CN109970947A - 一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂，包括：A组分：水性硅酸盐树脂；B组分：聚氨酯单体：0‑50wt.％，聚氨酯预聚物和聚氨酯树脂：0‑60wt.％，功能性助剂：0‑50wt.％；其中，所述B组分中聚氨酯单体，聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂的端功能团均为异氰酸基，且所述异氰酸基的重量百分数为10％‑35％；其中，所述A组分和所述B组分的重量比为：0.4‑0.7:1，其在室温下具有非常低的粘度，以确保增强材料的充分浸润，且其在混合之后至浸润增强纤维之间具有足够长的加工时间。本发明还提供一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂的制备方方法，其可以在施工现场就地制作，送入待修复管道内后，施工效率极高；本发明还提供一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂的应用。

Description

一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及管道点位修复树脂制备技术领域，更具体的是，本发明涉及一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂及其制备方法和应用。
背景技术
排水管道作为市政公用工程的重要组成部分，起到及时排放雨水、污水的作用，扮演城市“地下生命线”的角色。随着我国经济的迅猛发展，城市化进程的不断加快，铺设的排水管道也不断延长，且大部分铺设在已建成的城市下方。排水管道的昼夜运行，势必会带来破损、开裂、腐蚀、积尘及不均匀沉降等问题，导致城市管道排水能力下降，影响人们的出行。
排水管道多处于城市的繁华地带，若对破损管道采用传统的开挖修复技术，开支巨大，同时给城市交通，环境，人们日常生活带来不便影响。非开挖管道修复技术是指采用少开挖或不开挖地表的方法进行排水管道修复更新的方法。相对传统的开挖修复技术，该项技术在保证管道正常排水的前提下，又不对路面进行开挖，有着良好的经济，环境和社会效益。主要体现在以下几个方面：(1)针对陈旧及破损管道，能同时满足结构更新和扩流的需求(2)施工速度快，工期短，降低成本；(3)对城市交通和环境影响小；(4)施工噪音低，不扰民。
点状原位固化法是非开挖管道修复技术的重要组成部分，是指在原管道待修复位置，采用气囊扩张的方式，将浸润双组份固化性树脂的玻璃纤维增强复合材料，紧贴在破损管道内壁，常温固化后形成局部修复的方法。点状原位固化法相对于整体修复，针对性更强，修复成本更低，这在我国现阶段排水管道修复投入不足的情况下，具备着长足的发展前景
在非开挖管道修复领域中，存在许多不同的修复方法，主要分为整体修复和点位修复两大类。其中整体修复通常是指将两座检查井之间的管道进行整体加固修复，管道整体修复可达到防漏，防腐及增加整体结构强度的目的。总体来看整体修复是非开挖修复的主流技术；但点位修复作为一种只对破损位置进行局部加固的修复技术，其针对性更强，可显著降低市政管道修复费用。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂，其在室温下具有非常低的粘度，以确保增强材料的充分浸润，且其在混合之后至浸润增强纤维之间具有足够长的加工时间。
本发明的另一个目的是设计开发了一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂的制备方法，其可以在施工现场就地制作，送入待修复管道内后，可在室温下快速固化，施工效率极高。
本发明制备的用于非开挖管道点位修复的修复树脂，应用于非开挖管道的局部修复。
本发明提供的技术方案为：
一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂，包括：
A组分：水性硅酸盐树脂；
B组分：聚氨酯单体：0-50wt.％，聚氨酯预聚物和聚氨酯树脂：0-60wt.％，功能性助剂：0-50wt.％；
其中，所述B组分中聚氨酯单体，聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂的端功能团均为NCO基团，且所述NCO基团的重量百分数为10％-35％；
其中，所述A组分和所述B组分的重量比为：0.4-0.7:1。
优选的是，所述聚氨酯单体为芳香族二异氰酸酯、芳香族多异氰酸酯和其自聚同系物及其混合物，且在25℃下的粘度小于等于300mPas。
优选的是，所述聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂由聚氨酯单体或其混合物与第一类多元醇和第二类多元醇共同加成聚合反应得到。
优选的是，所述功能性助剂包括催化剂，阻燃剂及增塑剂；
其中，所述催化剂为叔胺类催化剂，所述阻燃剂为添加型阻燃剂，所述增塑剂为脂肪族二酸酯或者芳香族二酸酯。
优选的是，所述水性硅酸盐树脂为水性硅酸钠树脂或水性硅酸钾树脂；所述A组分中含有适量第二类多元醇；所述A组分在25℃下的粘度为300-650mPas。
优选的是，所述第一类多元醇为聚酯多元醇或者聚醚多元醇中的一种或者几种，其羟值为55-450mg KOH/g；所述第二类多元醇为聚醚多元醇，其羟值为250-450mg KOH/g。
优选的是，所述水性硅酸盐树脂为水性硅酸钠树脂，其波美度为30-60°Bé，模数为1.5-3.5M。
优选的是，所述叔胺类催化剂有三亚乙基二胺，二甲基环己胺，四甲基亚烷基二胺或者二甲基乙醇胺；所述添加型阻燃剂为磷酸酯类添加型阻燃剂、卤代磷酸酯添加型阻燃剂或者卤代烃及其他含卤素添加型阻燃剂；所述增塑剂为具有良好的耐寒性能的增塑剂。
一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂的制备方法，包括：取重量比为0.4-0.7:1的A组分和B组分置于敞口容器内，在0-40℃下，搅拌1-4min至颜色均匀，无色差条纹。
一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂的应用，所述用于非开挖管道点位修复的修复树脂应用于非开挖管道的局部修复。
本发明所述的有益效果：
(1)本发明设计开发的用于非开挖管道点位修复的修复树脂，其在室温下具有非常低的粘度，以确保增强材料的充分浸润，且其在混合之后至浸润增强纤维之间具有足够长的加工时间。
(2)本发明设计开发的用于非开挖管道点位修复的修复树脂的制备方法，其可以在施工现场就地制作，送入待修复管道内后，可在室温下快速固化，施工效率极高。同时，管道内即使有少量的水，也不影响树脂的固化和强度；聚氨酯有机/无机复合树脂浸润纤维后，在充气气囊压缩下紧紧贴合在破损管道内壁，增强了原管道的抗压抗破损性能。
(3)本发明制备的用于非开挖管道点位修复的修复树脂，应用于非开挖管道的局部修复。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂，包括：
A组分：水性硅酸盐树脂；
B组分：聚氨酯单体：0-50wt.％，聚氨酯预聚物和聚氨酯树脂：0-60wt.％，功能性助剂：0-50wt.％；
其中，所述B组分中聚氨酯单体，聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂的端功能团均为NCO基团，且所述NCO基团的重量百分数为10％-35％；
其中，所述A组分和所述B组分的重量比为：0.4-0.7:1。
具体的，所述的双组份聚氨酯基有机/无机复合树脂，其中A组份主要为水性硅酸盐树脂，可含少量的多元醇。B组份为聚氨酯单体，预聚物，树脂及相关功能性助剂，A、B组分在0-40℃，优选为10-30℃的温度下混合，可制备反应性修复树脂，其中各组分如下：
1.B组分其包含聚氨酯单体，聚氨酯预聚物，聚氨酯树脂及相关功能性助剂，其中B组分具有10wt.％-35wt.％的NCO基团含量，其中，所述的各成分可由以下组分组成：
(1)聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂：其为异氰酸酯单体或其混合物与多元醇加成聚合反应得到，聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂的制备方法为本领域人员所熟知；作为一种优选，在本实施例中，将多元醇加入异氰酸酯体系中，在70-80℃下反应1-4h制得，其中，聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂的量为0-60重量份，以100重量份B组分为基准。
(a)合成聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂所需异氰酸酯选自芳香族二异氰酸酯、芳香族多异氰酸酯和其自聚同系物及其混合物，此类异氰酸酯包括MDI-100，MDI-50，液化MDI(氨酯改性MDI和碳化二亚胺改性MDI)，PAPI中的一种或几种；
(b)合成聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂所需的多元醇为聚酯多元醇、聚醚多元醇中的一种或几种，其中多元醇的羟值(OHZ)为55-450mg KOH/g，优选为100-350mg KOH/g，此类多元醇包含己二酸系聚酯二醇(聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸丙二醇酯二醇)，芳香族聚酯多元醇(聚邻苯二甲酸一缩二乙二醇酯二醇、聚邻苯二甲酸-1,6-己二醇酯二醇，聚邻苯二甲酸新戊二醇酯二醇)，聚己内酯多元醇，聚碳酸酯二醇，聚氧化丙烯多元醇(包括含氧化乙烯链节的聚氧化丙烯-氧化乙烯多元醇)，如聚醚二醇及聚醚三醇；
(2)异氰酸酯单体(聚氨酯单体)：其选自芳香族二异氰酸酯、芳香族多异氰酸酯和其自聚同系物及其混合物；该异氰酸酯粘度优选为≤300mPas(25℃条件下)；此类异氰酸酯包含TDI-100，TDI-80，MDI-100，MDI-50，液化MDI(氨酯改性MDI和碳化二亚胺改性MDI)，PAPI，NDI，XDI，PPDI中的一种或几种，其量为0-50重量份，以100重量份B组分为基准；
(3)功能性助剂：其包括催化剂，阻燃剂及增塑剂，其中，功能性助剂量为0-50重量份，以100重量份B组分为基准；
(a)使用的催化剂优选为叔胺类催化剂，典型的叔胺类催化剂有三亚乙基二胺，二甲基环己胺，四甲基亚烷基二胺，二甲基乙醇胺等；
(b)所述的阻燃剂为添加型阻燃剂，包含磷酸酯类添加型阻燃剂：(如甲基膦酸二甲酯，磷酸三乙酯，异丙基化三苯基磷酸酯，磷酸三苯酯等)；卤代磷酸酯添加型阻燃剂：(如三(二氯丙基)磷酸酯，三(2-氯乙基)磷酸酯，三(2-氯丙基)磷酸酯等)；卤代烃及其他含卤素添加型阻燃剂：(如十溴二苯醚，三溴苯酚等)；
(c)使用的增塑剂可为邻苯二甲酸酯，脂肪族二酸酯，苯甲酸二醇酯等。优选为具有良好的耐寒性能的增塑剂，如脂肪族二酸酯，包含：己二酸二甲酯。己二酸二异丙酯等；
2.A组分主要为水性硅酸盐树脂，可含少量的多元醇；A组分25℃下粘度为300-650mPas，优选为350-600mPas，其中A组分量为40-70重量份，以100重量份B组分为基准。
(1)水性硅酸盐树脂可分为水性硅酸钠树脂和水性硅酸钾树脂，本发明中优选为水性硅酸钠树脂，其中，水性硅酸钠树脂的波美度为30-60°Bé，优选为40-55°Bé；其模数为1.5-3.5M，优选为1.8-2.8M；
(2)A组分中可含有少量的多元醇以提高复合树脂整体的交联度，所述的多元醇一般为高羟值的聚醚三醇或聚醚四醇，其中多元醇的羟值(OHZ)为250-450mg KOH/g，优选为300-400mg KOH/g。
本发明设计开发的用于非开挖管道点位修复的修复树脂，其在室温下具有非常低的粘度，以确保增强材料的充分浸润，且其在混合之后至浸润增强纤维之间具有足够长的加工时间。
本发明还提供一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂的制备方法，包括：取重量比为0.4-0.7:1的A组分和B组分置于敞口容器内，在0-40℃下，搅拌1-4min至颜色均匀，无色差条纹。
在另一种实施例中，优选为在10-30℃下，搅拌1-4min至颜色均匀，无色差条纹。
具体的，将本发明制备的用于非开挖管道点位修复的修复树脂应用于非开挖管道的局部修复来说明本发明制备的双组份聚氨酯基有机/无机复合树脂的优良性能。
其原理为：
B组分中的聚氨酯单体，聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂的端NCO基团与A组分中的溶剂水反应，生成聚氨酯聚脲并释放CO2气体，生成的CO2气体恰可作为A组分硅酸盐树脂的固化剂，随着硅酸盐树脂碳化反应的进行，体系中硅胶含量增加，且不断放热，硅胶脱水形成SiO2交联结构，无机相SiO2与有机相聚氨酯聚脲相互穿插，形成紧密的立体网状结构，配合纤维织物，可制备高强度，高模量并具备较强柔性的非开挖管道点位修复用复合材料，其工作原理反应式如式(I)。
以非开挖管道点位修复为例，具体修复方法包括如下步骤：
1.准备工作：采用现场勘查，管道封堵抽水，清洁管壁等方法对管道进行检测，确定破损位置和待修复管道尺寸；
2.裁剪玻璃纤维方格布复合毡：根据待修复管道尺寸大小，裁剪一定尺寸的玻璃纤维方格布复合毡，不同管径的管道与玻璃纤维方格布复合毡及树脂用量关系见表1(树脂总体积用量约为增强织物面积的1.6倍)；
3.树脂搅拌：根据玻璃纤维方格布复合毡大小，确定A,B组分树脂用量，将A，B组分以体积比1:2，倒入敞口容器内，用搅拌器搅拌1-4min至颜色均匀，无色差条纹；
4.树脂刮抹浸润纤维：用刮刀将搅拌后的树脂均匀地刮抹在玻璃纤维方格布复合毡上，在刮抹过程中，按施工规定，将玻璃纤维方格布复合毡进行分次折叠，每次折叠面都应进行树脂刮抹，确保树脂充分浸润纤维；
5.缠绕玻璃纤维方格布复合毡：将浸润树脂的玻璃纤维方格布复合毡缠绕在修补气囊上，用细铁丝将玻璃纤维方格布复合毡的两端固定。玻璃纤维方格布复合毡的缠绕松紧程度以自然、松弛为标准，两端固定以纤维不散开为标准；
6.修补气囊就位：修补气囊进入管道后，操作人员采用充气顶管将修补气囊送至管道内部，并与CCTV摄像仪操作人员进行对讲沟通，将修补气囊精确定位在管道破损位置；
7.修补气囊充气压缩修补材料：修补气囊就位后，将配有压力表的空压机与充气顶管的专用接口相连，为修补气囊充气至所需压力值，浸润树脂的玻璃纤维方格布复合毡在充气气囊压缩下紧紧贴合在破损管道内壁；
8.树脂固化：树脂不断固化与玻璃纤维方格布复合毡形成高强度，高模量并具备较强韧性的点位修补复合材料，在树脂固化过程中，气囊保持气压不变，直至树脂固化完全；
9.修补气囊回收：树脂固化完全后，将修补气囊中的压力释放至常压，修补复合材料牢牢粘接在破损管道内壁，修补气囊脱离修补材料，进行回收。
表1不同管径的管道与玻璃纤维方格布复合毡及树脂用量关系
下面将结合具体实施案例对非开挖管道修复树脂及其复合材料作进一步阐述。但是，应该明白本发明的范围不受这些实施案例的限制。
A组分原料：
水性硅酸钠树脂：波美度为40-55°Bé，模数为1.8-2.8M；
B组分原料：
异氰酸酯单体1：改性MDI，NCO％：28-30％，粘度：25-60mPas@25℃；
异氰酸酯单体2：粗MDI，NCO％：30-32％，粘度：100-300mPas@25℃；
聚氨酯预聚物1：异氰酸酯单体1与异氰酸酯单体2以3:7混合后，在80℃条件下，与聚醚二醇(羟值为145-155mg KOH/g)反应制得；
聚氨酯预聚物2：异氰酸酯单体2在80℃条件下，与聚醚二醇(羟值为265-295mgKOH/g)及聚醚三醇(羟值为158-178mg KOH/g)反应制得；
催化剂：三亚乙基二胺
阻燃剂1：三(2-氯乙基)磷酸酯；
阻燃剂2：三(二氯丙基)磷酸酯
阻燃剂3：异丙基化三苯基磷酸酯；
增塑剂：邻苯二甲酸二辛酯；
增强材料：玻璃纤维方格布复合毡，规格为1050g/m2。
按照表2混合B组分中所列原料，混合均匀后，按照体积比2:1将B组分及A组分用搅拌器混合1-4min至颜色均匀，无色差条纹。用刮刀将混合后的聚氨酯有机/无机复合树脂按表1用量关系刮涂在玻璃纤维方格布复合毡各面，浸润完全后将其缠绕在修复气囊上，然后送至待修复管道内，充气恒压至树脂固化后，撤掉气囊，将管道层剥离可得到非开挖管道点位修复材料，采样检测，具体结果如表2所示。
表2非开挖管道点位修复材料原料及相关力学性能
通过以上实施例说明，将聚氨酯有机/无机复合树脂浸润增强材料固化后制得的非开挖管道点位修复树脂具有良好的力学性能。
聚氨酯有机/无机复合树脂混合后具有中等反应活性，B组分中的异氰酸酯与A组分中的水反应后，释放出高浓度CO2供硅酸盐树脂固化，形成网状交联结构的修复材料能在短时间或者稍长时间将破损管道修复至无渗漏，维持管道性能，施工速度快，效率高。
相比于整体修复中的原位固化法(CIPP)所使用的不饱和树脂，聚氨酯有机/无机复合树脂无溶剂，不含苯乙烯等易挥发易燃溶剂，属于环保型管道修复材料；
相比于整体修复中的原位固化法(CIPP)所使用的不饱和树脂-无纺布增强体系，本发明采用的聚氨酯有机/无机复合树脂可形成高交联密度的网状结构，配备方格布复合毡作为增强载体，同时利用修复气囊将其压缩贴合在破损管道内壁，可形成高粘结强度，高弯曲强度，高弯曲模量的修复材料；
本发明设计开发的用于非开挖管道点位修复的修复树脂的制备方法，其可以在施工现场就地制作，送入待修复管道内后，可在室温下快速固化，施工效率极高。同时，管道内即使有少量的水，也不影响树脂的固化和强度；聚氨酯有机/无机复合树脂浸润纤维后，在充气气囊压缩下紧紧贴合在破损管道内壁，增强了原管道的抗压抗破损性能。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂，其特征在于，包括：
A组分：水性硅酸盐树脂；
B组分：聚氨酯单体：0-50wt.％，聚氨酯预聚物和聚氨酯树脂：0-60wt.％，功能性助剂：0-50wt.％；
其中，所述B组分中聚氨酯单体，聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂的端功能团均为异氰酸基，且所述异氰酸基的重量百分数为10％-35％；
其中，所述A组分和所述B组分的重量比为：0.4-0.7:1。
2.如权利要求1所述的用于非开挖管道点位修复的修复树脂，其特征在于，所述聚氨酯单体为芳香族二异氰酸酯、芳香族多异氰酸酯和其自聚同系物及其混合物，且在25℃下的粘度小于等于300mPas。
3.如权利要求2所述的用于非开挖管道点位修复的修复树脂，其特征在于，所述聚氨酯预聚物及聚氨酯树脂由聚氨酯单体或其混合物与第一类多元醇和第二类多元醇共同加成聚合反应得到。
4.如权利要求1、2或3所述的用于非开挖管道点位修复的修复树脂，其特征在于，所述功能性助剂包括催化剂，阻燃剂及增塑剂；
其中，所述催化剂为叔胺类催化剂，所述阻燃剂为添加型阻燃剂，所述增塑剂为脂肪族二酸酯或者芳香族二酸酯。
5.如权利要求3所述的用于非开挖管道点位修复的修复树脂，其特征在于，所述水性硅酸盐树脂为水性硅酸钠树脂或水性硅酸钾树脂；所述A组分中含有适量第二类多元醇；所述A组分在25℃下的粘度为300-650mPas。
6.如权利要求5所述的用于非开挖管道点位修复的修复树脂，其特征在于，所述第一类多元醇为聚酯多元醇或者聚醚多元醇中的一种或者几种，其羟值为55-450mg KOH/g；
所述第二类多元醇为聚醚多元醇，其羟值为250-450mg KOH/g。
7.如权利要求5或6所述的用于非开挖管道点位修复的修复树脂，其特征在于，所述水性硅酸盐树脂为水性硅酸钠树脂，其波美度为30-60°Bé，模数为1.5-3.5M。
8.如权利要求4所述的用于非开挖管道点位修复的修复树脂，其特征在于，所述叔胺类催化剂有三亚乙基二胺，二甲基环己胺，四甲基亚烷基二胺或者二甲基乙醇胺；
所述添加型阻燃剂为磷酸酯类添加型阻燃剂、卤代磷酸酯添加型阻燃剂或者卤代烃及其他含卤素添加型阻燃剂；
所述增塑剂为具有良好的耐寒性能的增塑剂。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的用于非开挖管道点位修复的修复树脂的制备方法，其特征在于，包括：取重量比为0.4-0.7:1的A组分和B组分置于敞口容器内，在0-40℃下，搅拌1-4min至颜色均匀，无色差条纹。
10.一种用于非开挖管道点位修复的修复树脂的应用，其特征在于，所述用于非开挖管道点位修复的修复树脂应用于非开挖管道的局部修复。
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