高性能亲水性聚氨酯注浆材料的制备及其性能研究

摘要

本文采用预聚体法，制备了高性能亲水性聚氨酯注浆材料。论文主要内容和研究结果主要有三个部分:
　　以二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)与共混聚醚为主要原料，合成了低毒性聚氨酯注浆材料。研究了聚醚官能度和分子量、催化剂种类和稀释剂用量、R值(-NCO/-OH)对浆液性能的影响，并优化了反应工艺。实验结果表明，A33的催化效率高于三乙醇胺;随着R值的增大，预聚体粘度逐渐减小，但密度逐渐增大;随着R值增大，浆液凝胶时间逐渐缩短，包水性提高;预聚体粘度和密度随稀释剂用量增大而降低。当-NCO含量一定时，随着组合聚醚中低分子量组分的增大，预聚体包水性变好;分量量较低的亲水聚醚含量增加，预聚体包水性增加，但粘度较大。
　　以甲苯二异氰酸酯(TDI)为单体，选取了两种不同分子量的高亲水性聚醚和其反应，得到端羟基聚氨酯预聚体，再与MDI进行反应，合成制备了凝胶时间可调控的高亲水性聚氨酯注浆材料。考察了R值、组合聚醚组成、稀释剂用量、催化剂种类和缓凝剂种类及用量对浆液性能的影响，并优化了反应工艺。结果表明，随着组合聚醚中低分子量组分含量的增加，浆液粘度降低，凝胶时间延长，发泡率与遇水膨胀率均升高;随着预聚反应中TDI用量的增大，浆液的粘度降低，凝胶时间延长，但发泡率没有明显变化;随着MDI用量的增大，浆液的粘度降低，凝胶时间缩短，发泡率和密度增大;随着稀释剂用量的增加，浆液密度上升，粘度下降，凝胶时间呈现先缩短，后延长的趋势;当TDI和聚醚形成预聚体的R值(Rl)为1.6，反应体系总的R值(R2)为7，稀释剂加入量为30％时，得到的亲水性聚氨酯注浆材料综合性能最优:浆液密度为1.14g/mL，粘度为702mPa·s;浆液与水反应的凝胶时间30s，包水性为47s;形成固结体的发泡率978％，遇水膨胀率182％。
　　以MDI和TDI与高亲水性聚醚多元醇为原料，合成了亲水性聚氨酯预聚体浆液，并利用硅酸钠为硅源和预聚体反应，原位制备了纳米二氧化硅增强亲水性聚氨酯注浆材料固结体。应用傅里叶全反射红外光谱(FTIR-ATR)、X射线衍射(XRD)、光学显微镜和透射电镜(TEM)对固结体的结构与性能进行了测试与表征，探讨了原位生成的纳米二氧化硅对亲水性聚氨酯注浆材料固结体性能的影响。结果表明，原位生成的纳米二氧化硅均匀的分散在聚氨酯中，并与聚氨酯网络以化学键方式结合;纳米二氧化硅增强亲水性聚氨酯注浆材料使得浆液的凝胶时间延长，发泡率降低，遇水膨胀率呈现先降低后升高的趋势;随着原位生成的纳米二氧化硅含量的增加，固结体的压缩强度呈现先升高后降低的趋势，并且可以在50％形变量时不破损。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．2 化学注浆概述

1．2．1 化学注浆材料的选择标准

1．2．2 化学注浆材料的优缺点

1．2．3 影响注浆材料渗透性的因素

1．2．4 常用的化学注浆材料

1．3 聚氨酯注浆材料概述

1．3．1 聚氨酯注浆材料研究进展

1．3．2 二氧化硅增强聚氨酯树脂的研究进展

1．4 研究内容与目标

2 低毒性亲水性聚氨酯注浆材料的制备与性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 原料和试剂列表

2．2．2 实验仪器与设备

2．2．3 实验原理

2．2．4 测试方法

2．4 实验结果与分析

2．4．1 预聚反应条件的确定

2．4．2 聚醚复配比例对浆液包水性能的影响

2．4．3 稀释剂用量对浆液密度、粘度及包水性的影响

2．4．4 不同催化剂及催化剂用量对预聚物凝胶时间的影响

2．4．5 R值对浆液堵水性能的影响

2．4．6 预聚体的红外光谱

2．4．7 注浆材料的热稳定性

2．5 结论

3 高性能聚氨酯注浆材料的制备及其性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料和试剂列表

3．2．2 实验仪器与设备

3．2．3 实验原理

3．2．4 测试方法

3．2．5 聚氨酯注浆材料的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 反应条件的确定

3．3．2 浆液的红外谱图

3．3．3 聚醚配比对预聚体性能的影响

3．3．4 R1对浆液性能的影响

3．3．5 R2对浆液性能的影响

3．3．6 稀释剂的添加量对浆液性能的影响

3．3．7 助剂对浆液性能的影响

3．5 本章小结

4 二氧化硅原位增强聚氨酯注浆材料的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 原料和试剂

4．2．2 实验仪器与设备

4．2．3 注浆材料合成工艺

4．2．4 测试与表征

4．3 实验原理

4．4 结果与讨论

4．4．1 红外光谱分析

4．4．2 固结体的XRD测试

4．4．3 硅酸盐水溶液的浓度对凝胶时间的影响

4．4．4 硅酸盐水溶液的浓度对固结体压缩强度的影响

4．4．5 硅酸盐水溶液的浓度对固结体遇水膨胀率的影响

4．4．6 组分B中硅酸盐含量对固结体泡孔结构的影响

4．4．7 纳米二氧化硅的形态

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况