来源：福建建设科技 2020年 第4期
摘要
合成了一种砌筑粘结用单组份聚氨酯泡沫胶粘剂，用于蒸压加气混凝土砌块的砌筑。根据墙体砌筑施工和粘结性能方面的要求，研究了发泡剂、催化剂和 NCO 含量对单组份聚氨酯泡沫胶粘剂性能的影响。另外根据墙体耐久方面的要求，研究了不同多元醇对单组份聚氨酯泡沫胶粘剂固化后耐久性能的影响实验结果表明: 发泡剂用量为 4% ～ 6% ，催化剂用量为0. 4% ，预聚体 NCO 含量在 2. 5% ～ 3. 5% ，使用聚碳酸酯多元醇的情况下，制备的砌筑粘结用单组份聚氨酯泡沫胶粘剂性能最佳，满足墙体砌筑的要求。
关键词
单组份聚氨酯; 泡沫胶粘剂; 砌筑
引 言
单组份聚氨酯泡沫胶粘剂是一种通过湿固化形成网状交联结构的材料，是将异氰酸酯基( NCO) 封端的预聚体与催化剂、抛射剂、发泡剂等灌装于气雾罐中。使用时，通过阀门 将物料喷射出来，形成膨胀泡沫，并通过与空气和基材中的水分反应，固化扩链交联。它与大多数建筑材料有很高的粘结力，主要用于门窗填缝、保温填充、保温板粘结等领域。用于墙体砌筑还鲜有文献报道。
采用单组份聚氨酯泡沫胶粘剂作为粘结材料对基材的平整度有较高要求，目前市面上的墙体材料中只有蒸压加气混凝土砌块、蒸压灰砂砖和烧结保温砌块等表面较为平整。多异氰酸酯预聚体由多元醇和多异氰酸酯组成，其中多元醇的品种和结构对单组分聚氨酯泡沫的性能影响很大。传统单组份聚氨酯泡沫填缝剂主要用聚醚多元醇作为原料，聚醚多元醇是一种软段亲水性聚合物，制成的泡沫产品强度不 高、耐水性能差。另外蒸压加气混凝土砌块表面孔隙丰富，单组分聚氨酯泡沫的发泡性对粘结性能也有一定影响。本工作主要研究合成一种砌筑粘结用单组份聚氨酯泡沫胶粘剂( 以下简称 MPU) ，用于蒸压加气混凝土砌块的砌筑，讨论多元醇、发泡剂、催化剂和 NCO 含量与 MPU 性能的关系。
1 实验
1. 1 主要原料
聚醚二醇( HK210) 、聚醚三醇( HK310) ，工业级，济宁华凯树脂有限公司; 聚己内酯二醇( PCL) ，工业级，日本大赛璐公司; 聚碳酸酯二醇( PH100) ，工业级，日本宇部兴产株式会 社; 多亚甲基多苯基多异氰酸酯( PAPI) ，工业级，巴斯夫; 二甲醚、丙烷丁烷，工业级，南京上元工业气体厂; 二吗啉基二乙基醚( DMDEE) ，工业级，北京油化精细化工研究所; 发泡剂，工业级，北京汉丰聚氨酯公司。
1. 2 仪器设备
电子天平，常熟双杰测试仪器厂; 气雾灌装机、封口机，武汉洁瑞仕机电股份有限公司; 拉力试验机，长春科新试验仪器有限公司。
1. 3 试验制备
制备在四口烧瓶中加入聚二醇和 HK310，升温至 110 ～ 130℃，真空脱水 30min，合成的预聚体冷却后加入到气雾剂马口铁罐中，用灌装机把 PAPI、DMDEE 和发泡剂迅速灌装 好，然后立即将丙丁烷混合气和二甲醚分别灌装到气雾罐里，再用力上下摇动15min，在室温下静置24h。
1. 4 测试方法
( 1) 发泡倍数、剪切粘结强度: 按照 JC/T 936 － 2004《单组分聚氨酯泡沫填缝剂》进行测定。其中剪切粘结强度使用 的基材为铝合金板。
的基材为铝合金板。
( 2) 表干时间: 按照中国建筑材料联合会协会标准 T/ CBMF 21 － 2018《单组分罐装聚氨酯发泡胶粘剂》进行测定。
( 3) 拉伸粘结强度: 即胶粘剂与蒸压加气混凝土基层的拉伸粘结强度，按照 JC/T 890 － 2017《蒸压加气混凝土墙体 专用砂浆》中附录 A 的方法，将胶粘剂连续不间断地喷在基材( 蒸压加气混凝土砌块)表面，覆盖尺寸大于40mm × 40mm。然后立刻放上拉拔接头，拉拔接头上放置( 1000 ± 50) g 的压块，压块面积大于拉拔接头面积。胶粘剂可由四周挤出。然后再进行下一个位置的制备，至 6个位置，试件放置 72h 后，移除压块，开始试验。
2 结果与讨论
2. 1 发泡剂含量对 MPU 性能的影响
保持物料中 PAPI、HK310、HK210 和催化剂的比例不变， 研究发泡剂含量变化对性能的影响。从表 1 可以看出随着发泡剂含量增加，膨胀倍率逐渐增大。拉伸粘结强度先增大后降低，这是由于在发泡剂含量增加的情况下，泡沫通过膨胀能够渗入加气混凝土基材的孔隙中，增强与基材的粘结能力。而对于平整光滑的基材，膨胀倍率增加对剪切粘结强度的影响不大，表现在剪切粘结强度没有增加。当发泡剂含量过多时，膨胀倍率持续增大，在膨胀空间不变的情况下，单位空间内泡沫数量增加，泡沫孔壁变薄，容易并泡形成大孔，使其内聚力降低，所承受载荷的基体部分减少，从而使得拉伸粘结强度和剪切粘结强度均逐渐降低。使用发泡剂用量为 4% ～ 6% 时，制备的 MPU 性能最佳。
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2. 2 催化剂含量对性能的影响
在砌筑施工过程中，砌块需要搬运和表面清理。为了提高效率，通常需要提前在一排砖面上喷好胶粘剂，再逐块放砖。因此需要胶粘剂保留一定的操作时间，也称为晾置时间。需要降低胶粘剂中官能团的反应速率，延长表干时间。催化 剂能够影响胶粘剂的反应速率，实验中保持物料中 PAPI、 HK310、HK210 和发泡剂的比例不变，研究催化剂含量变化对性能的影响。从表 2 可以看出，随着催化剂的含量增加，表干时间和膨胀倍率逐渐减小。
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将胶粘剂连续不间断地喷在基材表面后，晾置 2min 再放上拉拔接头及重物，测试其晾置后的拉伸粘结强度。从表 2 可以看出，表干时间较短地晾置后拉伸粘结强度较低。这是 由于胶粘剂与空气接触后即开始反应，经过一定晾置时间后， 黏度增加，反应官能团数量降低，无法充分与基材反应交联。另一方面，反应速率加快后，泡沫迅速凝固，这样就不能充分扩散进加气混凝土的表面孔隙。造成拉伸粘结强度下降。综合考虑，催化剂用量为 0. 4% 时，表干时间适中，粘结性能最好。
2. 3 预聚体中 NCO 含量对MPU粘结性能的影响
MPU的固化粘结，主要由NCO基团与水反应作用形成。保持物料中 HK310、HK210、催化剂和发泡剂的比例不变，研究不同 PAPI 含量对MPU性能的影响。理论上，PAPI 使用量增加，MPU 物料中以 NCO 封端的预聚体分子量将降低，NCO 含量增加。从表 3 看出，预聚体中 NCO 含量增加，MPU 的剪切粘结强度逐渐增大，表干时间和膨胀倍率也因为反应速度加快而减小。但当 NCO 含量达到 5. 0% 时，剪切粘结强度反而稍有降低。这是因为随着 NCO 含量的增加，反应固化时产生较多的气泡，导致泡沫体不稳定，形成的微泡孔增加。此外，NCO 含量增加会使产品储存期限降低，物料成本上升。从综合性能及经济效益考虑，控制预聚体 NCO 含量在 2. 5% ～ 3. 5% 时 MPU性能较好。
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2. 4 多元醇的种类对 MPU 耐久性能的影响
MPU与砌墙砖粘结后，墙体表面一般还有砂浆饰面或找平处理，胶粘剂处于一个密闭环境中，不受阳光照射和风化等 过程影响。因此研究 MPU的耐久性能可以从材料的耐热性 入手，耐热的温度越高、时间越长可以侧面反映材料的耐久性能。耐久性能还受到其它方面的影响，例如墙体经常处于潮湿环境时，MPU 就需要具备一定的耐水性能，并需研究在长期浸水下保持强度的能力。
MPU中多元醇的种类和结构对性能影响很大。保持物 料中 PAPI、HK310、催化剂和发泡剂的比例不变，研究不同多元醇对 MPU 耐久性能的影响。从图 1 看出，使用 HK210 制 备的 MPU 粘结性能最低，并且随着热老化温度增加，耐热性 能也较差，强度呈断崖式下降。这是由于聚醚中的( － O － ) 结构极性小于聚酯( － O － CO － ) 的和聚碳酸酯的( － O － CO － O － ) 结构。聚氨酯泡沫固化后，分子中含有大量的脲基基团和氨基甲酸酯基团。多元醇结构极性越大的，与脲基基团 和氨基甲酸酯基团中的 N － H 键形成氢键的能力就越强，形成的MPU固化物内聚力更大。表现为聚碳酸酯多元醇制备的MPU 粘结强度最高，耐热性能最好。
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从图 2 看出，随着材料浸水时间的增长，聚碳酸酯多元醇制备的MPU 剪切粘结强度的总体变化趋势并不明显，而聚醚和聚酯多元醇制备的 MPU 的强度下降趋势更大。这是由于聚醚具有亲水性，是用于合成水性聚氨酯的主要原料，含有聚醚链段的材料长期浸泡水中，会逐渐变软，导致其强度降低。而含有聚酯链段的 MPU，由于聚酯容易水解，长期浸水后也 会导致强度降低。另外，胶粘剂中尚未完全反应的 NCO 官能 团继续与水反应产生交联，还能进一步增加强度。而且脲基和氨基甲酸酯结构稳定，本身就具有耐水、耐碱和耐腐蚀的特 性。聚碳酸酯多元醇链段中含有大量的 － O － CO － O － 结 构，极性强于聚醚和聚酯，能给聚氨酯带来优良的耐热性能和耐水性能。
3 结 论
( 1) 发泡剂用量过多，会影响 MPU 与蒸压加气混凝土粘结强度和剪切粘结强度。使用发泡剂用量为 4% ～ 6% 时，制备的 MPU 性能最佳。
( 2) 催化剂用量增加，会使 MPU 的表干时间缩短，导致晾置后拉伸粘结强度较低，影响砌筑施工的可操作性。催化剂用量为 0. 4% 时，表干时间适中，施工可操作性好。
( 3) 预聚体中的 NCO 含量增加，MPU 的剪切粘结强度逐渐增大，但是 NCO 含量太大会导致泡沫体不稳定，剪切粘结强度降低。控制预聚体 NCO 含量在 2. 5% ～ 3. 5% 时 MPU 性能较好。
( 4) 聚碳酸酯多元醇结构中的基团极性大，结构稳定，不易水解。制备的 MPU 粘结强度最高，耐热和耐水性能最好。
为方便阅读，本文移除了脚注。如有需要，请参阅《福建建设科技》2020年第4期》。
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