四川9762国际至尊品牌专注建筑结构补强、加固施工、加固设计、咨询,以其先进的经营方针得到客户一致好评,是一家专业的建筑结构补强企业!

技术知识

聚脲材料性能研究及应用

标签:[db:TAG]    浏览次数:     时间:2017-09-30 09:53:18

聚脲材料性能研究及应用

马衍轩 黄微波 吕平 杨阳 张晓丽

聚脲技术是21世纪最具前途的高技术、新材料之一,被誉为20世纪末涂料、涂装界最伟大的发现。聚脲在基础设施防护、航空航天、机械、军事等领域广泛应用。中国的聚脲技术诞生于青岛,现在我国已成为世界第一大聚脲消费国,并且达到国际领先水平。聚脲在我国国民经济和国防建设中发挥着越来越重要的作用。随着国民经济和城市建设的不断发展,人们对于生活、工作环境的要求越来越高,生态城市建设的理念不断为人们所接受。聚脲因其优异的理化性质可已被广泛应用在城市生态建设当中。本文主要介绍聚脲材料的基本性能,从结构超长寿命防护和阻尼减振降噪两方面阐述聚脲在城市生态城市建设中的应用。

1.聚脲在结构超长寿命防护中的应用

材料腐蚀是全世界面临的一个严重问题。据报道,全世界每年因腐蚀造成的直接经济损失大约在7000亿美元,是地震、水灾、台风等自然灾害总和的6倍,占各国国民生产总值的2%~4%。国内外公认,如采取有效的腐蚀防护措施,一部分腐蚀损失是可以避免的。目前,在众多腐蚀控制方法中,涂料法是使用范围最广的控制方法:其中,纯聚脲技术由于其快速的固化反应以及优异的物理性能,一经问世便得到了迅猛的发展,为防腐界提供了一种全新的材料和施工技术。

1.1聚脲涂层性能研究

喷涂纯聚脲是由异氰酸醋A组分与混合树脂B组分反应生成的物质。A组分可以是芳香族异氰酸醋,也可以是脂肪族异氰酸醋;可以是异氰酸醋单体、多聚体、异氰酸酸醋的改性衍生物、半预聚物或预聚物。B组分必须是由端氨基聚醚、端氨基扩链剂组成.端氨基聚醚中不得人为引入轻基化合物,但文许氨化过程中非完全氨化的微量轻基物质存在。喷涂纯聚脲技术是一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术,其便捷的施工工艺,生成涂层的优异的力学性能及耐腐蚀、抗冻融、耐海洋气候老化、防渗漏、耐磨蚀、抗冲击、抗疲劳破坏等多项综合性能使得该技术在海洋钢结构及钢筋混凝土结构防护方面具有极大的技术优势和广泛的应用前景。聚脲与普通的防腐涂料相比具有以下优势:

1. 超长的耐老化性及耐腐蚀性

Dudley J.Primeaux通过加速老化试验表明了纯聚脲材料的寿命在75年以上。通过研究表明,长期浸泡于海水及硫酸钠溶液中的纯聚脲涂层的宏观性能没有显著降低,其对氯离子、硫酸盐的侵蚀具有明显的阻碍作用,可显著提高混凝土的抗海水及硫酸盐的腐蚀性能;纯聚脲经过180次干湿循环和冻融循环后涂层拉伸强度分别仅下降了4%和9%,断裂伸长率均有所回升,有良好的力学性能保持率。

2. 便捷的施工性能

聚脲可快速固化,5秒钟凝胶,1分钟可达到步行强度,可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型,不产生流淌现象;使用成套喷涂、浇注设备,施工方便,效率高;聚脲对水分、湿气不敏感,施工时不受环境温度、湿度的影响;一次施工即可达到厚度要求,克服了以往多层施工的弊病。

3. 优良的环保性能

聚脲拥有100%的固含量,不含任何挥发性有机物,对环境友好;在服役过程中不会析出有害物质,可以达到饮用水的相关标准。

4. 物理性能优异

经过特殊设计的聚脲材料断裂伸长率可达接近1000%,可以有效地防止涂层开裂和外力损伤;优异的力学和耐磨性能可保证涂层有效抵御外部物体的冲撞、摩擦,保持涂层的完整性和耐久性;聚脲良好的热稳定性,可在120℃下长期使用.可承受180℃的短时热冲击。

5. 配方体系任意可调

手感从软橡皮(邵A30)到硬弹性体(邵D65)可调;可加入各种颜料、填料,制成不同颜色的制品,以满足美观要求。

1.2工程应用

喷涂聚脲弹性体技术在快速且多元化发展,据不完全统计,截至2007年,我国全年的纯聚脲消费量已达6000t,应用领域也从最早期的篮球场地、小型看台、影视道具等小规模应用逐渐拓展到冶金行业金属防腐、混凝土结构修复、建筑结构加固、水利大坝的抗渗防护、跨海大桥混凝土耐久性的改善、抵御自然灾害等方面,并且已成功直用于多项国家重点工程。

1.2.1青岛胶州湾跨海大桥桥墩聚脲防护

青岛胶州湾跨海大桥是我国北方冰冻海域首座特大型桥梁集群工程,在我国北方冰冻地区首次提出了100年设计寿命标准。大桥腐蚀最严重的区域为钢筋混凝土桥墩和承台。大桥桥墩长期浸泡在环境复杂的海洋环境中,对混凝土耐久性提出了严格的要求。然而,普通的桥梁桥墩防护涂料使用寿命有限,尤其是在海洋环境中,往往3~10年就需要重新喷涂修补,仅靠常规防腐手段无法达到使用年限的要求,必须采用先进的涂层技术进行防护。在这种严酷环境和特殊施工条件下,喷涂纯聚脲技术由于具有整体致密、高强度、良好的耐磨抗冲击性能和耐海洋气候老化性能而成为了保护胶州湾大桥的最佳选择,如图1所示。

图1 聚脲在港珠澳大桥沉管防护中的应用

(1) 喷涂施工(2)涂层

青岛胶州湾跨海大桥桥墩聚脲防护工程为海上作业,施工人员历时40多天,克服了远离陆地、无淡水、无电、风大浪高、海水倒灌等不利因素的影响,依靠喷涂纯聚脲技术快速固化、便捷施工的优势圆满地完成了施工任务,整个涂层连续致密,附着性能良好。聚脲作为一种新型涂层防护材料,成功应用于青岛胶州湾跨海大桥桥墩防护中.并获得了显著的效果,极好的证明了纯聚脲材料的强效防腐性能优于传统防腐涂料.已成为海洋混凝土超长寿命防护的最后一道屏障。

1.2.2港珠澳大桥沉管隧道聚脲工程

港珠澳大桥设计服役年限为120年,这意味着其防护涂层的服役年限不得低于120年。

防护涂层不仅要具有良好的耐介质腐蚀性能、耐海砂冲磨性能、抗氯离子渗透性能,还要具有优异的拉伸强度、断裂伸长率和撕裂强度等力学性能,此外,涂层与混凝土基材的附着力必须达到要求,否则一旦与基材脱开,就失去了应有的防护作用。面对复杂的服役环境和超长的使用年限的要求,港珠澳大桥同样采用了聚脲防护涂层,且施工现场喷涂聚脲防护涂层的厚度只有2mm,如图2所示。

图2 聚脲在港珠澳大桥沉管防护中的应用

(1)预处理 (2)底漆与涂层施工

在港珠澳大桥沉管隧道工程中,由于接缝数量较多,对聚脲防护施工工艺进行了优化。港珠澳大桥由两个人工岛连接,总长度6.7km,单个沉管体积巨大,每节管道上面有7道施工缝需要进行聚脲喷涂,工程量巨大,施工的质量决定了聚脲涂层防护的成败。沉管接缝处的聚脲涂层极易在张拉应力的作用下开裂,从而失去其防护的作用,针对这种情况,探索出一套针对接缝处的施工工艺:先在沉管的施工缝处预先张贴自粘式土工布,由于土工布和混凝土基材的附着力较低,沉管在外界因素作用下随着施工缝的增大土工布与基材脱开,即与土工布宽度相同的聚脲涂层参与了形变,保证有足够的形变量,避免聚脲涂层出现裂缝,从而更好地为工程提供防护。

2.聚脲在阻尼减振降噪中的应用

随着机械制造业、交通运输业和建筑行业等行业的快速发展,由机械设备运行、城市轨道交通引起的振动与噪声问题日益严重。振动和噪声问题给城市居民的生活带来了诸多困扰,并且已被列为影响人类的七大环境公害之一,振动与噪声控制愈来愈受到人们的重视。在结构减振降噪技术中,阻

尼减振发挥越来越重要的作用,阻尼材料因能抑制结构的振动,将振动能转化为热能,逐渐受到重视。常用的阻尼材料主要是粘弹性阻尼材料,它是高分子聚合物和各种添加剂的复合体系,其阻尼性能主要来源于聚合物的内耗。粘弹阻尼材料与其他阻尼材料相比发挥作用的频域和温域均较高,而且具备高阻尼特性,因此被广泛应用于舰艇、航空航天、交通运输和机械制造等方面的振动与噪声控制。

2.1聚脲阻尼机理及性能表征

黏弹性阻尼材料同时具有黏性液体和弹性固体的特征,其弹性表现在,受到外力作用时分子间的链段会产生相对滑移、扭转,当外力除去后,变形的分子链和分子间的相对运动均会恢复原位;其粘性表现为,克服摩擦力做功以完成分子链间的错动,在此过程中将一部分的振动能量转变为热能耗散掉,而粘弹阻尼材料分子链间的滑移、扭转不会完全复原,未复原部分将产生永久变形。这种能量的转换与耗散,即为阻尼作用,如图3所示。

图3 不同材料的应力应变关系图

(1)弹性材料应力应变关系(2)粘弹性材料应变滞后于应力(3)粘弹性材料滞回曲线

粘弹性阻尼材料的阻尼能力用其动态力学性能表征,基本参数是动态模量和损耗因子:

式中 M*—复模量(Pa);

M'—储能模量(Pa),表征材料储存能量的能力,M'=M* COSα;

M"—损耗模量(Pa),表征材料能量消耗或转变为热能的能力 M"=M*sinα=βM';

β一黏弹性阻尼材料的损耗因子,衡量材料耗散振动能量的指标。

2.2材料阻尼性能影响因素

黏弹阻尼材料的模量和损耗因子反映了材料的阻尼特性,但其性能在很大程度上受环境因素的影响,主要包括温度和频率,其他环境因素如应变幅值、预载荷、动荷载、环境湿度、油污、高真空等因素也会对阻尼材料产生影响。

1. 环境温度对阻尼性能的影响

温度是影响阻尼材料特性的最重要的一个因素,图4表示在一定的工作频率的条件下粘弹性阻尼材料的弹性模量E和损耗因子β随环境温度T变化的曲线。图中Tg表示该阻尼材料的损耗因子达到最大值时对应的温度。随环境温度的变化阻尼材料的状态可分为3个区域:1表示玻璃态区域、2表示玻璃态转变区域、3表示高弹态区域。

2. 频率对阻尼性能的影响

1475200962899966.jpg

图4 弹性模量、损耗因子随温度变化曲线

粘弹性阻尼材料的弹性模量和阻尼因子随频率f的变化而变化,如图5所示。从图5中可以看出,在某一温度下,弹性模量随频率厂的增加始终呈增加趋势,而损耗因子则呈现增长后下降的趋势,在一定频率下取得最大值。定性地从弹性模量的曲线的形状来看,与阻尼材料的温度特性相反,即说阻尼材料的低温特性对应于材料的高频特性,而高温特性对应于低频特性。

图5 弹性模量、损耗因子随频率变化曲线

2.3阻尼结构

大多数高分子阻尼材料的弹性模量很低,不能直接成为工程中的结构材料,必须将它们粘附于需要作减振降噪处理的构件上,组成复合阻尼结构。在这样的复合结构中,由金属的或非金属的结构材料提供强度,由阻尼材料吸收机械振动能。现有的阻尼复合结构的基本类型有自由阻尼复合结构和约束阻尼复合结构两种,其中约束阻尼结构凭借其更有突出的阻尼性能应用领域更为广泛。

图6 约束阻尼结构示意图

1基层材料;2阻尼层材料;3约束层材料

约束阻尼结构是将黏弹阻尼材料喷涂或粘贴在基本弹性层上,再在阻尼层上部牢固地粘贴一层弹性材料层构成约束层。约束阻尼结构通过阻尼层的剪切形变耗散结构的振动能量,见图6。根据阻尼结构理论,同样的条件下,约束阻尼结构在耗散能量方面约为自由阻尼结构耗散能量的3倍。约束阻尼层结构对高频振动模态有很好的抑制作用,且对结构本身的质量和刚度有较小的改变,具有较高的安全性和可靠性。被广泛应用于薄板、梁、壳体以及板梁组合等轻型结构的减振降噪。

2.4工程应用

黏弹性阻尼材料直接用于结构的减振是其主要的应用方式,一般以片材或涂料形式直接粘贴或涂敷到振动体的表面。如舰船和车辆壳体、船舶甲板、上层建筑、设备基座、各类管道等。由于振动幅度的下降,辐射噪声也随之降低,从而达到减振降噪的目的。由青岛理工大学黄微波教授研发的

Qtech413黏弹阻尼材料已成功应用于青岛地铁的减振降噪,利用隧道结构本身的特点,将约束阻尼概念推广到整个隧道结构,利用阻尼材料耗能减振,取得了良好的减振降噪效果,如图7所示。

图7聚脲在青岛地铁减震降噪中的应用

(1) 喷涂施工(2)阻尼层

利用聚脲进行地铁减振降噪有以下特点:

1. 可与原有混凝土结构巧妙结合,形成多层次、多结构、多梯度的约束阻尼结构,不影响原有结构;

2. 采用约束阻尼结构,更有效降低结构振动,阻尼减振效果可达12~15dB,甚至更高;

3. 阻尼层主要位于隧道壁、道床底部、轨枕周围,距离轮轨较远,实现能量转换,可以有效抑制波磨现象的发生;

4. 阻尼层厚度在2mm以下,可以有效控制横向与纵向位移的变形量,以保障行车安全;

5. 施工速度快、造价低,阻尼材料养护1小时即可投入使用,每公里造价在l00万元左右;

6. 阻尼减振降噪为主,兼顾防水、防腐、加固等功能;

7. 采用聚脲分子结构设计,寿命超过100年,无需更换,一劳永逸。

3结束语

聚脲在国内外的应用已经渗透到各行各业,在超长寿命防护领域更是一枝独秀.成为目前最受欢迎的防腐材料之一。随着大型基础设施建设的增多,相信聚脲技术会得到更加广泛的应用,提供良好的防护性能.延长构筑物的使用年限。而黏弹性阻尼材料的突出优点不仅仅在于它的功能,更在于它的简单易行,价格低廉。只要在振动的金属结构上粘贴或涂覆一层粘弹性阻尼材料,增加结构的阻尼,就可以抑制共振的峰值,减少振动沿结构的传播,降低结构噪声,达到改善环境的目的。同时,粘弹性阻尼材料适用于一切减振降噪工程,通过科学合理的配合和调节,可以制作出不同场合、不同温度或不同频率使用的粘弹性阻尼材料。

本文由四川9762国际至尊品牌建筑工程公司编辑发布,转载请注明出处

本文链接:http://getfireplug.com/article/technical/539.html

联系我们

电 话:028-87650081

传 真:+86-028-87650081

手 机:18782482209 15397630801

邮 箱:345735872@qq.com

地 址:四川省成都市青羊区青羊工业园N区9栋二层

展开