泡空间有限，随着发泡抬升过程中其体积的膨胀，抬升材料受到外部压力越来越大，加速了抬升材料内气体的溢出并促使其泡孔破裂，导致抬升材料强度降低。因此，减少二次塌陷的关键在于：使抬升材料在发泡过程中泡孔均匀减少缺陷；泡沫体快速具有一定强度，减少气体的溢出；减少在受限发泡条件下的泡孔破裂。

传统的增强方法有：表面改性SiO₂增强以及环氧改性增强。这些方法都存在一些缺点：对于SiO₂增强，SiO₂表面接枝率低，SiO₂粒子直接添加到原料中难以分散且分散后稳定性差，易发生沉降分层；SiO₂粒子还易在发泡过程中聚集成大颗粒造成开孔，增加抬升材料缺陷，材料强度降低。对于环氧增强，虽然抬升材料最终强度大幅提高，但是环氧固化速率较低，很难使抬升材料快速达到一定强度；小分子环氧甚至会起到增塑作用使抬升材料长时间处于低强度状态；且A料中的胺类催化剂会催化环氧开环，造成A料粘度增加甚至不能使用，储存周期变短。

发明内容

本发明旨在提供一种全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料及其制备方法，所要解决的技术问题是遴选合适的组分和配比使聚氨酯注浆抬升材料在符合复杂施工条件的情况下，能够快速发泡、抬升、固化，同时具有较高的强度防止二次塌陷。

本发明的全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料，其特点在于，其原料按质量份数的构成为：

优选的，其原料按质量份数构成为：

所述的亲水聚醚多元醇为官能度为3-4、羟值300-500mgKOH/g、粘度100-1500mPa·s的聚醚多元醇中的至少一种。

所述的分散剂为结构如式(1)或式(2)所示的化合物中的至少一种：

式(1)中R为碳原子数大于2的取代基，式(2)中n＝1-10。

所述的硅溶胶粒径10-100纳米、pH＝5-10、二氧化硅含量为10％-40％。

所述复合催化剂由胺类催化剂和金属催化剂组成；

所述的胺类催化剂为结构如式(3)、式(4)或式(5)所示的化合物中的至少一种：

式(3)和式(4)中的R为碳原子数大于1的取代基；

所述的金属催化剂为结构如式(6)所示的化合物中的至少一种：

式(6)中m、n＝0-10。

所述的泡沫稳定剂为具有聚醚-聚硅氧烷结构的硅油。

所述的水为pH＝6-10、硬度低于75mg/L的水。

所述的多异氰酸酯为多苯基多甲基多异氰酸酯，异氰酸根含量30-32％、官能度2.4-2.7。

本发明的全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料的制备方法，是按以下步骤操作：

1)将硅溶胶与分散剂混合均匀，在50-90℃真空除水1-2h，再在100-120℃真空除水1-2h，得到SiO₂分散液；

2)将SiO₂分散液与亲水聚醚多元醇、复合催化剂、泡沫稳定剂和水混合均匀，得到组份A；

4)多异氰酸酯即为组份B；

5)将组份A和组份B混合注浆，控制流速使得组份A和组份B的体积比为1:1.3，即获得全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料。

本发明制备的全水发泡高分散SiO₂原位增强聚氨酯注浆抬升材料是一种具有较好储存稳定性、较高压缩强度的注浆抬升修复材料，适用于不同地质条件下的抬升修复。当其应用于建筑物或路面地基塌陷的抬升修复时，在满足施工作业需求的同时，能达到快速抬升修复效果。具体包括以下特点：

1、良好的分散性及储存稳定性。本发明采用的分散剂可以增加硅溶胶的分散稳定性，从而使得硅溶胶在A料中不会大幅聚集、沉淀与分层。

2、自催化性。本发明采用的分散剂本身就具有催化作用，可以减少甚至不使用催化剂。

3、高压缩强度。本发明泡孔均匀缺陷少，SiO₂粒子和分散剂的双重增强作用，使本发明与常规聚氨酯抬升材料相比，强度明显提升。固化后压缩强度较高，在表观芯密度为80kg/m³时，平行于发泡方向的压缩强度可达0.9-1.3MPa，满足建筑物及路基抬升修复的要求。

4、发泡速率可调节。本发明可在10-30s内起发，30-120s内发泡完全，凝胶化后就失去流动性并立即具有一定的初始强度。

5、发泡倍率可调节。本发明发泡倍率可随配方调整而随之改变，可满足不同使用要求。

6、高填充性。本发明在混合后的一段时间内仍具有流动性，能很好的填充到修复点的缝隙中，形成的抬升材料具有一定的韧性，可适应易形变地基的修补与抬升。

7、环保。本发明以水为发泡剂，ODP值为0，且易得、易存储；同时配方中无易挥发性有机溶剂，闪点高，无毒无害，对人类及环境友好。

8、成本较低。本发明与未改性的全水发泡注浆抬升材料相比，成本明显降低。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明充分利用分散剂对二氧化硅增容作用，增强了硅溶胶与多元醇的相容性从而增强了储存稳定性。

2、本发明充分利用分散剂的高反应活性、反应增强性以及自催化特性，可大幅降低催化剂用量；使得混合浆液在10-30s内发泡，并迅速固化，最终达到0.9-1.3MPa的压缩强度，压缩强度与普通聚氨酯抬升材料相比有明显提高。

3、由于本发明使用了价格低廉的分散剂、大幅降低催化剂的用量，使得材料的生产成本大大降低，解决了聚氨酯注浆抬升材料价格较高的问题，有利于其应用与推广。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

以下实施例所用原料为：

聚醚多元醇1：其中n＝3。

聚醚多元醇2：其中n＝2～3。

聚醚多元醇3：其中n＝2。

泡沫稳定剂：其中m＝9、n＝80、a＝10、b＝12。

复合催化剂：A33与二月桂酸二丁基锡质量比1：1混合而成。

分散剂1：1,2,6-己三醇，其结构为

分散剂2：N-丁基二乙醇胺与甘油质量比1：1混合。

去离子水：实验室自制，pH＝7。

实施例1

本实施例的聚氨酯注浆抬升材料按如下方法制备：

1、室温下，分别称取60份硅溶胶(pH＝6-8，二氧化硅含量30％，粒径10-20nm)、40份分散剂1，倒入反应釜中，在70℃真空除水1h再升高到110℃真空除水1h，得到SiO₂分散液。

2、再向反应釜中加入100份聚醚多元醇2(官能度3.2，数均分子量550，粘度250-450mPa·s)、1.2份复合催化剂、3份泡沫稳定剂和1.2份去离子水，搅拌分散均匀，得到组分A(粘度812mPa·s)。

3、称取130份多异氰酸酯PAPI作为组份B(粘度272mPa·s)。

4、将组份A与组份B按1:1.3的体积比混合后在室温下自由发泡，放置三天后进行相关性能测试。

本实施例制备得到的聚氨酯注浆抬升材料的性能如下：

实施例2

本实施例的聚氨酯注浆抬升材料按如下方法制备：

1、室温下，分别称取60份硅溶胶(pH＝6-8，二氧化硅含量30％，粒径10-20nm)、40份分散剂2，倒入反应釜中，在70℃真空除水1h再升高到110℃真空除水1h，得到SiO₂分散液。

2、再向反应釜中加入100份聚醚多元醇2(官能度3.2，数均分子量550，粘度250-450mPa·s)、0.1份复合催化剂、3份泡沫稳定剂、1.2份去离子水，搅拌分散均匀，得到组分A(粘度721mPa·s)。

3、称取130份多异氰酸酯PAPI作为组份B(粘度272mPa·s)。

4、将组份A与组份B按1:1.3的体积比混合后在室温下自由发泡，放置三天后进行相关性能测试。

本实施例制备得到的聚氨酯注浆抬升材料的性能如下：

实施例3

本实施例的聚氨酯注浆抬升材料按如下方法制备：

1、室温下，分别称取60份硅溶胶(pH＝6-8，二氧化硅含量30％，粒径10-20nm)、20份分散剂1、20份分散剂2，倒入反应釜中，在70℃真空除水1h再升高到110℃真空除水1h，得到SiO₂分散液。

2、再向反应釜中加入100份聚醚多元醇2(官能度3.2，数均分子量550，粘度250-450mPa·s)、0.5份复合催化剂、3份泡沫稳定剂、1.2份去离子水，搅拌分散均匀，得到组分A(粘度761mPa·s)。

3、称取130份多异氰酸酯PAPI作为组份B(粘度272mPa·s)。

4、将组份A与组份B按1:1.3的体积比混合后在室温下自由发泡，放置三天后进行相关性能测试。

本实施例制备得到的聚氨酯注浆抬升材料的性能如下：

实施例4

本实施例的聚氨酯注浆抬升材料按如下方法制备：

1、室温下，分别称取60份硅溶胶(pH＝6-8，二氧化硅含量30％，粒径10-20nm)、40份分散剂2，倒入反应釜中，在70℃真空除水1h，再升高到110℃真空除水1h，得到SiO₂分散液。

2、再向反应釜中加入100份聚醚多元醇1(官能度3，数均分子量480，粘度250-350mPa·s)、0.05份复合催化剂、3份泡沫稳定剂、1.2份去离子水，搅拌分散均匀，得到组分A(粘度801mPa·s)。

3、称取130份多异氰酸酯PAPI作为组份B(粘度272mPa·s)。

4、将组份A与组份B按1:1.3的体积比混合后在室温下自由发泡，放置三天后进行相关性能测试。

本实施例制备得到的聚氨酯注浆抬升材料性能如下：

实施例5

本实施例的聚氨酯注浆抬升材料按如下方法制备：

1、室温下，分别称取60份硅溶胶(pH＝6-8，二氧化硅含量30％，粒径10-20nm)、40份分散剂2，倒入反应釜中，在70℃真空除水1h再升高到110℃真空除水1h，得到SiO₂分散液。

2、再向反应釜中加入50份聚醚多元醇1(官能度3，数均分子量480，粘度250-350mPa·s)、50份聚醚多元醇3(官能度3，数均分子量350，粘度300-400mPa·s)、0.5份复合催化剂、3份泡沫稳定剂、1.2份去离子水，搅拌分散均匀，得到组分A(粘度521mPa·s)。

3、称取130份多异氰酸酯PAPI作为组份B(粘度272mPa·s)。

4、将组份A与组份B按1:1.3的体积比混合后在室温下自由发泡，放置三天后进行相关性能测试。

本实施例制备得到的聚氨酯注浆抬升材料性能如下：

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料，其特征在于，其原料按质量份数的构成为：

2.根据权利要求1所述的全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料，其特征在于，其原料按质量份数构成为：

3.根据权利要求1或2所述的全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料，其特征在于：

所述的亲水聚醚多元醇为官能度为3-4、羟值300-500mgKOH/g、粘度100-1500mPa·s的聚醚多元醇中的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的全水发泡高分散SiO₂原位增强聚氨酯注浆抬升材料，其特征在于：

所述的分散剂为结构如式(1)或式(2)所示的化合物中的至少一种：

式(1)中R为碳原子数大于2的取代基，式(2)中n＝1-10。

5.根据权利要求1或2所述的全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料，其特征在于：所述的硅溶胶粒径10-100纳米、pH＝5-10、二氧化硅含量为10％-40％。

6.根据权利要求1或2所述的全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料，其特征在于：所述复合催化剂由胺类催化剂和金属催化剂组成；

所述的胺类催化剂为结构如式(3)、式(4)或式(5)所示的化合物中的至少一种：

式(3)和式(4)中的R为碳原子数大于1的取代基；

所述的金属催化剂为结构如式(6)所示的化合物中的至少一种：

式(6)中m、n＝0-10。

7.根据权利要求1或2所述的全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料，其特征在于：所述的泡沫稳定剂为具有聚醚-聚硅氧烷结构的硅油。

8.根据权利要求1或2所述的全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料，其特征在于：所述的水为pH＝6-10、硬度低于75mg/L的水。

9.根据权利要求1或2所述的全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料，其特征在于：所述的多异氰酸酯为多苯基多甲基多异氰酸酯，异氰酸根含量30-32％、官能度2.4-2.7。

10.一种权利要求1～9中任意一项所述的全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤操作：

1)将硅溶胶与分散剂混合均匀，在50-90℃真空除水1-2h，再在100-120℃真空除水1-2h，得到SiO₂分散液；

2)将SiO₂分散液与亲水聚醚多元醇、复合催化剂、泡沫稳定剂和水混合均匀，得到组份A；

4)多异氰酸酯即为组份B；

5)将组份A和组份B混合注浆，控制流速使得组份A和组份B的体积比为1:1.3，即获得全水发泡高分散二氧化硅原位增强聚氨酯注浆抬升材料。