本发明涉及建筑材料领域，特别涉及一种水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液的制备方法。
背景技术：
聚氨酯灌浆材料具有固结体结构紧密，防渗性好，工艺、设备简单，施工简单方便，可以根据施工中的不同需要调节固化凝固的时间等优点，但是聚氨酯稳定性差，遇到空气中的水分容易固化，在高温、高湿条件下易水解从而降低粘合强度。环氧树脂灌浆材料具有粘结力强、机械强度高，热稳定性和化学稳定好等优点，广泛应用于混凝土接缝/裂缝及其渗漏修补工程，但是环氧树脂灌浆材料存在质脆、韧性差、固化速度慢等问题。因此，将聚氨酯(pu)引入环氧树脂网络来制备pu/ep互穿网络聚合物(pu/epipns)是近年来ep增韧改性研究领域的热点之一，并在电子灌封材料、胶黏剂、涂料等领域得到了应用，但将其应用于灌浆材料的研究报道较少。结合我国灌浆材料研发生产的实际情况，亟需研发更为实用的新型材料和快速整治工艺，为城市交通轨道路基冒浆、结构混凝土裂缝及其渗漏提供一种快速维修方法，以推动城市交通轨道技术进步。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种稳定性好、工艺条件温和、环境友好、成本低的水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液的制备方法，包括下述步骤：
(1)在密闭反应器内，加入聚醚二元醇(ge-210)，在温度为105～115℃、真空度为-0.080～-0.086mpa的条件下脱水2～3h；然后降温至50～55℃，加入2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)；再升温至80～85℃，加入催化剂二月桂酸二丁基锡(dbtdl)反应3～4h；然后在75～80℃，加入二羟基甲基丙酸，反应3～4h，逐步加成聚合得到亲水的聚氨酯预聚体；
(2)将合成的聚氨酯预聚体搅拌均匀，温度控制在70～75℃，加入未开环的双酚a型环氧树脂e-51，反应4～5h，得到聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物；
(3)继续降温至50～55℃，加入开环剂，搅拌反应8～9h；再继续降温到30～40℃，加入三乙胺中和反应30～45min，得到水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物体系；然后在高速搅拌下加入去离子水，剪切分散45～60min，得到水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液。
步骤1中，各原料的配比为：2,6-甲苯二异氰酸酯与聚醚二元醇的摩尔比为(2.8～3.2):1，二羟基甲基丙酸占聚氨酯预聚体质量的5％～6％，催化剂二月桂酸二丁基锡(dbtdl)占聚氨酯预聚体质量的0.07％～0.22％。
步骤2中，未开环的双酚a型环氧树脂e-51占聚氨酯预聚体质量的24％～28％。
步骤3中，所述开环剂为含一个活泼h的脂肪胺化合物；包括二乙胺、二乙醇胺或二正丁胺；优选二乙醇胺。
步骤3中，开环剂的物质的量与双酚a型环氧树脂e-51的物质的量相同，三乙胺的物质的量与二羟基甲基丙酸dmpa的物质的量相同，去离子水的用量为聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物体系总质量的2～3倍。
本发明的技术路线如下：
(1)2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)与聚醚二元醇(ge-210)和二羟基甲基丙酸(dmpa)逐步加成聚合，合成亲水的聚氨酯预聚体：
(2)加入未开环的双酚a型环氧树脂e-51，与聚氨酯预聚体中剩余的-nco基团反应：
(3)选用含一个活泼h的脂肪胺化合物作为开环剂，反应式(1-4)为二乙胺作为开环剂的反应原理：
(4)采用三乙胺(tea)中和水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物体系，并在适当的搅拌速度下水分散成乳液：
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
(1)本发明的原料简单易得，工艺条件温和，在不破坏环氧基团的情况下，将聚氨酯引入到环氧树脂中，改善了树脂的柔韧性和耐冲击性。
(2)本发明利用亲水基团(羧基)与环氧树脂开环反应引入羟基进行亲水改性，既能制得稳定性良好的水分散体，又使灌浆材料有较好的耐水性，体现了两者的协同效应。
(3)本发明在聚合物分子设计中引入环氧基结构，形成“潜伏”的交联点，减弱聚合过程中交联程度，避免因环氧树脂过度交联导致体系粘度过大及凝胶。
(4)采用小分子胺类化合物对环氧树脂开环，消除环氧基对乳液存稳定性的负面影响，得到了稳定性和分散性很好的乳液材料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
在密闭反应器内，加入聚醚二元醇(ge-210)90.0g，在温度为105℃，真空度为-0.080mpa的条件下脱水2h，降温至50℃，加入2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)43.9g，升温至85℃，加入催化剂二月桂酸二丁基锡(dbtdl)0.1g，反应3h，然后在80℃，加入二羟基甲基丙酸6.7g，反应3h，逐步加成聚合得到亲水的聚氨酯预聚体，降温至75℃，加入未开环的环氧树脂(e-51)32.1g，反应4h，得到聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物；继续降温至50℃，加入开环剂二乙醇胺8.6g，搅拌反应8h。然后继续降温到30℃，加入三乙胺5.1g中和反应30min，在高速搅拌下加入适量去离子水345.4g，剪切分散45min后得到水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液。
实施例2
在密闭反应器内，加入聚醚二元醇(ge-210)90.0g，在温度为110℃，真空度为-0.083mpa的条件下脱水2.5h，降温至52℃，加入2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)47.0g，升温至80℃，加入催化剂二月桂酸二丁基锡(dbtdl)0.2g，反应3.5h，然后在75℃，加入二羟基甲基丙酸7.0g，反应3.5h，逐步加成聚合得到亲水的聚氨酯预聚体，降温至70℃，加入未开环的环氧树脂(e-51)35.1g，反应4.5h，得到聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物；继续降温至55℃，加入开环剂二乙醇胺9.4g，搅拌反应8.5h。然后继续降温到35℃，加入三乙胺5.3g中和反应40min，在高速搅拌下加入适量去离子水537.3g，剪切分散50min后得到水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液。
实施例3
在密闭反应器内，加入聚醚二元醇(ge-210)90.0g，在温度为115℃，真空度为-0.086mpa的条件下脱水3h，降温至55℃，加入2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)50.2g，升温至85℃，加入催化剂二月桂酸二丁基锡(dbtdl)0.3g，反应4h，然后在75℃，加入二羟基甲基丙酸8.4g，反应4h，逐步加成聚合得到亲水的聚氨酯预聚体，降温至70℃，加入未开环的环氧树脂(e-51)39.2g，反应5h，得到聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物；继续降温至50℃，加入开环剂二乙醇胺10.5g，搅拌反应9h。然后继续降温到40℃，加入三乙胺6.4g中和反应45min，在高速搅拌下加入适量去离子水563.4g，剪切分散60min后得到水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液。
实施例4
在密闭反应器内，加入聚醚二元醇(ge-210)90.0g，在温度为110℃，真空度为-0.086mpa的条件下脱水2h，降温至50℃，加入2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)47.0g，升温至80℃，加入催化剂二月桂酸二丁基锡(dbtdl)0.1g，反应3h，然后在75℃，加入二羟基甲基丙酸8.1g，反应3.5h，逐步加成聚合得到亲水的聚氨酯预聚体，降温至70℃，加入未开环的环氧树脂(e-51)35.1g，反应4h，得到聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物；继续降温至50℃，加入开环剂二乙胺6.5g，搅拌反应8.5h。然后继续降温到40℃，加入三乙胺6.2g中和反应40min，在高速搅拌下加入适量去离子水450.5g，剪切分散60min后得到水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液。
实施例5
在密闭反应器内，加入聚醚二元醇(ge-210)90.0g，在温度为115℃，真空度为-0.080mpa的条件下脱水3h，降温至50℃，加入2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)45.4g，升温至81℃，加入催化剂二月桂酸二丁基锡(dbtdl)0.2g，反应4h，然后在77℃，加入二羟基甲基丙酸7.3g，反应4h，逐步加成聚合得到亲水的聚氨酯预聚体，降温至70℃，加入未开环的环氧树脂(e-51)35.8g，反应3h，得到聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物；继续降温至55℃，加入开环剂二乙胺6.7g，搅拌反应8h。然后继续降温到35℃，加入三乙胺5.5g中和反应30min，在高速搅拌下加入适量去离子水535.5g，剪切分散60min后得到水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液。
实施例6
在密闭反应器内，加入聚醚二元醇(ge-210)90.0g，在温度为105℃，真空度为-0.086mpa的条件下脱水3h，降温至55℃，加入2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)50.2g，升温至83℃，加入催化剂二月桂酸二丁基锡(dbtdl)0.3g，反应3h，然后在76℃，加入二羟基甲基丙酸7.6g，反应4h，逐步加成聚合得到亲水的聚氨酯预聚体，降温至72℃，加入未开环的环氧树脂(e-51)39.2g，反应4h，得到聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物；继续降温至53℃，加入开环剂二乙胺7.3g，搅拌反应8.5h。然后继续降温到30℃，加入三乙胺5.7g中和反应45min，在高速搅拌下加入适量去离子水374.0g，剪切分散50min后得到水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液。
实施例7
在密闭反应器内，加入聚醚二元醇(ge-210)90.0g，在温度为115℃，真空度为-0.080mpa的条件下脱水2h，降温至50℃，加入2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)50.2g，升温至85℃，加入催化剂二月桂酸二丁基锡(dbtdl)0.3g，反应4h，然后在80℃，加入二羟基甲基丙酸7.6g，反应4h，逐步加成聚合得到亲水的聚氨酯预聚体，降温至72℃，加入未开环的环氧树脂(e-51)36.8g，反应3h，得到聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物；继续降温至50℃，加入开环剂二正丁胺12.1g，搅拌反应9h。然后继续降温到40℃，加入三乙胺5.7g中和反应45min，在高速搅拌下加入适量去离子水461.5g，剪切分散60min后得到水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液。
实施例8
在密闭反应器内，加入聚醚二元醇(ge-210)90.0g，在温度为110℃，真空度为-0.083mpa的条件下脱水2.5h，降温至52℃，加入2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)50.2g，升温至82℃，加入催化剂二月桂酸二丁基锡(dbtdl)0.3g，反应3.5h，然后在75℃，加入二羟基甲基丙酸8.1g，反应4h，逐步加成聚合得到亲水的聚氨酯预聚体，降温至72℃，加入未开环的环氧树脂(e-51)38.4g，反应3.5h，得到聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物；继续降温至52℃，加入开环剂二正丁胺12.7g，搅拌反应8.5h。然后继续降温到35℃，加入三乙胺6.2g中和反应50min，在高速搅拌下加入适量去离子水560.1g，剪切分散50min后得到水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液。
实施例9
在密闭反应器内，加入聚醚二元醇(ge-210)90.0g，在温度为105℃，真空度为-0.086mpa的条件下脱水3h，降温至55℃，加入2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)48.6g，升温至80℃，加入催化剂二月桂酸二丁基锡(dbtdl)0.3g，反应4h，然后在75℃，加入二羟基甲基丙酸7.9g，反应3.5h，逐步加成聚合得到亲水的聚氨酯预聚体，降温至70℃，加入未开环的环氧树脂(e-51)39.2g，反应4h，得到聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物；继续降温至50℃，加入开环剂二正丁胺12.9g，搅拌反应8h。之后继续降温到30℃，加入三乙胺6.0g中和反应30min，在高速搅拌下加入适量去离子水371.4g，剪切分散45min后得到水性聚氨酯-环氧树脂互穿网络聚合物乳液。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。