膨胀阻燃热塑性聚氨酯复合材料的制备与性能
秦道川
（江苏卓美聚氨酯科技有限公司，江苏淮安 223021）
来源：中国建筑防水 2022年5月 第5期
结合聚氨酯灌浆材料的生产与应用现状，对JC/T2041—2020《聚氨酯灌浆材料》新标准的产品分类及部分指标进行了探讨，并提出了促进聚氨酯灌浆产品与产业健康发展的建议，以供大家参考。
聚氨酯灌浆材料；产品标准
高弹亲水性聚氨酯；发泡率；搅拌时间
为了适应该类材料的发展，我国于2010年出台了《聚氨酯灌浆材料》标准（JC/T2041—2010）。但随着时间的推移，该标准已不再适应产品的发展，于是经过三年多的修订，在2021年4月1日颁布实施了JC/T2041—2020《聚氨酯灌浆材料》新标准（以下简称“新标准”）。现就该新标准在产品分类与指标上的一些问题提出一些个人见解，以供大家共同探讨，希冀利于聚氨酯灌浆材料的健康发展。
1 新标准的性能指标
JC/T2041—2020《聚氨酯灌浆材料》标准6.2.1表1规定了聚氨酯灌浆材料浆液的性能要求，6.2.2表2规定了聚氨酯灌浆材料固结体的性能要求，6.2.3表3规定了聚氨酯灌浆材料的有害物质限量要求，为节省篇幅，本文不再详列。
2 标准的变化
从JC/T2041—2010到JC/T2041—2020，新标准在技术指标上有如下一些较大的变化：
1） 新标准出现了浆液性能与固结体性能方面的指标，这与《环氧灌浆材料》（JC/T1041—2007）和《丙烯酸盐灌浆材料》（JC/T2037—2010）标准取得了统一，有利于相关工程设计、施工人员更好地选择化学灌浆材料的品种。
2）新标准新增了有害物质限量的要求，而《环氧灌浆材料》（JC/T1041—2007）及《丙烯酸盐灌浆材料》（JC/T2037—2010）都未曾提出环保方面的要求。这是新标准具有先进性的重要体现，也顺应了时代发展的要求。
3）新标准对亲水性聚氨酯灌浆材料（WPU）分成了两个型号：Ⅰ型就是高包水倍率浆料，主要用于封堵动水、涌水的工程；Ⅱ型即“高弹性浆料”，单立此类产品的理由是：固结体发泡大、回弹好，可以应用于存在动态变形的场所如地铁、公路、隧道等工程中。
4）新标准增设了亲水性指标。设立该指标是为了验证浆液的亲水性与堵水效果，也是为了杜绝生产企业使用不亲水的有毒有害溶剂。
5）新标准性能指标普遍提高，主要表现在：①不挥发物含量指标，亲水性浆液（WPU）由75％提高至78％，疏水性浆液（OPU）由78％提高至80％；②固结 体抗压强度，疏水性浆液由6MPa提高至 15MPa；③遇水膨胀率，从20％提高至Ⅰ型的40％和Ⅱ型的30％。不挥发物含量的提高，减少了VOC向大气的排放；而抗压强度指标的提高为疏水性聚氨酯灌浆材料发挥加固补强作用提供了依据；遇水膨胀率的提高意味着亲水性聚氨酯灌浆材料自修复能力要求的提高，代表着复漏率的降低。这些指标的提高，都代表了标准的先进性。
3 新标准问题探讨
3.1 对单立亲水性聚氨酯灌浆材料（WPU）Ⅱ型（高弹性）的看法
1）WPU-Ⅱ型产品代表性不够这类产品目前需求很少，占有率不到聚氨酯灌浆材料总量的1％，还不如硅酸盐改性聚氨酯灌浆材料的占有率（硅酸盐改性聚氨酯灌浆材料市场占有率约在6％~8％）。因此，可以说设立WPU-Ⅱ型代表性不够。
2）WPU-Ⅱ型并非创新性产品早在上世纪80年代，淮阴有机化工厂就利用第 一代亲水性聚醚合成了此类产品，由于包水倍率低，堵不住动水、涌水，加上储存期短，该厂早就淘汰了此类产品。第一代亲水性聚氨酯灌浆材料所使用的聚醚多元醇官能度只有3，相对分子质量约在5000~8000范围，由于分子量小，亲水基团包水的能力就差，加之聚醚中含有一部分聚乙二醇，因而做不成包水倍率比较大的亲水性聚氨酯灌浆材料，包水倍率只有5~10倍；而后来开发出的高官能度亲水性聚醚相 对分子质量高达11000~13000，由于含有足够大的亲水基团，因而具备了25~30倍的包水倍率。另外由于低官能度亲水聚醚分子量小，在合成聚氨酯浆料预 聚体中无法控制分子量大小，浆料在储存过程中不断自聚，导致浆料的保存期过不了关，短的只有1~2个月，最长也不6个月。因此，笔者认为，WPU-Ⅱ型产品先进性不足，也并非创新性产品。
3）高弹亲水性聚氨酯灌浆材料普遍存在，WPU-型包含WPU-Ⅱ型的性能，WPU-Ⅱ型无需单列WPU-Ⅱ型浆液只有在特定条件下才会形成高回弹固结体，由于固结体如海绵状的高弹性可以反复形变并复原，使人们认为其适合动态变形较大的工程环境中，如地铁、高铁、公路隧道等。但是其缺点也是十分显著的，因为水可以在海绵状的固结体中自由穿过，从而使固结体失去防水材料应有的基本功能，防水工程与其选择这样的高弹性浆料还不如选择固结体密实的低模量高延伸性的MS胶、单组分聚氨酯防水涂料、聚氨酯嵌缝材料等品种。
亲水性聚氨酯灌浆材料高弹固结体的制备方法有多种，分别可以用低官能度亲水性聚醚多元醇（官能度为 3）和高官能度亲水性聚醚多元醇（官能度为4~4.5） 合成的聚氨酯灌浆材料与一定量的水反应得到，具体实验数据如表1和表2所示。
从表1可以看出，WPU∶水=1∶1，且温度在25℃左右时，出现了高发泡倍率即所谓高弹性的固结体，而温度在35℃左右时，实际形成的固结体与WPU∶水=2∶1的固结体一样，不呈现高弹的状态，也就是说，形成高弹固结体的条件比较复杂。另外，高弹固结体的干缩率比遇水膨胀率大，干缩后再遇水膨胀恢复不到原先未干缩时遇水膨胀的体积，这就很容易产生复漏现象。
从表1中数据可以看出，采用低官能度亲水性聚醚多元醇合成的浆液，其固结体具有高发泡率的只有WPU∶水=1∶1，具有中等发泡率的是WPU∶水=1∶2，其余发泡率并不大，不具有高弹性。而当 WPU∶水=1∶10时，正常包不住水，浆液包水倍率在 10 倍以下，从这一点上讲是不可能堵住动水和涌水的。当WPU∶水=4∶1 时，发泡到一定程度就会“炸泡”，继而又二次发泡且发泡也较小。当 WPU∶水=1∶1时，产生的固结体干缩率达到 51.61％，无论是干缩的还是不干缩的固结体浸泡在水里就立即发生体积大幅膨胀，约30min就会膨胀至最终体积的 80％左右。干缩固结体浸水体积膨胀原来是 3 倍左右，未干缩的固结体浸水体积膨胀到原体积的 1.5 倍左右，约168h吸水膨胀趋于稳定，吸水后饱和状态的固结体吸水量为原自重的10倍左右，但是吸入的水瞬间可以挤出2/3，其余的水也是慢慢从固结体中挥发出来。导致这种现象的原因就是发泡后的固结体泡孔大多数是开孔结构，并不能锁住吸入的水分，起不到防水作用（这也说明追求发泡率这一指标对防水来说无任何意义）；而遇水膨胀率只有39.5％也不是太高，说明浆液固结体自我修 复的能力不强。
从表2可以得知，采用高官能度亲水性聚醚多元醇合成的浆液，其固结体在 WPU∶水=2∶1 时发泡到达顶峰，与采用低官能度（3）亲水性聚醚多元醇合成的浆液的固结体在 WPU∶水=1∶1 时发泡率相差无几，固结体均呈软软的海绵状，具有较好的回弹性，这就证明高弹性浆液并不是唯一而是多样的。当 WPU∶水≥4∶1时，都是先发泡后坍塌再二次发泡，固结体如蜂窝煤状，发泡的体积约是 WPU∶水=2∶1 时的1/10 左右。当WPU∶水=1∶1 和1∶2 时，扣除水后发泡率约在 400％多一点，固结体不像WPU∶水=2∶1 时那样呈海绵状而是具有较大的脆性，甚至自己炸裂，略微施加一点外力就粉碎，没有实际作用。当水量不断加大时，浆液充分分散在水中，产生的气体从水中逃溢，固结体呈密实的弹性体，当 WPU∶水=1（∶25~30）时，固结体呈软软 的果冻状承受不了外力。固定 WPU∶水=2∶1，提高温度达到35℃时，也出现了先发泡后坍塌又二次发泡的现象，与 WPU∶水=4∶1 时的固结体形状相似，与采用低官能度亲水性聚醚多元醇合成的浆液在 WPU∶水= 1∶1（高温时）和 WPU∶水=2∶1时的固结体也十分相似，都出现了蜂窝煤状。所以，无论是低官能度还是高官能度的亲水性聚醚多元醇浆液，出现高发泡海绵状固结体都是特定状态下的产物，而实际工程中很难出现这种理想的状态，因为浆液和水的比例是无法固定的。
表 3 的实验数据也表明，在适宜的温度（一般为25℃左右）下，恰当的WPU∶水的比例时，不同包水性的亲水性聚氨酯灌浆材料都可以出现高弹的固结体。总之，高弹亲水性聚氨酯灌浆材料并不是一种特殊的独立于大类之外的产品，实际上其普遍存在于各种包水性的亲水性聚氨酯灌浆材料之中，只是大家平时只测试其包水倍率，很少测试其发泡率，未发现其普遍存在的特性。
4 关于聚氨酯灌浆材料应用发展的探讨
21世纪初，台商把高压灌浆工法引入大陆，相关企业则配套国产浆料，聚氨酯灌浆材料的生产应用迎来了春天。目前国内市场上聚氨酯灌浆材料总量在8万t左右，各地生产经营浆液、灌浆机、针头的公司， 以及专业施工单位不计其数。由于大家的关注点不同，对材料有着自己的认识和见解，这就在不同程度上影响着产品的发展。聚氨酯灌浆材料今后究竟如何走出一条更加健康的发展之路？探讨如下：
1）亲水性聚氨酯灌浆材料包水倍率越大，表明浆液堵动水、涌水能力越强；遇水膨胀率越大，代表干缩后自我修复能力越强。堵漏自然要选择包水倍率大、遇水膨胀率大的浆液。
2） 亲水性聚氨酯灌浆材料的发泡率指标没有设置的必要。实际工程中，只要纯浆液充满裂缝，固化后可完全解决防水问题。但是在具体工程中，不少施工单位为了降低成本，减少浆液的用量，堵漏时只要见 到裂缝冒白浆就停止注浆，从而导致工程堵漏后短时间就出现复漏，败坏了聚氨酯灌浆材料的声誉，有些地方的地铁工程因此也将聚氨酯灌浆材料列入了使用黑名单。实际注浆时，要等到裂缝处冒纯浆液时，再闭浆等待凝胶，方能收到良好的长期防水效果。所有发泡的固结体都会收缩，包水多的固结体中未反应的水分最终都会从固结体中迁移出来而收缩，遇水膨胀速度很慢，这样就自然出现复漏现象；而高发泡、高弹性的固结体水分可以在其泡孔中自由移动。这就证明亲水性聚氨酯灌浆材料的发泡率指标没有设置的必要。
3）疏水性聚氨酯灌浆材料发泡率越大，说明聚氨酯的有效成分越高；而抗压强度越高，加固补强的效果就越好。如果要尽可能地提高强度，则不能选用单组分浆液，只能选择双组分聚氨酯灌浆材料。一般来说，对于单组分聚氨酯灌浆材料而言，只有发泡倍率在3000%以上、抗压强度达到25MPa的产品，用于堵漏才较为理想。
4） 硅酸盐改性聚氨酯灌浆材料在矿山领域得到了较好的应用，它具有不使用任何溶剂、理论上100%固含量，不燃、固结体抗压强度可达50MPa以上、不收缩、成本低等优点。但其一次性设备投资较大，影响了其发展。
5）亲水性与疏水性聚氨酯灌浆材料混合使用，就是市场上常讲的“水油混搭”，一般比例在 WPU∶OPU= 9∶1~5∶5 不等。实际上，只要水油混搭，在少水的情况下，都会发泡，必须解决亲水性浆料凝胶体强度不高导致的收缩问题，目前只有技术过硬的厂家方有能力解决这类问题。总之，“水油混搭”有一定的技术门槛，否则效果只会适得其反。
6）目前，化工行业在安全、环保、消防方面要求十分苛刻。聚氨酯灌浆材料生产与配制需要用到如丙酮等危化品作溶剂，有些不良厂家甚至大量使用二氯甲烷、二氯乙烷等有毒有害物质来替代。发展环保型高固含量聚氨酯灌浆材料，技术上已不再是瓶颈，无非是材料成本有一定幅度上升。为了子孙后代的美好明天，应加大力度管控有毒有害溶剂的使用，建议把卤代烃含量指标增加到浆液出厂检验项目中。
7）在国外，聚氨酯灌浆材料历来都是疏水性浆料占有大部分市场，而我国正好相反，原因无非就是亲水性聚氨酯灌浆材料在价格上占有优势。亲水性聚氨酯灌浆材料应用于堵动水、涌水工程，一旦堵住了动水、涌水后就应该选用其他加固型材料，如疏水性聚氨酯灌浆材料、环氧灌浆材料继续堵漏加固。否则，要让临时性发挥堵水作用的浆料承担起永久性防水的功效，只会反复渗漏，损坏聚氨酯灌浆材料的声誉，阻碍聚氨酯灌浆材料的长远发展。
为方便阅读，本文移除了脚注。如有需要，请参阅《中国建筑防水》2022年5月 第5期
本站所有信息与内容，版权归原作者所有。网站中部分新闻、文章来源于网络或会员供稿，如读者对作品版权有疑议，请及时与我们联系，电话：025-85303363 QQ：2402955403。文章仅代表作者本人的观点，与本网站立场无关。转载本站的内容，请务必注明"来源：林中祥胶粘剂技术信息网（www.adhesive-lin.com）".
©2015 南京爱德福信息科技有限公司 苏ICP备10201337 | 技术支持：建站100
加载中...
