通过配方优化并结合环境因素，对聚氨酯粘合剂用于路面的防水性能进行了研究

《Progress in Materials Science》：A study on water resistance of polyurethane binder for pavements through formula optimization and coupling environmental factors

本研究通过优化聚氨酯（PU）结合剂的化学配比，解决了其在复杂环境耦合下易受水侵蚀的问题。实验表明，分子量1000的PTMEG和R值2.2的配方使水接触角达95.7°，吸水率仅0.06%，同时保持18MPa抗拉强度和266%断裂延伸率。在温度-水、温度-湿度、pH-水耦合作用下，优化配方PU的力学性能保持率超过50%-73%。结构表征显示其微观形貌和热力学参数稳定。研究成果为提升路用材料防水性能提供了理论依据和实践指导。

　　随着交通量的不断增长以及道路环境的日益复杂，对路面材料的工程性能和功能需求也不断提高。传统的沥青路面在高温下容易出现车辙，在低温下容易发生裂缝，并且在长期荷载作用下容易产生疲劳损坏。因此，研究者们开始关注使用聚氨酯（PU）作为沥青粘结剂的替代材料，以改善路面的综合性能和功能表现。PU粘结剂因其在高温和低温性能上的平衡、良好的弹性和韧性、优异的化学耐腐蚀性以及更佳的相容性和施工适应性而受到重视。相比传统的沥青粘结剂，PU粘结剂在路面中表现出更强的抗车辙能力、更稳定的热性能、更好的抗冻融性能、更高的灵活性和抗疲劳性能，以及更长的使用寿命。

然而，PU粘结剂在实际应用中仍然面临一些关键挑战，其中最突出的就是其对水的敏感性。这种敏感性不仅限制了PU粘结剂在路面工程中的广泛应用，也影响了其在复杂环境下的稳定性。因此，本研究旨在优化PU粘结剂的化学组成，以提升其抗水性能，并评估其在多种环境因素耦合作用下的水敏感性。研究发现，PU粘结剂中异氰酸酯（NCO）的类型对其水接触角和水吸收率影响较小，而聚四氢呋喃醚二醇（PTMEG）的分子量（Mn）和硬段与软段的比例（R值）则对其水接触角和水吸收率产生显著影响。随着PTMEG的分子量从650增加到2000，以及R值从1.8提升到2.2，PU粘结剂表现出更高的水接触角和更低的水吸收率，但其机械性能有所下降。因此，为了在保持良好机械性能的同时提高抗水性，研究选择了Mn为1000且R值为2.2的PU粘结剂配方。该配方表现出优异的抗水性能，其水接触角达到95.7°，水吸收率为0.06%，拉伸强度为18 MPa，断裂伸长率为266%。

在多种环境因素的耦合作用下，PU粘结剂的性能变化呈现出不同的特点。例如，在温度与水浸耦合作用下，当温度超过55°C时，PU样品的拉伸强度仍能保持在原PU样品的73%以上；当温度达到85°C时，其拉伸强度则能维持在原样品的54%以上。这表明PU粘结剂在高温和水浸条件下具有较强的稳定性。在温度与相对湿度的耦合作用下，当温度为55°C且相对湿度为90%时，PU样品的拉伸强度仅下降不到15%。这表明在温湿度耦合作用下，PU粘结剂的性能损失较小，具有较好的耐候性。此外，在不同pH值的水浸条件下，当pH值为5和9时，PU样品的拉伸强度分别保持在原样品的75%和80%以上。这说明PU粘结剂在酸性和碱性水环境中的稳定性较高，能够有效抵抗水的侵蚀。

为了进一步提升PU粘结剂的抗水性能，研究者们提出了一系列优化策略，包括选择合适的原材料和配方、降低PU表面的表面能以及设计粗糙的表面结构。这些方法中，优化PU粘结剂的化学结构被认为是最具经济性和实用性的途径，因为可以通过调整异氰酸酯的类型、聚醇的分子量或硬段与软段的比例来实现。其中，异氰酸酯的类型主要影响PU粘结剂中生成基团的结构和极性，聚醇的分子量则影响软段的链长，而R值决定了粘结剂中NCO基团的含量，NCO基团对水具有较高的反应活性。因此，这些材料因素对PU粘结剂的抗水性和机械性能都有深远的影响。

在实际应用中，PU粘结剂可能面临多种环境条件，包括温度、湿度和海水等。研究者们通过实验方法，探讨了不同温度下水浸对PU粘结剂的影响。实验结果表明，随着温度的升高，PU样品的水解速度加快，这可能导致其化学结构的破坏。此外，Lefebvre等人的研究指出，PU粘结剂的水吸收率也随着温度的升高而增加。因此，探索具有优异抗水性能的PU粘结剂成分，并评估其在复杂环境下的水敏感性，具有重要的现实意义。

本研究通过两步法合成不同类型的PU粘结剂，包括异氰酸酯的种类、PTMEG的分子量以及硬段与软段的比例。通过水接触角、水吸收率和拉伸试验等方法，评估PU样品的抗水性能和机械性能。同时，研究还对不同环境因素的耦合作用下PU粘结剂的水敏感性进行了系统分析。实验结果显示，优化后的PU粘结剂在多种环境因素的耦合作用下表现出极小的结构形态变化、玻璃化转变温度变化和化学基团变化。这一结果表明，优化后的PU粘结剂在抗水性和机械性能方面具有良好的稳定性，能够满足路面工程中对高性能和多功能的需求。

本研究的成果为PU粘结剂在路面工程中的应用提供了理论支持和实践指导。通过优化化学组成，可以有效提高PU粘结剂的抗水性能，使其在高温、高湿、酸碱性水等复杂环境下仍能保持良好的性能。同时，研究还发现，优化后的PU粘结剂在不同环境因素的耦合作用下表现出较好的机械性能和结构稳定性，这为其在实际工程中的应用奠定了基础。未来的研究可以进一步探讨PU粘结剂在不同材料组合和环境条件下的性能表现，以实现更广泛的工程应用。此外，还可以结合其他改性技术，如纳米材料的添加，以进一步提升PU粘结剂的综合性能。通过这些努力，PU粘结剂有望成为替代传统沥青粘结剂的更优选择，为道路工程的发展提供新的思路和解决方案。