開題報告終結(jié)稿 王鑫

1、遼寧工程技術大學 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目 體膨性聚合物的性能研究 指 導 教 師 周曉謙 院（系、部） 材料科學與工程學院 專 業(yè) 班 級 材料08-02班 學 號 0808010219 姓 名 王 鑫 日 期 教務處印制一、選題的目的、意義和研究現(xiàn)狀 聚氨酯是一種由多異氰酸酯和多元醇反應生成的具有多個氨基甲酸酯鏈段的有機高分子材料。因聚氨酯分子結(jié)構(gòu)中含有多個氨基甲酸酯基團，故稱之為聚氨酯。體膨型聚合物是聚氨酯注漿材料中的一種，它也是目前國外用的最為廣泛的堵水劑之一1。體膨性聚合物是一種經(jīng)過特殊處理的高分子聚合物，具有較好的耐高溫、耐高礦化度的性能，可變形性好等特點。隨著注漿技術

2、的廣泛應用，注漿材料也得到了較大的發(fā)展。20世紀60年代聚氨酯注漿材料就已被開發(fā)，美國、德國、日本將聚氨酯化學灌漿應用于建筑工程2。但是一般的體膨性聚合物只注重于吸水的功能，而忽略了體膨性聚合物本身的結(jié)構(gòu)強度。當體膨性聚合物吸收過多的水之后，自身的硬泡結(jié)構(gòu)會變軟甚至與水混合變成凝膠狀態(tài)，這會使建筑工程等方面發(fā)生意外甚至更嚴重的事故。所以說，體膨性聚合物不但要有良好的吸水性能(即包水性)，而且還要有足夠的結(jié)構(gòu)強度，這在體膨性聚合物研究方面越來越受到關注。 有關體膨性聚合物的報道主要為體膨性聚合物顆粒、體膨型化學凝膠、水化膨脹復合堵漏材料、交聯(lián)聚合物堵漏材料3等方面的介紹。如左鳳江等4研制了水化膨

3、脹復合堵漏材料，Davidson等人5介紹了一種用于處理嚴重漏失的交聯(lián)聚合物體系，此體系由適當尺寸的特殊纖維和水溶性交聯(lián)聚合物組成。它們都是從化學角度出發(fā)，針對裂縫性、溶洞性嚴重漏失等方面研制了一些體膨型堵漏材料和配套堵漏工藝，已達到建筑環(huán)境所達到的要求。 聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡稱，聚氨酯的基本原料為多異氰酸酯和含羥基的化合物6。凡是在高分子主鏈上含有許多重復-NHCOO-基團的高分子化合物通稱為聚氨基甲酸酯7。而聚氨酯注漿材料8是由末端含異氰酸酯基團的聚氨酯預聚體為主體，加上溶劑、催化劑、表面活性劑、緩凝劑、增塑劑以及其它改性劑等組成。其中聚氨酯預聚體是關鍵原料, 它直接影響到漿液灌注后生

4、成的固化物的抗?jié)B性、抗壓強度、粘結(jié)強度以及包水性等。一般是單液型。其主要成分是過量二異氰酸酯(或多異氰酸酯)與聚醚多元醇反應而制得的端異氰酸酯基（NCO）預聚體9。也可以是雙液型，即由預聚體與固化劑（及促進劑）組成。在注漿過程中，把聚氨酯注漿材料注入縫隙或疏松多孔性地基中時，這種預聚體的端基與縫隙表面或碎基材中的水分接觸，發(fā)生擴鏈交聯(lián)反應，最終在混凝土縫隙中或基材顆粒的孔隙間形成有一定強度的凝膠狀固結(jié)體10。聚氨酯固化物中含有大量的氨基甲酸酯基、脲基、醚鍵等極性基團，與混凝土縫隙表面以及土壤、礦物顆粒有很強的粘接力，從而形成整體結(jié)構(gòu)，起到了堵水和提高地基強度等作用11。并且，在相對封閉的灌漿體

5、系中，反應放出的二氧化碳氣體會產(chǎn)生很大的內(nèi)壓力，推動漿液向疏松地層的孔隙、裂縫深入擴散，使多孔性結(jié)構(gòu)或裂縫完全被漿液所填充，增強了堵水效果12。漿液膨脹受到限制越大，所形成的固結(jié)體越緊密，抗?jié)B能力及壓縮強度越高13。聚氨酯類注漿液分為非水溶性聚氨酯漿液（簡稱PM）和水溶性聚氨酯漿液（簡稱SPM）14。這兩種材料雖然都能防水、堵漏、加固地基，但也有差別。非水溶性聚氨酯注漿材料固結(jié)體強度大、抗?jié)B性好，適用于加固地基、防水堵漏兼?zhèn)涞墓こ?5。水溶性聚氨酯注漿材料包水量大、滲透性好，適用于土質(zhì)表面層的防護16。 聚氨酯注漿材料是二十世紀四十年代國際上發(fā)展起來的一種新型高分子防水材料，它的特點是不溶于水

6、，粘結(jié)力強，不致被水沖掉，而且遇水產(chǎn)生二氧化碳氣體，使?jié){液在幾秒或幾分鐘內(nèi)發(fā)泡膨脹，因而能很快地滲入、充滿縫隙，并凝固結(jié)硬，起到堵水防滲作用。另外，還有良好的物理化學性能；耐高低溫(從-20-100)；對酸堿有很好的抗腐蝕作用17。 聚氨酯注漿材料兼顧堵水和加固的功能，在解決煤礦、石膏礦及其它金屬礦山的大斷面、工作面、煤倉的滲漏水和涌水問題及井下煤巖體巷道掘進中大斷層帶或松軟煤巖層快速注漿固結(jié)控制頂板和斷層帶、沖溝帶、松軟煤層防止冒頂、片幫問題發(fā)揮著重要的作用，在礦業(yè)工程材料中有著不可替代的作用。 第二次世界大戰(zhàn)后，1945年-1947年，美國開始關注聚氨酯樹脂，特別是與空軍有關的工業(yè)更有開發(fā)

7、興趣。1947年，DuPont和Monsanto公司建造了2，4-甲苯二異氰酸酯試驗車間，在Good Year Aircraft公司和Lockheed Aircraft公司開始進行硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的生產(chǎn)。 1954年，美國Monsanto公司和Bayer公司進行技術合作，成立Mobay化學公司，從此在美國開始了聚氨酯原料的生產(chǎn)，泡沫市場也開始慢慢地發(fā)展。1957年，Wyandotte化學公司制備成功環(huán)氧丙烷-環(huán)氧乙烷嵌段共聚醚的聚氨酯泡沫塑料，并實現(xiàn)工業(yè)化。由于石油工業(yè)提供了價格低廉的丙烷類的聚醚多元醇原料，促使聚醚型聚氨酯泡沫塑料的成本大幅度降低，該制品的耐老化性能均比聚酯型聚氨酯泡沫體有

8、顯著提高，是聚氨酯泡沫塑料工業(yè)化的突破18。1958年，Mobay公司和Union Carbide公司采用了高活性的三乙烯二胺和有機錫作為聚氨酯泡沫塑料的新型催化劑，使聚氨酯發(fā)泡工藝由二步法改為一步法，更進一步促進了聚氨酯泡沫塑料的發(fā)展。同年DuPont公司用一氟三氯甲烷發(fā)泡劑制備成功硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料?？梢?，美國的聚氨酯工業(yè)在世界上占有重要的地位。 1961年，美國用聚合多異氰酸酯即多苯基多亞甲基異氰酸酯制備硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，提高了制品的性能。另外，還用PAPI制備成聚氨酯改性的聚異氰脲酸酯硬質(zhì)泡沫塑料，該泡沫塑料具有優(yōu)良的耐熱性能，于1967年投入市場19。1979年，用玻璃纖維增強的聚

9、氨酯RIM生產(chǎn)汽車擋泥板和車體板。1980年，玻璃纖維增強的結(jié)構(gòu)反應注射成型聚氨酯產(chǎn)品問世。20世紀60年代中期，各國相繼研究成功聚氨酯鋪面材料以及防水材料，從而使聚氨酯樹脂在土木建筑工程中獲得應用。 我國的聚氨酯泡沫塑料起步于20世紀50年代中后期，我國一些科研單位，如上海市輕工業(yè)研究所、天津市紡織研究所先后開展了聚酯型及聚醚型聚氨酯泡沫塑料的研制。1963年，江蘇省化工研究所、南京大學化學系以及南京塑料廠協(xié)作攻關，在國內(nèi)首先成功一步法聚醚型聚氨酯軟泡生產(chǎn)工藝，并于1966年建成聚醚多元醇、有機硅勻泡劑以及國產(chǎn)設備的聚氨酯軟泡生產(chǎn)裝置。20世紀60年代中期，上海塑料制品六場、天津紡織科學研究

10、所等單位分別從英國引進連續(xù)水平發(fā)泡機生產(chǎn)塊狀軟泡20。20世紀80年代初，各泡沫廠先后引進多條生產(chǎn)線，生產(chǎn)水平有了大幅度的提高。聚氨酯硬泡1964年才開始研究，20世紀70年代中期才有一定規(guī)模的小工業(yè)裝置生產(chǎn)，先用于船舶、冷庫、石油化工管道保溫等，以后冰箱冷柜成為硬泡的一個主要應用領域。由于原材料配套工業(yè)及應用開發(fā)工作基礎薄弱，發(fā)展緩慢。1978年全國以泡沫塑料為主的聚氨酯制品產(chǎn)量僅5000t左右21。在20世紀80年代才開始進入快速發(fā)展階段，特別是近10年來國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，以及跨國大公司進入中國市場，聚氨酯泡沫塑料以及整個聚氨酯工業(yè)進入高速發(fā)展期。1984年我國聚氨酯泡沫產(chǎn)量估計約2萬噸

11、，1986年約4萬噸，1988年約9.1萬噸，1994年約20萬噸，2000年約44萬噸 近年來，聚氨酯注漿材料有了一定的發(fā)展。它既可用在鐵路隧道及地下工程的防水堵漏，也可用作建筑物的地基加固。對由于施工時某些原因造成的混凝土局部裂縫，變形縫和接縫的程度不同的漏水，均可使用聚氨酯注漿材料進行處理，在幾分鐘到幾十分鐘之內(nèi)能達到止水目的22。一般化學注漿材料遇水后有被沖淡或沖走的可能，因此難以滿足防水堵漏的要求。聚氨酯注漿材料所以能迅速堵住漏水，是因為漿液遇水后，能與水起化學反應而放出二氧化碳氣體，迫使?jié){液向四周擴散。同時，漿液粘度逐漸增加，在較短時間內(nèi)，與周圍物體粘結(jié)，形成一種強度較高的固結(jié)體，

12、迅速地把漏水堵住23。 傳統(tǒng)固體注漿材料顆粒較大，以至于可灌性較低，不能滿足各種地層的不同要求，且在處理裂縫性、孔洞性惡性漏失時易與地層流體相混，被稀釋并流走，堵漏漿很難形成強度足夠的嚴密封堵?；瘜W注漿材料雖黏度低、可灌性好、凝結(jié)時間易控制，但與固體注漿材料相比凝膠后抗壓強度明顯低很多；注漿材料的腐蝕性、毒性、環(huán)保性對實際工程中注漿材料的選擇產(chǎn)生了很大的局限性；很多注漿材料因自身成本及施工成本較高而不能得到廣泛的應用24。 綜合上述原因現(xiàn)階段注漿材料的環(huán)保性、耐久性、能適應不同環(huán)境的性能成為人們主要研究的方向。因此尋求滲透性強、吸水性好、可灌性好、無污染、固結(jié)體強度較高、凝膠時間易于控制、價格

13、便宜和施工方便等綜合性能指標高的綠色新型注漿材料已成為當今注漿材料的發(fā)展方向。 但一般的體膨性聚合物遇水后有被沖淡或沖走的可能，因此難以滿足防水堵漏的要求。而本實驗所研究的體膨性聚合物可以迅速堵住漏水，因為漿液遇水后能與水起化學反應而放出二氧化碳氣體，迫使?jié){液向四周擴散，在較短時間內(nèi)與周圍物體粘結(jié)，且可以形成一種強度較高的固結(jié)體，迅速地把漏水堵住。 本實驗的最終目的是使體膨性聚合物既具有良好的壓縮強度又具有良好的包水性性能，所以通過向反應液里加入助劑的量的多少設置四因素、四水平的正交實驗，通過正交實驗可以分析出四種因素對體膨性聚合物的壓縮強度和包水性性能的影響，從而選取各項性能都比較好的一組數(shù)

14、據(jù)，最終達到本實驗的目的。二、研究方案及預期結(jié)果1研究方案 1.1原材料選擇 (1)主料：異氰酸酯YT-2130、聚醚多元醇YTMN-450 / JH-2020 (2)催化劑：EYT-12，SY-03 (3)吸水劑：丙烯酰胺的鈉鹽 (4)其他助劑：消泡劑（聚硅氧烷）、化學發(fā)泡劑（水）、物理發(fā)泡劑（環(huán)戊烷） (5)其他材料：剪刀、紙殼、攪拌棒、燒杯、標簽、密封袋、注射器、托盤天平、紙巾、 計時器 1.2儀器選擇 WE-300型液壓萬能試驗機；電子天平 1.3準備實驗 (1)密封袋貼上試樣序號標簽，備用 (2)將紙殼做成標準試樣尺寸的模具，備用 1.4試樣制備 按照正交實驗的方法，設計四因素、四水

15、平正交實驗。四因素分別為A異氰酸酯指數(shù)； B化學發(fā)泡劑的用量；C物理發(fā)泡劑的用量；D吸水劑的用量。因素水平表如下： 水平因素ABCD11.050.2%0.2%1%21.100.4%0.4%2%31.150.6%0.6%3%41.200.8%0.8%4%操作步驟： (1)稱量出所需質(zhì)量的兩種聚醚多元醇，然后將聚醚多元醇YTMN-450和JH-2020按照 比例3:1進行均勻混合、攪拌，制得反應所需的混合聚醚多元醇 (2)稱量出反應所需的化學發(fā)泡劑水、物理發(fā)泡劑環(huán)戊烷、催化劑EYT-12和SY-03、 消泡劑聚硅氧烷和吸水劑丙烯酰胺的鈉鹽的質(zhì)量，將它們添加到混合的聚醚多元醇 中進行攪拌，直至混合液

16、變得均勻，則制得所謂白料 (3)稱量出反應所需的異氰酸酯的質(zhì)量，將它添加到白料中并不斷攪拌至均勻，直到物 料變白發(fā)泡完畢。實驗中觀察混合液的變化現(xiàn)象，記錄實驗中混合液的凝膠時間， 作 好記錄，以備后期數(shù)據(jù)分析 (4)待模具中物料發(fā)泡完畢后將其置于干燥通風的環(huán)境中固化 (5)固化后脫?？傻脤嶒灅悠?，從而進行切割并性能測試 1.5性能測試 1.5.1凝膠時間的測定 用秒表將物料從混合后發(fā)白到發(fā)泡完畢所用的時間記錄下來，這個時間即凝膠時間。 1.5.2發(fā)泡率的測定 黑、白料在模具中混合后，測出液體物料的高度，由于模具底面積可知，從而計算出液體物料的體積，待反應固化后再測出反應后試樣的長、寬、高，然后

17、計算出反應后試樣的體積。按照公式(1.1)進行計算： (1.1)：膨脹率； V1：反應前液體物料的體積； V2：反應后試樣的體積 1.5.3密度的測定 用托盤天平測出試樣的質(zhì)量，再計算出試樣的體積（其實就是模具的容積，可以通過測出模具的長、寬、高來進行計算），二者相比即是試樣的密度 1.5.4包水性的測定 設定一個固定的百分比（本實驗百分比為5%），向每組要反應的物料里加入要反應的物料總質(zhì)量的5%的水，此時的黑、白物料從混合到固化所需的時間就是該試樣的包水性。 1.5.5壓縮強度的測定 本實驗采用液壓萬能試驗機進行測定。按照GB/T 1041-92中規(guī)定將試樣制成20mm×20mm&

18、#215;25mm，然后對試樣進行壓縮。壓縮強度按公式(1.2)計算： &t= (1.2) 式中&t壓縮強度，MPa； P強度的負荷值，N； F試樣的原始橫截面積，mm2。 1.6實驗結(jié)果與分析 2. 預期結(jié)果與分析 (1)分析異氰酸酯指數(shù)、物理發(fā)泡劑、化學發(fā)泡劑、吸水劑四因素對體膨性聚合物的凝膠時間、發(fā)泡率、密度、包水性和壓縮強度的影響 (2)測出所有組試樣的同種性能，并比較分析，選出最佳綜合性能的實驗配比數(shù)據(jù) (3)找出同種因素對不同種性能的影響規(guī)律，并比較曲線的趨勢特點 三、研究進度第3周 撰寫開題報告和文獻綜述，準備開題答辯。 第4周 探索實驗，準備實驗材料。 第5周

19、制備A1B1C1D1、A1B2C2D2、A1B3C3D3、A1B4C4D4組分試樣。 第6周 制備A2B1C2D3、A2B2C1D4、A2B3C4D1、A2B4C3D2組分試樣。 第7周 制備A3B1C3D4、A3B2C4D3、A3B3C1D2、A3B4C2D1組分試樣。 第8周 制備A4B1C4D2、A4B2C3D1、A4B3C2D4、A4B4C1D3組分試樣。 第9周 將試樣脫模后再進行風干，確定試樣表面完全干燥。 第10周 將上述實驗配方制成的試樣切割成標準試樣。 第11周 將標準試樣進行力學性能測試。 第12周 測出標準試樣的密度和發(fā)泡率。 第13周 繼續(xù)進行發(fā)泡實驗，測出試樣的包水性

20、。 第14周 追加實驗，根據(jù)正交實驗表選出最優(yōu)數(shù)據(jù)方案進行實驗，并測出性能的最佳值。 第15周 分析實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果。 第16周 撰寫畢業(yè)論文。 第17周 修改畢業(yè)論文。 第18周 遞交畢業(yè)論文。 四、主要參考文獻1 楊智華.胡狀油田體膨型聚合物調(diào)驅(qū)礦場試驗J.石油地質(zhì)與工程,2010,24(4):123-125. 2 沈玉龍,張建生.新型快速堵漏劑的研制與應用J.新型建筑材料,2003,05(09):38-39. 3 周佩,李謙定,李輝.體膨型堵漏材料及其堵漏機理研究進展J.油田化學,2009,26(1):111-114. 4 左鳳江,于玉興,海法.水化膨脹復合堵漏工藝技術J.鉆井液與完井液,

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