一种聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂，为一种乳液；固含量为20-35%，其乳液中含有通过氨基硅烷封端和扩链的交联型聚氨酯大分子，所述聚氨酯大分子含有聚醚类多元醇链段。所述聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂通过自身性能的改进，提升了混凝土的力学性能；从折压比角度提升了混凝土韧性。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术属于混凝土建筑材料行业化学外加剂领域，特别涉及一种聚氨酯水泥混凝土外加剂及其制备方法和应用。
技术背景
水泥混凝土是当今世界使用量最大的建筑材料，具有抗压强度高、原材料来源广泛、方便施工等优点。水泥混凝土按照一定的形态成型硬化后具有极高的抗压强度，但是其抗弯和抗拉强度相对很低，表现为高脆性，韧性差的特点。工程中常用钢筋弥补混凝土结构抗弯或抗拉强度低的缺陷。随着科学技术的进步，尤其是交叉学科的发展，多种复合材料被广泛用于改善混凝土脆性；其中研究最多，应用最广的是各种纤维和高分子聚合物溶液及乳液；主要原理是利用高分子聚合物高韧性的优点，结合混凝土高强度的特点，二者协同作用，进而改善混凝土脆性、提升混凝土韧性。
中国专利（CN102603232B）公开了一种用于混凝土的聚甲醛纤维，可以与混凝土的组分发生键合作用，从而提高混凝土性能。
中国专利（CN103641326B）公开了一种混凝土改性剂，主要由膨润土、丙烯酸乳液、聚丙烯纤维和纳米碳粉组成。纤维主要通过物理桥连作用，在从基体拔出过程中，通过分散裂纹端部的应力集中发挥增韧作用。纤维的强度和弹性模量对增韧效果至关重要，传统低强、低模（<10GPa）的纤维只对塑性收缩开裂具有抑制作用，没有增韧效果；另外，纤维的分散难题及界面微裂纹，都制约着纤维的增韧效果。
聚合物改性水泥混凝土利用水泥刚性和聚合物柔性的特点，通过聚合物膜的桥连和填充效应，与水泥凝胶形成互穿网络结构，优化界面过渡区，从而实现水泥基材料韧性的提升。作为一种复合材料，聚合物的力学性能及其在水泥基材料内部的分散是决定其性能的关键因素，也因此，用于水泥混凝土领域的聚合物主要以水性化产品为主，即聚合物溶液或聚合物乳液。
中国专利（CN101607807A）公开了一种含有油性聚氨酯的双组分水泥复合灌浆材料。中国专利（CN102358686A）公开了一种含有水性环氧的双组分水泥砂浆。中国专利（CN100528790C）公开了多种乳液复合改性水泥混凝土及其施工方法。
但是，目前用于水泥基材料改性的聚合物局限于丁苯乳液、丙烯酸乳液、本丙乳液等聚合物，所述聚合物存在力学性能差，结构可调范围小的缺点，抗拉强度仅仅为1-10MPa。为增加水泥基材料韧性，需要提高聚合物掺量到10%甚至30%（聚合物与水泥重量比），而高的聚灰比极易导致抗压强度的降低。

技术实现思路

针对所述水泥混凝土用聚合物乳液存在的力学性能差等缺点，本专利技术提供一种聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂、其制备方法及其应用。
本专利技术所述聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂，为一种乳液；固含量为20-35%，其乳液中含有通过氨基硅烷封端和扩链的交联型聚氨酯大分子，所述聚氨酯大分子含有聚醚类多元醇链段。
本专利技术所述聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂的制备方法，使用二异氰酸酯、聚乙二醇、三羟甲基丙烷、二羟甲基丁酸，通过逐步聚合反应生成预聚体后，加入氨基硅烷扩链剂和氨基硅烷封端剂，加入中和剂，中和制得所述聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂；
所述二异氰酸酯、聚乙二醇、三羟甲基丙烷、二羟甲基丁酸、扩链剂、封端剂和中和剂摩尔比为：100:(30-60):(1-5):(0.5-2):(20-40):(1-5):(0.5-2)。
所述二异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯中的一种以上任意比例的混合物。
所述聚乙二醇的数均分子量为200-1000。
所述扩链剂选自N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷和N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)三甲氧基硅烷中的一种以上任意比例混合物。
所述封端剂选自3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种以上任意比例的混合物。
所述中和剂选自三乙醇胺和三异丙醇胺化合物中的一种以上任意比例混合物。
水泥混凝土内部为强碱性环境（pH>10），本专利技术涉及制备的聚氨酯大分子具有良好的耐碱性能，为此不使用聚酯类多元醇为其软段，而是用耐碱性能好的聚醚类多元醇。
所述聚醚类多元醇链段由聚乙二醇提供，且本专利技术使用的聚乙二醇作为软段，在提升耐碱性能的同时，也作为亲水段，起到乳化稳定纳米粒子的作用。
本专利技术使用二羟甲基丁酸作为阴离子型亲水扩链单体，目的在于增加聚氨酯大分子的水溶性。
由于受到水泥水化影响，加水后水泥混凝土体系除表现出强碱性质外，还含有大量的金属离子，如Al3+、Ca2+、Mg2+等，这些离子基团极易导致普通聚合物乳液破乳凝胶，尤其是含有阴离子或阳离子的乳化体系，因此在本专利技术中，尽可能少的使用具有离子乳化剂作用的单体。
二羟甲基丁酸作为离子型乳化剂单体，需要与碱性中和剂反应，形成离子键，提升稳定性。针对水泥混凝土的特殊性，本专利技术提出利用具有早强作用的三乙醇胺和三异丙醇胺为中和剂。
为增加聚氨酯乳液的力学性能，本专利技术引入了三羟甲基丙烷作为交联单体。
水泥水化产物为各种硅酸盐，结构中含有硅酸根，可以与硅氧烷类化合物发生化学反应形成新的Si-O-Si化学共价键，本专利技术提出使用氨基硅氧烷类化合物为扩链剂和封端剂，使本专利技术的聚氨酯乳液可以与水泥水化产物发生化学反应，通过新的Si-O-Si化学共价键，在满足聚氨酯的耐碱性和力学性能的同时，增加聚合物与水泥水化产物的结合力，最大程度的提高聚合物的韧性。
所述聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂的制备方法，具体制备步骤如下：
1）将聚乙二醇在110-120℃条件下真空（0-0.01MPa）除水1-2h，降温至30-90℃后加入二异氰酸酯和催化剂，100-500rpm搅拌并保持温度2-6h；加入三羟甲基丙烷和二羟甲基丁酸，继续反应2-8h。反应中加入无水丙酮，以保持反应体系粘度小于15000mPa.s。所述催化剂选自二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡，添加量为二异氰酸酯重量的0.05%-1%。
2）将步骤1）所得反应液降至0-5℃，依次分别加入温度为0-5℃的扩链剂水溶液和封端剂水溶液，保持0-5℃搅拌不小于10min后，缓慢升温至30-35℃，升温速率不大于1℃/min，继续搅拌不小于30min，加入中和剂后继续搅拌不小于10min，真空（0-0.01MPa）除去有机溶剂丙酮；加水，使乳液固含量为20-35%；所得乳液即为聚氨酯类反应型水泥混凝土外加剂。
所述聚氨酯类乳液型水泥混凝土外加剂的应用方法，在水泥净浆、砂浆、混凝土制备中，与其它组分一同加入，掺量占胶凝材料重量的0.1-5%（以聚合物量算）。
本专利技术所述聚氨酯类乳液型水泥混凝土外加剂，能明显提高混凝土的各项力学性能，所述外加剂为乳液类产品，可以与水互混，有利于在混凝土中分散均匀；解决了常规聚氨酯乳液在水泥混凝土强碱高盐体系下的稳定性问题；不同于传统的低强度的丙烯酸乳液、丁苯乳液，从复合材料角度设计，本专利技术的高强度聚氨酯通过自身性能的提升，进一步提升了混凝土的力学性能；从折压比角度提升了混凝土韧性。
具体实施例
根据下述实施例，可以更好地理解本专利技术。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本专利技术，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本专利技术。
下列实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂，为一种乳液；其特征在于，固含量为20‑35%，乳液中含有通过氨基硅烷封端和扩链的交联型聚氨酯大分子，所述聚氨酯大分子含有聚醚类多元醇链段。

【技术特征摘要】
1.一种聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂，为一种乳液；其特征在于，固含量为20-35%，乳液中含有通过氨基硅烷封端和扩链的交联型聚氨酯大分子，所述聚氨酯大分子含有聚醚类多元醇链段。
2.权利要求1所述所述聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂的制备方法，其特征在于，使用二异氰酸酯、聚乙二醇、三羟甲基丙烷、二羟甲基丁酸，通过逐步聚合反应生成预聚体后，加入氨基硅烷扩链剂和氨基硅烷封端剂，加入中和剂，中和制得所述聚氨酯反应型水泥混凝土外加剂；
所述二异氰酸酯、聚乙二醇、三羟甲基丙烷、二羟甲基丁酸、扩链剂、封端剂和中和剂摩尔比为：100:(30-60):(1-5):(0.5-2):(20-40):(1-5):(0.5-2)；
所述聚乙二醇的数均分子量为200-1000；
所述扩链剂选自N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷和N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)三甲氧基硅烷中的一种以上任意比例混合物；
所述封端剂选自3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种以上任意比例的混合物；
所述中和剂选自三乙醇胺和三异丙醇胺化合物中的一种以上任意比例混合物。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述二异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑞，李磊，蒋永菁，王文彬，张小磊，
申请(专利权)人：江苏苏博特新材料股份有限公司，南京博特新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32