CN110527066B - 一种环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料及其制备方法 - Google Patents

一种环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料，由封端异氰酸酯预聚体80～140份、聚脲型液体填料5.5～7份、端氨基聚醚30～40份、端氨基扩链剂5～10份、固体填料4～6份，助剂1～2份组成。本发明中的聚脲液体填料可以提高体系的脲键含量，无溶剂固含量100％，从而保证在水环境中使用的高耐久性。本发明具有较好的力学性能，绿色环保，耐水解，可一次厚涂成膜，快速固化，适应于水利工程等快速修复需要。另外，本发明环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料制备方法简单，适合于工业化生产。

Description

一种环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料及其制备方法
技术领域
本发明属于水利工程领域，涉及一种单组分聚脲材料及其制备方法，具体涉及一种环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料及其制备方法。
背景技术
聚脲弹性体是由羟基聚醚/氨基聚醚与多异氰酸酯反应生成由异氰酸酯封端的半预聚物(A组分)，然后再与由端氨基聚醚和端氨基扩链剂及其他助剂组成的树脂组分(B组分)反应，生成一种高脲键含量的弹性体材料。聚氨酯和聚脲的主要区别在于含有脲键与否，聚脲弹性体中的脲键含量大于氨酯键含量，而聚氨酯中不含脲键只含有氨酯键。目前，我国市场上存在的聚脲按照脲键含量从高低顺序有双组分喷涂聚脲、双组分喷涂聚氨酯脲、双组分聚天门冬氨酸酯聚脲、单组分刮涂聚脲等类型。其中，双组分喷涂聚脲材料是90年代发展起来的一种新型无溶剂、无污染、固化速度快、环境容忍度高、施工效率高、工艺简单的绿色环保施工技术，在立面、曲面上喷涂几毫米厚的涂层而不流挂。形成的聚脲弹性体涂层具有优异的耐老化、耐长期水浸、耐高速水流冲磨、耐腐蚀、抗冻融、抗冲击、抗疲劳破坏等性能，在大坝坝面、溢洪道、排沙洞、导流洞、输水渠等水工建筑物中具有广泛的应用前景。
但是，在实际应用过程中，双组分喷涂聚脲需要专门的喷涂设备，在用电困难、施工空间狭窄、局部修补处理的环境下使用具有局限性。为了解决这一问题，国外提出使用单组分湿固化刮涂型聚氨酯进行局部修补加固，这种单组分聚氨酯吸收空气中的水分，解除潜伏固化剂的封端，释放氨基，并与异氰酸酯反应而固化。固化后的材料存在少量脲键，在我国某些领域也称之为单组分聚脲。在实际使用中，存在对施工环境要求高、立曲面施工困难、不能在低温环境下施工、易鼓包、储存期短、老化速度快等问题。特别是在以下几个方面的缺点导致该类材料不适应于水利工程的快速修复要求：
(1)由于该种材料中含有溶剂以及大量填料，在实际使用时不环保，且由于溶剂挥发及填料过多，在固化后运行期间容易产生龟裂等现象；
(2)该种材料是通过吸收空气中的水分进行缓慢固化，一般表干时间需要10小时以上，而实干时间则需72小时以上，不满足实际应用中的快速修复需求；
(3)该种材料需薄涂施工，在使用过程中，为了避免第二次或第三次刮涂时对第一次刮涂材料产生破坏，需要在第一次涂刮的材料表面铺设无纺布，该无纺布从本质上改变了涂层的化学结构，使得涂层的力学性能快速下降，与标准和设计要求的力学性能严重不符；
(4)该类材料的NCO含量低于3％，且最终只有1.5％以下的NCO与潜伏固化剂解封后的氨基反应生成脲键，因此形成的涂层中脲键含量非常低，导致在实际应用中产生易水解老化等问题。
根据较多文献的研究表明，氨酯键的耐水解性能远远低于脲键的耐水解性能，脲键低，则体系里面则需要较多的羟基与异氰酸酯基团(NCO)反应，则氨酯键就会相对升高，导致固化后的材料耐水解性能降低，也就是说易吸水老化，从而影响在水工环境下的使用耐久性。
因此，为解决上述固化时间长、不环保、脲键低、易水解老化等问题，需亟待研发一种新型的具有高脲键、无溶剂、100％固含量、绿色环保、快速固化、低温可施工、与基面粘接强度高等适用于水利工程快速修补防渗加固的单组分聚脲材料。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料，该材料高脲键、无溶剂、100％固含量、绿色环保、快速固化、低温可施工、特别适用于水利工程修补加固。
本发明还提供一种上述环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的制备方法。
本发明还提供上述一种环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的使用方法，技术通过合理配方设计、工艺研究，形成一种高脲键、高固含量、绿色环保、快速固化、低温可施工、特别适用于水利工程快速修补防渗加固的单组分聚脲材料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料，由封端异氰酸酯预聚体80～140份、聚脲型液体填料5.5～7份、端氨基聚醚30～40份、端氨基扩链剂5～10份、固体填料4～6份，助剂1～2份组成；
其中，所述端氨基聚醚为市售的端氨基聚醚；
所述端氨基扩链剂为市售的乙二胺、二甲硫基甲苯二胺、二乙基甲苯二胺的一种或多种；
所述固体填料为气相二氧化硅、滑石粉、色浆的一种或多种；
所述助剂为：分散剂、消泡剂、流平剂、抗水解剂、抗黄剂、界面剂、紫外线吸收剂的一种或多种。
更进一步地，所述封端异氰酸酯预聚体，由二官能度异氰酸酯36～48份、多元醇40～100份、羟基扩链剂6～16份、羟基交联剂0.6～2份、硅烷偶联剂1～2份以及NCO封端剂反应生成，预聚体的NCO质量分数为8％～13％；NCO封端剂根据预聚体的NCO摩尔数确定，添加摩尔数为异氰酸酯预聚体的NCO摩尔数的4～6倍；
其中，所述二官能度异氰酸酯为：甲苯二异氰酸酯、4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯的一种或多种。
所述多元醇为：聚四氢呋喃二元醇、聚碳酸酯二元醇、聚丙二元醇、3-甲基PTMEG、端羟基聚丁二烯的一种或多种；
所述羟基交联剂为：三羟甲基丙烷基三醇；
所述羟基扩链剂为：1,4丁二元醇；
所述硅烷偶联剂为：γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的一种或多种；
所述的封端剂为：甲乙酮肟、2-甲基咪唑的一种或两种。
更进一步地，所述聚脲型液体填料，由三官能度及以上的异氰酸酯和单官能度的氨基化合物反应构成，按照异氰酸酯的NCO和氨基化合物活泼氢的摩尔数之比为1：1～1.3：1的比例反应构成。
其中，所述三官能度及以上的异氰酸酯为：HDI三聚体、TDI三聚体中的一种或两种；
这里HDI三聚体和TDI三聚体的选择需要根据性能要求，一般选择其一，如需要不黄变，选用HDI，如果要求高强度，则选用TDI三聚体，如既需要耐黄变、也要高强度，则选择二者混合。
所述单官能度氨基化合物为：M600、M1000、M2005或M2070。
本发明还提供一种上述的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的制备方法，包括如下步骤：
1)制备封端异氰酸酯预聚体；
2)制备聚脲型液体填料；
3)将所制得的聚脲型液体填料、端氨基聚醚、端氨基扩链剂、气相二氧化硅、色浆以及助剂放入低高速分散釜中进行高速分散得到树脂组分；
4)将步骤1)制得的封端异氰酸酯预聚体和步骤3)制得的树脂组分依次加入到-20℃-5℃、氮气保护的高速分散釜中进行分散；
5)脱泡、氮气封装，常温保存。
更进一步地，所述封端异氰酸酯预聚体制备方法，包括如下步骤：
1)反应条件：氮气保护；
2)多元醇、羟基扩链剂、羟基交联剂分别进行除水处理：将多元醇、扩链剂及交联剂原材料分别加入到高速分散真空釜中，加热到130℃，高速分散，抽真空，加热1-2小时将各原材料中的水分除干净；
3)把二官能度异氰酸酯加入到反应釜中，加入多元醇和羟基扩链剂的混合物，反应体系放热，待体系温度稳定之后，加热反应釜升温至85～95℃反应2.5小时，得到异氰酸酯的预聚体；
4)降低反应体系温度至30℃以下，加入羟基交联剂，待体系温度稳定不再上升之后，加热反应釜升温至60～65℃反应0.5小时，得到三异氰酸酯预聚体；
5)降低反应体系温度至20℃以下，加入硅烷偶联剂，保持30℃以下低温反应0.5小时，得到硅烷偶联剂改性的二异氰酸酯预聚体；
6)降低反应体系温度至20℃，测量体系NCO，滴加入与体系NCO摩尔数4～6倍的NCO封闭剂，待体系温度稳定后，升温至60～75℃反应3小时，得到硅烷偶联剂改性的封端异氰酸酯预聚体。
更进一步地，所述聚脲型液体填料的制备方法，包括如下步骤：
1)反应条件：氮气保护；
2)先把三官能度及以上的异氰酸酯加入到反应釜中，然后保持体系温度在40℃左右；
3)再加入单官能度氨基化合物，进行快速搅拌；
4)待体系温度稳定后升温加热至65℃左右；
5)保持体系温度维持为60～80℃，反应2～4小时，得到聚脲型液体填料。
单官能度氨基化合物加入到三官能度及以上的异氰酸酯中混合后会反应放热，温度可以达到60℃，反应开始比较距离，升温快，当反应温度后还需继续加热，保证在60摄氏度-80摄氏度才可继续反应，最终得到聚脲型液体填料。
本发明还提供一种上述的环保型快速固化单组分聚脲材料的使用方法，施工现场使用时，灌入一种加热管，经过加热后挤在施工基面上，然后通过刮板一次刮涂成膜。
所述加热管为市售，即带加热丝的铁管，将材料加入到该铁管中，在加热后就可直接通过压力挤出，在该铁管中材料经受热后，释放出-NCO，与端氨基聚醚及端氨基扩链剂反应，从而固化。
或者，施工现场使用时，灌入一种加热枪，经过加热后挤在1cm宽度以上的施工缝里面，成为嵌缝防渗体。
所述加热枪也为市售可加热可挤出的管状结构。
本发明提供一种环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料，以硅烷偶联剂为改性剂，将异氰酸酯预聚体进行改性，获得一种硅烷改性异氰酸酯预聚体；然后再以甲乙酮肟和/或2-甲咪唑作为封端剂，获得封端的硅烷改性异氰酸酯预聚体；该预聚体在常温下不会与-NH2/-NH的成分发生化学反应。在加热作用下(60℃)封闭解除，释放出-NCO，而-NCO和-NH2/-NH发生反应，形成脲键。
本发明的环保型快速固化单组分聚脲材料一方面通过加入液体聚脲添加剂(本发明称为聚脲型液体填料)来提高体系脲键含量，另外一方面通过提高预聚体的NCO含量，提高最终成膜的脲键含量，此外，不选择常用湿固化的潜伏固化剂，可以保证预聚体的-NCO100％与氨基反应，得到脲键。
固含量从侧面反应了一个体系中是否含有溶剂、高固含量即无溶剂，低固含量，则指溶剂高。目前传统的市售单组分聚脲的固含量基本在85％以下，本发明中未加入溶剂，固含量为100％。此外目前水利工程以及新出的规范都有要求，尽量避免使用溶剂类材料。另外一方面，对于水利工程来说，使用含有溶剂的材料，其在水环境下的耐久性会降低，此外，溶剂也不环保，不满足饮用水标准。
相比于传统的单组分聚脲材料，目前市售的单组分市售聚脲固化时间(1mm)需要48小时以上，且不能厚涂，需要一层一层地刮涂，可以说要达到2mm厚度的施工要求，需要至少3天以上才可施工完毕，而本发明提供的聚脲材料不采用现有的湿固化，而是通过加热后，封闭的NCO解封，解封后释放出-NCO，-NCO与体系的-NH2/NH反应固化，属于热固化，这种固化方式可使任意厚度的材料在1小时内可完全固化，使得固化时间大大缩短。从而实现了当天涂膜当天使用，在局部短时间修复的应用领域也有广阔的应用前景。
目前，传统单组分聚脲的施工温度要求是15℃以上；本发明提供的聚脲材料可在10℃或以下环境使用。
传统单组分聚脲材料在实际水环境下使用时间低于2年，而本发明所提供的单组分聚脲材料由于脲键含量的提高在水环境下的使用时间高于20年。
本发明提供的一种环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料，该材料高脲键、无溶剂、100％固含量、绿色环保、快速固化、低温可施工、特别适用于水利工程修补加固。
附图说明
图1为本发明所提供的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料实施例1制备的样片照片。
图2为本发明所提供的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料实施例2制备的样片照片。
图3为本发明所提供的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料吸水率的关系图。
图4为本发明所提供的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料在输水箱涵的伸缩缝的示意图。
图5为本发明所提供的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料使用结构示意图。
图6为一现有市售所用的单组分聚脲涂层在水利工程中作为伸缩缝涂料使用破坏的情况。
图7为一现有市售所用的单组分聚脲涂层在水利工程中作为涂层使用破坏的情况。
图8为本发明实施例1所提供的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料在低温条件下的测试照片。
图9为本发明实施例2所提供的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的嵌缝实验测试照片。
具体实施方式
实施例1
以下为本发明提供的一个环保型高脲键单组分聚脲材料的具体实施例，具体配方比例如表1所示：
表1成分及含量
Figure BDA0002185545820000061
Figure BDA0002185545820000071
其中，本实施方式的预聚体NCO含量为11.8％，可计算NCO摩尔数，然后2-甲基咪唑是该NCO摩尔数的4倍。
由于聚脲型液体填料的粘度相对较高，生产过程中容易挂壁，所以在生产时候要按照比实际使用量多的份量进行生产，然后从生产得到的聚脲型液体填料中取出所需的份量使用。
上述环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的配制方法包括如下步骤：
(1)制备封端异氰酸酯预聚体，具体步骤如下：
1)反应条件：氮气保护；
2)将多元醇PTMG1000、PCDL2000和HTPB2700、羟基扩链剂BDO、羟基交联剂TMP分别进行除水处理，将上述多元醇PTMG1000、PCDL2000和HTPB2700、羟基扩链剂BDO及羟基交联剂TMP分别加入到高速分散真空釜中，加热到130℃，高速分散，抽真空，加热1.5小时即能将原材料中的水分除干净。
3)把上述二官能度异氰酸酯IPDI加入到反应釜中，加入多元醇PTMG1000、PCDL2000、HTPB2700和羟基扩链剂BDO的混合物，待体系温度稳定之后，加热反应釜升温至85℃反应2.5小时，得到异氰酸酯的预聚体；
4)降低反应体系温度至30℃以下，加入上述羟基交联剂TMP，待体系温度稳定不再上升之后，加热反应釜升温升温至60～65℃反应0.5小时，得到三异氰酸酯预聚体；
5)降低反应体系温度至20℃以下，加入上述硅烷偶联剂KH560，保持30℃以下低温反应0.5小时，得到硅烷偶联剂改性的二异氰酸酯预聚体；
6)降低反应体系温度至20℃，测量体系NCO，滴加入与体系NCO摩尔数4倍的NCO封闭剂2-MI，待体系温度稳定后，升温至65℃反应3小时，得到硅烷偶联剂改性的封端异氰酸酯预聚体。
(2)聚脲液体填料的制备方法包括以下步骤：
1)反应条件：氮气保护；
2)先把三官能度及以上的异氰酸酯加入到反应釜中，然后保持体系温度在40℃左右；
3)再加入单官能度氨基化合物，进行快速搅拌；
4)待体系温度稳定后升温加热至65℃；
5)保持体系温度维持为65℃，反应3小时，得到聚脲型液体填料。
(3)环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的制备方法包括以下步骤：
1)将所制得的聚脲型液体填料、端氨基聚醚、端氨基扩链剂、固体填料以及助剂放入低高速分散釜中进行高速分散得到树脂组分；
2)将所制得的封端异氰酸酯预聚体和步骤1)制得的树脂组分依次加入到低温(-10℃)、氮气保护的高速(1000R)分散釜中进行分散；
3)脱泡、氮气封装，常温保存。
对本实施例的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料进行物理性能的测试。首先制备环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的样片，实施例1的样片如图1所示，数量为3个，厚度为1.5mm。测试方法按照技术规程《DL/T5317-2014》所述方法进行试验。取3个样片的结果平均值如下表2所示。
表2物理性能测试结果
Figure BDA0002185545820000091
上述物理性能测试结果优于《DL/T5317-2014水电水利工程聚脲涂层施工技术规程》中单组分涂刷聚脲的性能，尤其是在《DL/T5317-2014》中规定了I型和II型单组分涂刷聚脲，而本实施例制备的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的物理性能优于I型和II型单组分涂刷聚脲中的要求的性能指标。
市售单组分聚脲材料只能满足I型或II型的其中的一种类型的指标；而本实施例均可满足。
市售单组分聚脲材料由于是湿固化类型材料，只能薄涂，每次不超过1mm厚，虽然技术规程《DL/T5317-2014》上表4.0.5规定的单组分涂刷聚脲性能要求和试验方法中的表干时间≤4小时，但这是在一个比较理想的环境中进行的结果，而在实际施工中，面临的施工环境复杂，温度、湿度都会影响材料的表干速度，在比较干燥和温度相对较低的环境下，需间隔要在6小时以上才能保证完全表干。而本实施例所提供的单组分聚脲材料，可一次刮涂成膜，任意厚度均可，加热固化不受外界环境影响，固化时间短，一般不超过1小时，可以保证现场使用的聚脲涂膜力学性能指标与实验室测定相同。
现有防渗材料需要在混凝土与聚脲涂层之间涂覆底漆层，如环氧底漆涂层和/或聚氨酯底漆涂层，本申请实施例中采用上述涂覆方法运用于实际应用中，底漆涂层采用环氧底漆、环氧底漆+聚氨酯底漆，或聚氨酯底漆涂层。
实施例2
以下为本发明提供的另一个环保型高脲键单组分聚脲材料的具体实施例，具体配方比例如表3所示：
表3成分及含量
Figure BDA0002185545820000101
Figure BDA0002185545820000111
其中，上述环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的配制方法包括如下步骤：
(1)制备封端异氰酸酯预聚体，具体步骤如下：
1)反应条件：氮气保护；
2)将上述多元醇PTMG2000和PCDL2000、羟基扩链剂BDO、羟基交联剂TMP分别进行除水处理，将上述多元醇PTMG2000和PCDL2000、羟基扩链剂BDO及羟基交联剂TMP分别加入到高速分散真空釜中，加热到130℃，高速分散，抽真空，加热1.5小时即能将原材料中的水分除干净。
3)把上述二官能度异氰酸酯HMDI和TDI混合均匀后加入到反应釜中，然后加入多元醇PTMG2000和PCDL2000，和羟基扩链剂BDO的混合物，待体系温度稳定之后，加热反应釜升温至90℃反应2.5小时，得到异氰酸酯的预聚体；
4)降低反应体系温度至30℃以下，加入上述羟基交联剂TMP，待体系温度稳定不再上升之后，加热反应釜升温升温至60～65℃反应0.5小时，得到三异氰酸酯预聚体；
5)降低反应体系温度至20℃以下，加入上述硅烷偶联剂KH602，保持30℃以下低温反应0.5小时，得到硅烷偶联剂改性的二异氰酸酯预聚体；
6)降低反应体系温度至20℃，测量体系NCO，滴加入与体系NCO摩尔数4倍的NCO封闭剂，待体系温度稳定后，升温至70℃反应3小时，得到硅烷偶联剂改性的封端异氰酸酯预聚体。
(2)聚脲液体填料的制备方法包括以下步骤：
1)反应条件：氮气保护；
2)先把三官能度及以上的异氰酸酯加入到反应釜中，然后保持体系温度在40℃左右；
3)再加入单官能度氨基化合物，进行快速搅拌；
4)待体系温度稳定后升温加热至65℃；
5)保持体系温度维持为65℃，反应3小时，得到聚脲型液体填料。
(3)环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的制备方法包括以下步骤：
1)将所制得的聚脲型液体填料、端氨基聚醚、端氨基扩链剂、固体填料以及助剂放入低高速分散釜中进行高速分散得到树脂组分；
2)将所制得的封端异氰酸酯预聚体和步骤1)制得的树脂组分依次加入到低温(-10℃)、氮气保护的高速(1000R)分散釜中进行分散；
3)脱泡、氮气封装，常温保存。
对本实施例的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料进行物理性能的测试。首先制备环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的样片，实施例2的样片如图2所示，数量为3个，厚度为2mm。测试方法按照技术规程《DL/T5317-2014》所述方法进行试验。取3个样片的结果平均值如下表4所示。
表4物理性能测试结果
Figure BDA0002185545820000121
上述物理性能测试结果优于《DL/T5317-2014水电水利工程聚脲涂层施工技术规程》中单组分涂刷聚脲的性能，尤其是在《DL/T5317-2014》中规定了I型和II型单组分涂刷聚脲，而本实施例制备的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的物理性能优于I型和II型单组分涂刷聚脲中的要求的性能指标。
而市售单组分聚脲材料只能满足I型或II型的其中的一种类型的指标；而本实施例均可满足。
市售单组分聚脲材料由于是湿固化类型材料，只能薄涂，每次不超过1mm厚，虽然技术规程《DL/T5317-2014》上表4.0.5规定的单组分涂刷聚脲性能要求和试验方法中的表干时间≤4小时，但这是在一个比较理想的环境中进行的结果，而在实际施工中，面临的施工环境复杂，温度、湿度都会影响材料的表干速度，在比较干燥和温度相对较低的环境下，需间隔要在6小时以上才能保证完全表干。而本实施例所提供的单组分聚脲材料，可一次刮涂成膜，任意厚度均可，加热固化不受外界环境影响，固化时间短，一般不超过1小时，可以保证现场使用的聚脲涂膜力学性能指标与实验室测定相同。
现有防渗材料需要在混凝土与聚脲涂层之间涂覆一底漆涂层，如环氧底漆涂层或聚氨酯底漆涂层，本申请实施例中采用上述涂覆方法运用于实际应用中，底漆涂层采用环氧底漆、环氧底漆+聚氨酯底漆，或聚氨酯底漆涂层。
实施例3
按照国标GB/T23446-2009的7.14的试验方法对实施例1和实施例2所制得的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料以及市售单组分聚脲材料进行吸水率测试，结果如图3所示，从图3可以看出，实施例1和实施例2所制得的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的吸水率远低于市售单组分聚脲材料。
吸水率低主要因为材料的脲键高，而低吸水率则代表，在水环境中使用时，不或者少吸水，分子结构不受水的影响而发生变换，即代表了在水环境中有好的稳定性，耐久性好。
实施例4
为本发明实施例1和实施例2所提供的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料应用于箱涵伸缩缝快速防渗修复的实施例，由于输水箱涵需要在3天内通水运行，要求1天内完成快速修复，施工时基材表面属于潮湿、低温基面，因此应用于该领域的单组分聚脲材料应满足上述使用要求，即应具有高脲键、高固含量、绿色环保、快速固化、低温可施工、与基面粘接强度高的特点。
如图4所示，其中箭头所示为输水箱涵的伸缩缝，宽度大约2cm，在伸缩缝上面覆盖(左右各延伸20cm)一层本发明实施例1所提供的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料(一次刮涂3mm固化)。
如图5所示，为本发明实施例中环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的使用结构示意图，从图5中可以看出，在中间嵌入本实施例2中的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料1，形成伸缩缝内部的嵌缝体；此外实施例1的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料2横跨两混凝土的接缝处，并且向两侧各延伸20公分左右，在混凝土与环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料2之间还涂有底漆系统3(本实施例采用聚氨酯底漆涂层)。
这里使用实施例2的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料1作为嵌缝体材料是由于在伸缩缝处设置的嵌缝材料需要有良好的伸缩变形性能，也就是说弹性模量较低、伸长较大、硬度较低，而实施例2中的材料在伸缩变形性能上优于实施例1。
如图6所示为市售单组分聚脲材料作为伸缩缝涂料的照片，可以看到涂层上有很多鼓包，市售单组分聚脲材料属于湿固化型，在刮涂完毕后，在未完全固化的情况下就运行，会出现鼓泡现象(如图6)，影响使用耐久性及安全性；在完全固化的情况下运行，由于其是分层刮涂，在每层刮涂中间会有层间渗漏通道，影响涂层的防渗、抗冲磨等性能。这是由于市售单组分聚脲材料脲键含量低、固化时间慢，而本发明提供的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料一方面脲键含量高、另一方面固化时间快，避免了运行后鼓包、水解等问题。
经老化试验以及实际应用证实，市售单组分聚脲材料在实际水环境下使用时间低于2年，如图7所示可以看出市售单组分聚脲材料由于水解老化现象而发生大面积剥落，而本发明所提供的单组分聚脲材料由于脲键含量的提高在水环境下的使用时间高于20年。
在东北的试验基地，将实施例1所提供的聚脲材料在10月下旬予以嵌缝试验(当时温度在5～10℃)，如图8所示，固化时间与设计材料的固化时间相符合，即可在1小时内完全固化。
采用实施例2所提供的聚脲材料进行嵌缝试验，5cm宽度，一次灌注成型、10分钟内固化，如图8所示。
从上述实施例可以看出，本发明提供一种环保型快速固化单组分聚脲材料，该材料高脲键、无溶剂、100％固含量、绿色环保、快速固化、低温可施工、特别适用于水利工程修补加固。

Claims (7)

1.一种环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料，其特征在于，由封端异氰酸酯预聚体80～140份、聚脲型液体填料5.5～7份、端氨基聚醚30～40份、端氨基扩链剂5～10份、固体填料4～6份，助剂1～2份组成；
其中，所述端氨基聚醚为市售的端氨基聚醚；
所述端氨基扩链剂为市售的乙二胺、二甲硫基甲苯二胺、二乙基甲苯二胺的一种或多种；
所述固体填料为气相二氧化硅、滑石粉、色浆的一种或多种；
所述助剂为：分散剂、消泡剂、流平剂、抗水解剂、抗黄剂、紫外线吸收剂的一种或多种；
所述封端异氰酸酯预聚体，由二官能度异氰酸酯36～48份、多元醇40～100份、羟基扩链剂6～16份、羟基交联剂0.6～2份、硅烷偶联剂1～2份以及NCO封端剂反应生成，预聚体的NCO质量分数为8％～13％；NCO封端剂根据预聚体的NCO摩尔数确定，添加摩尔数为异氰酸酯预聚体的NCO摩尔数的4～6倍；
其中，所述二官能度异氰酸酯为：甲苯二异氰酸酯、4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯的一种或多种；
所述多元醇为：聚四氢呋喃二元醇、聚碳酸酯二元醇、聚丙二元醇、3-甲基PTMEG、端羟基聚丁二烯的一种或多种；
所述羟基交联剂为：三羟甲基丙烷基三醇；
所述羟基扩链剂为：1,4-丁二醇；
所述硅烷偶联剂为：γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的一种或多种；
所述的封端剂为：甲乙酮肟、2-甲基咪唑的一种或两种；
所述聚脲型液体填料，由三官能度及以上的异氰酸酯和单官能度的氨基化合物反应构成，按照异氰酸酯的NCO和氨基化合物活泼氢的摩尔数之比为1：1～1.3：1的比例反应构成；
其中，所述三官能度及以上的异氰酸酯为：HDI三聚体、TDI三聚体中的一种或两种；
所述单官能度氨基化合物为：M600、M1000、M2005或M2070。
2.如权利要求1所述的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备封端异氰酸酯预聚体；
2)制备聚脲型液体填料；
3)将所制得的聚脲型液体填料、端氨基聚醚、端氨基扩链剂、气相二氧化硅、色浆以及助剂放入低高速分散釜中进行高速分散得到树脂组分；
4)将步骤1)制得的封端异氰酸酯预聚体和步骤3)制得的树脂组分依次加入到-20℃-5℃、氮气保护的高速分散釜中进行分散；
5)脱泡、氮气封装，常温保存。
3.如权利要求2所述的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的制备方法，其特征在于，所述封端异氰酸酯预聚体制备方法，包括如下步骤：
1)反应条件：氮气保护；
2)多元醇、羟基扩链剂、羟基交联剂分别进行除水处理：将多元醇、羟基扩链剂及羟基交联剂原材料分别加入到高速分散真空釜中，加热到130℃，高速分散，抽真空，加热1-2小时将各原材料中的水分除干净；
3)把二官能度异氰酸酯加入到反应釜中，加入多元醇和羟基扩链剂的混合物，反应体系放热，待体系温度稳定之后，加热反应釜升温至85～95℃反应2.5小时，得到异氰酸酯的预聚体；
4)降低反应体系温度至30℃以下，加入羟基交联剂，待体系温度稳定不再上升之后，加热反应釜升温至60～65℃反应0.5小时，得到三异氰酸酯预聚体；
5)降低反应体系温度至20℃以下，加入硅烷偶联剂，保持30℃以下低温反应0.5小时，得到硅烷偶联剂改性的二异氰酸酯预聚体；
6)降低反应体系温度至20℃，测量体系NCO，滴加入与体系NCO摩尔数4～6倍的NCO封闭剂，待体系温度稳定后，升温至60～75℃反应3小时，得到硅烷偶联剂改性的封端异氰酸酯预聚体。
4.如权利要求2所述的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的制备方法，其特征在于，所述聚脲型液体填料的制备方法，包括如下步骤：
1)反应条件：氮气保护；
2)先把三官能度及以上的异氰酸酯加入到反应釜中，然后保持体系温度在40℃左右；
3)再加入单官能度氨基化合物，进行快速搅拌；
4)待体系温度稳定后升温加热至65℃左右；
5)保持体系温度维持为60～80℃，反应2～4小时，得到聚脲型液体填料。
5.如权利要求1所述的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的使用方法，其特征在于，施工现场使用时，灌入加热管，经过加热后挤在施工基面上，然后通过刮板一次刮涂成膜。
6.如权利要求1所述的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料的使用方法，其特征在于，施工现场使用时，灌入一种加热枪，经过加热后挤在1cm宽度以上的施工缝里面，成为嵌缝防渗体。
7.如权利要求1所述的环保型高脲键快速固化单组分聚脲材料在水工建筑物局部短时间修复领域中的应用。
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