CN107513146A - 形状记忆聚氨酯基复合材料水泥路面嵌缝料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种形状记忆聚氨酯基复合材料水泥路面嵌缝料制备方法，属于水泥路面嵌缝技术领域，解决目前水泥路面嵌缝料强度低、易老化、抗裂性差、形状记忆效应差、形状回复力小等问题。首先根据一定配比制备二氧化硅纳米颗粒改性形状记忆聚氨酯，倒入磨具制备出所需形状；其次在高于其相变温度条件下对样品施加外力荷载，从而赋予其形状记忆性能；最后，表征已预形变后的形状记忆聚氨酯材料的各项性能，确定其最佳配比，在不影响聚氨酯形状记忆性能的基础上，改善其抗老化性、化学稳定性较差的不足，增强其力学性能，拓宽形状记忆聚氨酯实际应用范围。本发明所制备的材料主动适应路面宽度变化，增加其抗老化性能和稳定性，提高水泥路面服务品质。

Description

形状记忆聚氨酯基复合材料水泥路面嵌缝料制备方法

技术领域

本发明是一种形状记忆聚氨酯基复合材料水泥路面嵌缝料制备方法，属于水泥路面嵌缝料技术领域。

背景技术

形状记忆聚合物(SMP)作为一种继形状记忆合金和形状记忆陶瓷之后的新型形状记忆材料，可以在特定温度下保持暂时形态并通过感应外部刺激(如光、湿度、辐射、温度、磁场等)回复至其原始形态，具有变形量大、赋形容易、形状响应温度便于调整、且具有质轻价廉、抗锈蚀、运输方便等优点，广泛应用于医疗器械、电子通讯、智能纺织材料、建筑以及航空航天等领域。形状记忆聚氨酯根据其刺激方式可分为热致型、水致型、光致型、电磁致型。其中，由于具有激励形式简单、响应速度迅速、可回复形变量大等优点，热致型形状记忆高分子材料受到最广泛和深入的研究。

形状记忆聚氨酯是热致型形状记忆聚合物的典型代表，由软段和硬段两部分组成，其中硬段由异氰酸酯和小分子扩链剂组成，分子链呈刚性，易形成氢键，具有较高的玻璃化转变温度，使聚氨酯材料具有较高的强度、模量和耐热性，从而作为固定相，固定着软段；而软段一般由聚酯或聚醚类多元醇组成，提供聚氨酯材料柔韧性，从而作为可逆相使形状记忆聚氨酯具有原始形态。在热力学上，通过温度的转变，软段和硬段发生微布朗运动而形成两相之间的构象熵驱动形状记忆效应，而分子段在形状记忆回复过程中由暂时预设形态过渡到自由蜷曲的分子状态，整个过程是一个伴随熵增的自发过程。

近年来，形状记忆聚合物得到广泛研究，但是仍然存在明显的缺点，存在模量小、强度低、回复力小等力学性能不足，热力学性能较差等缺点，这些大大限制了形状记忆聚合物的应用。许多研究表明，通过在形状记忆聚合物材料中添加增强材料，即使是少量的添加也可以增强SMPs的力学性能，从而制备的形状记忆聚合物基复合材料(SMPC)在其刺激响应机理、形状记忆效应等方面越来越受到广泛关注。常用的SMPC增强相有纤维、颗粒和两者共用的三大类填料。在众多颗粒材料中，纳米SiO2是重要的无机新型颗粒填充材料之一，具有粒径小、比表面积大、表面吸附力强、表面能大、化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特殊的性能，以及优越的稳定性、抗老化性等优点。

为有效控制水泥路面面板的温度应力，减少由伸缩、翘曲变形而对路面面板产生的损坏，应在水泥路面结构上设置各种接缝，并采用嵌缝材料对接缝进行密封，以保持路面的整体性、平顺性和密水性，提高水泥路面的耐久性要求。接缝作为水泥路面中重要的组成部分，同时也是路面结构中最薄弱、最易损坏的环节之一。延长嵌缝料的使用寿命、提高嵌缝料密封效果和增强水泥路面行车的舒适性，是长期困扰水泥路面的嵌缝技术难题。

按材料类型划分，可以将嵌缝料分为沥青基、树脂类、塑料类、橡胶类。沥青基嵌缝料是一种技术标准较低的嵌缝料，其中包括各种改性沥青、沥青玛蹄脂、乳化沥青和热沥青等，虽其弹性、粘结性、耐久性和抗硬物嵌入性较差，但其制备成本低廉，所以在较多低等级的水泥混凝土路面工程中依旧得到广泛的使用；树脂类嵌缝料属于技术性能高档的嵌缝料，以硅树脂、环氧树脂以及聚氨酯等材料，由于力学性能不稳定，容易发生脆裂，耐久性受到限制；塑料类嵌缝料主要以塑料为主，通过掺入大量填料包括聚乙烯胶泥，聚氯乙烯胶泥等，由于其硬度不高，对砂石等硬物的嵌入抵抗力较差，不能得到广泛使用，较多使用于机场跑道等工程；橡胶类嵌缝料以改性橡胶、氯丁橡胶或者沥青橡胶为基材，但由于其粘结性能不足，接缝很容易出现开裂等病害并无法恢复，从而失去其密封作用，减少了道路使用寿命。

可见，目前嵌缝料难以完全满足水泥路面使用性能要求，存在抗老化性能较差、化学稳定性不足、力学性能较差等缺点。所以，需要在聚氨酯材料的基础上对其进行改性，使其具有更高的实用价值。鉴于此，本发明采用二氧化硅纳米颗粒改性聚氨酯材料，制备形状记忆聚氨酯基复合材料作为水泥路面嵌缝料，通过改性增强其抗老化性能，化学稳定性以及力学性能，增加了形状记忆复合材料在水泥路面的实际应用。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提供形状记忆聚氨酯基复合材料水泥路面嵌缝料的制备方法，该方法将纳米二氧化硅颗粒填充形状记忆聚氨酯中，在不影响其形状记忆性能的基础上，改善其抗老化性能、化学稳定性、力学性能，将其用作水泥路面嵌缝料，解决目前水泥路面嵌缝料强度低、易老化、抗裂性差、形状记忆效应较差、形状回复力较小等问题，使嵌缝料更好适应水泥路面接缝处工作条件，减少出现早期破坏，提高水泥路面耐久性和服务品质。

(2)技术方案

鉴于目前水泥路面嵌缝料存在强度低、易老化、抗裂性差、形状记忆效应较差、形状回复力较小等问题，本发明是将二氧化硅纳米颗粒填入聚氨酯中制备出形状记忆聚氨酯基复合材料，从而在保证其形状记忆性能的基础上拓宽其实际应用范围。本发明技术方案如下：首先，首先，根据水泥路面接缝处温度选取用于制备形状记忆聚氨酯基复合材料的原材料，通过溶液预聚体法先合成形状记忆聚氨酯预聚体，如图1；再根据一定配比添加二氧化硅纳米颗粒填充形状记忆聚氨酯，倒入磨具经固化后制备出所需形状，然后在高于其相转变温度条件下，对样品施加外力拉荷载，保持荷载降到室温，从而赋予其形状记忆性能；最后，表征已预形变后的形状记忆材料的各项性能，确定其最佳配比。在不影响聚氨酯形状记忆性能的基础上，改善形状记忆聚氨酯的抗老化性、化学稳定性，增强其力学性能，拓宽其实际应用范围。

(3)有益效果

嵌缝料损坏是引起路面破坏的重要原因之一，会对路面产生不同程度的危害，虽然目前研究者已经对现有的嵌缝料进行改良，但仍然存在抗老化性、力学性能较差等缺点，无法保障路面服务质量。采用本发明提供的形状记忆聚氨酯基复合材料水泥路面嵌缝料制备方法，在形状记忆聚氨酯材料中添加二氧化硅纳米颗粒，从而改善其抗老化性以及化学稳定性，提高其化学性能，从而使得形状记忆聚氨酯基复合材料具有更广泛的实际应用性，作为水泥路面嵌缝料具有更好的力学性能，主动迎合路面宽度变化同时还可以增加其抗老化性能，延长路面使用寿命，增加水泥路面的服务品质。

附图说明

图1嵌缝料双阶段单轴预形变方法示意图

1-搅拌器；2-冷凝管；3-铁架台；4-四口烧瓶；5-加热套；6-水封

具体实施方式

本发明提供形状记忆聚氨酯基复合材料水泥路面嵌缝料制备方法，具体实施步骤如下：

(1)将一定计算量的聚己二酸-1，4-丁二醇酯二醇投入到配备有温度计、搅拌机、气体进、出口的250毫升的四口烧瓶中，在120℃下真空脱水1.5小时，试验过程中真空度始终大于0.095Mpa；

(2)当温度降至80℃时，按配比加入一定计算量的2，4-二异氰酸甲苯酯，在氮气保护下，温度稳定在80℃反应2小时，制得形状记忆聚氨酯预聚体；

(3)保持80℃条件下，通过原位聚合法，将一定配比的二氧化硅纳米颗粒加入聚氨酯预聚体液中，充分搅拌10分钟，使二氧化硅颗粒均匀分散在形状记忆聚氨酯预聚体中；

(4)当温度降至70℃时，向所制得预聚体和二氧化硅混合物中逐滴加入所需量的扩链剂1，4-丁二醇，将电动搅拌棒插入四口烧瓶中，将搅拌头置于混合物表面下，以150转/分钟搅拌15分钟；

(5)将反应结束后的形状记忆聚氨酯基复合材料注入聚四氟乙烯模具中，静置24小时，使其固化成型，脱模后制得形状记忆聚氨酯基复合材料，采用差示扫描量热仪测试其相转变温度；

(6)将制得的形状记忆聚氨酯基复合材料放入在高于其相转变温度的烘箱中，施加一定拉力使其产生预定的拉应变，保持荷载不变，自然降温至室温，卸除荷载，从而赋予聚氨酯基复合材料形状记忆性能；

(7)利用差示扫描量热仪、动态热力学分析仪、X射线衍射仪、万能试验机对已预形变聚氨酯基复合材料进行热力学、力学性能、形状记忆效应测试，根据试验数据，确定二氧化硅纳米颗粒的最佳掺量，制备形状记忆聚氨酯基复合材料用作水泥路面嵌缝料，改善其抗老化性和化学稳定性，提高力学性能。

Claims (1)

1.一种形状记忆聚氨酯基复合材料水泥路面嵌缝料制备方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)将一定计算量的聚己二酸-1，4-丁二醇酯二醇投入到配备有温度计、搅拌机、气体进、出口的250毫升的四口烧瓶中，在120℃下真空脱水1.5小时，试验过程中真空度始终大于0.095Mpa；

(2)当温度降至80℃时，按配比加入一定计算量的2，4-二异氰酸甲苯酯，在氮气保护下，温度稳定在80℃反应2小时，制得形状记忆聚氨酯预聚体；

(3)保持80℃条件下，通过原位聚合法，将一定配比的二氧化硅纳米颗粒加入聚氨酯预聚体液中，充分搅拌10分钟，使二氧化硅颗粒均匀分散在形状记忆聚氨酯预聚体中；

(4)当温度降至70℃时，向所制得预聚体和二氧化硅混合物中逐滴加入所需量的扩链剂1，4-丁二醇，将电动搅拌棒插入四口烧瓶中，将搅拌头置于混合物表面下，以150转/分钟搅拌15分钟；

(5)将反应结束后的形状记忆聚氨酯基复合材料注入聚四氟乙烯模具中，静置24小时，使其固化成型，脱模后制得形状记忆聚氨酯基复合材料，采用差示扫描量热仪测试其相转变温度；

(6)将制得的形状记忆聚氨酯基复合材料放入在高于其相转变温度的烘箱中，施加一定拉力使其产生预定的拉应变，保持荷载不变，自然降温至室温，卸除荷载，从而赋予聚氨酯基复合材料形状记忆性能；

(7)利用差示扫描量热仪、动态热力学分析仪、X射线衍射仪、万能试验机对已预形变聚氨酯基复合材料进行热力学、力学性能、形状记忆效应测试，根据试验数据，确定二氧化硅纳米颗粒的最佳掺量，制备形状记忆聚氨酯基复合材料用作水泥路面嵌缝料，改善其抗老化性和化学稳定性，提高力学性能。