文摘

为了揭示非水活性聚氨酯灌浆材料的介电性能,结合电子显微镜测试分析,可以看出,非水溶剂反应性聚氨酯材料是一种多孔聚氨酯矩阵组成的两阶段身体和关闭细胞。在微观层面,多孔两阶段建立物理模型,构造和材料的介电模型在此基础上。为了验证介质模型,40组非水活性聚氨酯标本具有不同密度的设计和准备。介电常数测量的一个矢量网络分析仪(VNA)以开放的同轴探针1050 MHz ~ 5010 MHz的频率范围内第一次和介电性能及影响因素显示根据测试数据。结果表明,非水溶剂反应性聚氨酯材料的介电性能随密度的增加,并与频率的增加略有减少。与规则的三种模式的混合物,Clausius-Mossotti模型和Lichtenecker模型,Maxwell-Garnett模型的计算精度较高,和计算结果更符合非水活性聚氨酯灌浆材料的实验结果。实验结果可以应用于聚氨酯灌浆材料的无损检测提供参考和聚合物结构的质量评价的依据。

1。介绍

作为一种新型的基础设施的修复和防渗灌浆材料,聚氨酯主要用于地基加固、土壤密实化、填充、防渗堵漏和其他维修项目(1,2]。无损检测设备可以评估路面质量和灌浆效果基于灌浆材料的介电性能的变化在不同的位置在一个特定的路段(3,4]。材料的相对介电常数可以描述它的密度,如果这些值变化明显,可以检测到缺陷(5,6]。因此,在评价灌浆效果,测定聚氨酯灌浆材料的介电性能会影响检测的准确性。准确的介电性能的技术有一定的局限性的固体样品由于错误的样本之间的差距和开放的调查(7- - - - - -10]。更准确的方法来有效的低损耗固体电介质介电常数测量GHz范围群谐振器或waveguide-based技术(11)和宽带同轴传输线技术(12]。然而,同轴探针的测试频率范围宽,测量材料的样品很容易制作和过程,只需要测量表面光滑,适合测量固体介质介电常数的平面。因此,使用E5071C网络分析仪与终端开放的同轴探针更适合高温材料的无损检测。

聚氨酯灌浆材料通常是由两种材料混合和反应的多元醇、异氰酸酯两阶段的身体有一定的强度,所以它的介电性能可以通过复合介质模型特征(13]。建立一个综合介电模型显示了功能复合材料的相对介电常数之间的关系和其组件的相对介电常数(14,15]。

聚氨酯灌浆材料是一种新型的非金属材料广泛应用于工程、和大多数以前的研究侧重于工程性能。施等人研究polymer-grouting材料的抗压强度的变化规律在不同温度和聚合物样品的体积的变化规律。结果表明,聚合物材料的抗压强度随密度的增加;在同一密度,抗压强度随温度的增加而减小(16]。郑等人准备polymer-grouting与不同密度材料,并系统地研究了聚氨酯polymer-grouting材料的弯曲和压缩特性与不同密度通过三点弯曲加载试验和单向压缩试验。结果表明,高分子灌浆材料的抗弯强度和抗压强度结构聚合物密度的增加与增加二次函数和线性函数,分别,而弯曲变形能力随密度的增加(17]。

当前的趋势在土木工程材料的无损检测主要是检测缺陷的混凝土和沥青混合结构,用声学方法控制领域(18,19]。Beverte等人进行了为期一年的实验研究使用电容式单面访问传感器研究空气温度的影响,压力和相对湿度测量介电常数的硬质聚氨酯泡沫塑料和聚氨酯不同密度的积分。结果表明,湿度的效果最大的介电常数20.,21]。Al-Qadi使用获得的数据来自12个不同的路探地雷达系统由两个部分,并使用air-coupled探地雷达系统的复介电常数计算热拌沥青在750 ~ 1750兆赫的频率范围22]。金等人认为3水灰比和4水平的氯离子添加在水泥砂浆样品介电实验。结果表明,电导率和介电常数降低线性的增加碳化率和抗压强度的减少,和确定系数很大23]。陈等人进行了介电谱测量在低频率范围(10²~ 10⁶赫兹)不同等级的纯沥青和沥青wax-modified (WMB) [24]。玉等人研究了相对湿度的影响,温度和介质介电常数的频率沥青混合物。结果表明,在30 ~ 60°C的温度范围内,沥青混合料的相对介电常数和损耗随着温度的增加而增加,但增加速度逐渐减慢随着温度的增加。1 kHz ~ 1 MHz的频率范围,电介质的介电常数与频率的增加,沥青混合料将减少和降低率将随着相对湿度的增加而增加25- - - - - -27]。

指的是研究沥青的介电性能,土壤和其他相关材料,本文研究了聚氨酯灌浆材料的介电性能影响因素。本文分析了微观物理结构通过电子显微镜实验,以及多孔建立物理模型。40组标本在此基础上,利用了不同密度的白手起家的注浆模具在实验室。在1050 MHz ~ 5010 MHz的频率范围,VNA的介电常数测量方法使用一个开放的同轴探针。根据收集到的测试数据,非水溶剂反应性聚氨酯材料的介电性能及影响因素进行了系统地分析。随后,Maxwell-Garnett非水溶剂聚氨酯材料的介电模型构造和与其他三个模型。结果显示Maxwell-Garnett模型的有效性和精度高的非水溶剂聚氨酯材料。

2。实验

2.1。主要原料

聚氨酯聚氨基甲酸酯的简称。聚氨酯灌浆材料分为两种类型,非水的活性和水反应。非水活性聚氨酯灌浆材料(以下简称非水溶剂聚氨酯材料)是一种非水溶剂反应,双组分聚氨酯泡沫材料。不同于water-reactive聚氨酯材料、非水溶剂聚氨酯材料不需要水作为催化剂,所以只需要注入灌浆压力下双组分聚氨酯原材料,然后发生化学反应,形成非水溶剂的体积扩大并巩固了聚氨酯材料(28,29日]。其主要成分指标如表所示1。在反应过程中不需要水,两个组件完全混合,然后聚合形成凝固的身体有一定的强度,从而支持整体材料。凝胶的主要反应在聚合过程中反应(如图1),即以区域集团的异氰酸酯和多元醇反应形成的-哦组聚氨酯聚合物。这个反应过程安全、环保,不会排放有害物质,反应温度高达 °C (30.]。测试过程如图2。

2.2。试样的微观结构的分析

作为高分子聚合物泡沫结构,非水溶剂聚氨酯材料的性能不仅与聚氨酯的密度矩阵,还对其细胞结构密切相关。气孔的形成是一个复杂的过程,大致分为三个阶段。(一)成核阶段:两种材料的反应释放出来的气体系统中形成过饱和溶液,然后从液相沉淀形成微小气体原子核。这个过程也被称为“self-nucleation反应。”(b)细胞生长阶段:反应不断释放出来的气体进入气核,和气核生长成一个泡沫和迅速增长的估计量。那么泡沫可能接触到彼此产生泡沫,所以系统中气孔的数量减少了。(c)细胞结构稳定阶段:进步的聚合反应,提高系统的粘度及凝胶发生,和细胞的大小和形状是固定的,形成最终的细胞结构。

材料的宏观性质取决于微观尺度的结构和形态。针对非水溶剂聚氨酯材料的多孔特性在微观层面,电子显微镜实验是需要观察微观结构的非水溶剂聚氨酯标本。由于有限的测试环境,电子显微镜的照片参考(31日]本文推导出物理模型,四个结论。(1)在微观层面,非水溶剂聚氨酯材料是一个细胞结构由多个闭孔细胞密切接触,每个细胞都是一个独立的和分散的存在。因此,聚氨酯材料的密度与孔隙度和密度有很大关系的聚氨酯矩阵。本文引用其他文献[32- - - - - -34)全面获得的最大密度聚氨酯矩阵 (2)当密度小,细胞的形状是一个圆和一个多边形之间,以及每个单元之间的接触面比较大。随着密度的增加,孔隙的形状从多边形、椭圆和圆形细胞逐渐变化(3)细胞的直径0.11克/厘米³样品通常是大于150μm,细胞直径的0.40克/厘米³样品通常是不到220μm。随着密度的增加,细胞直径减少,细胞之间的接触表面变得更小,自由空间增加,孔隙度减少(4)基质细胞之间是连续的,随着密度的增加,相邻细胞之间的细胞壁厚度也增加了

其介电性能的物理模型建立了通过微观结构分析,电子显微镜图像,如图3。当构建物理模型、非水溶剂聚氨酯材料可以被视为一个两阶段的身体组成的聚氨酯矩阵和细胞。内microunit标本,microunit的体积是1,介质介电常数的值 。聚氨酯矩阵是一个连续分布介质介电常数的价值和一个卷 。细胞可以被视为球体均匀分布的矩阵,用介电常数的价值和一个卷 。根据有效介质理论,密切相关 , , ,和 。

为了估计整个聚氨酯样品的孔隙度,气体的质量在单位体积很小,相对于质量单位体积和聚氨酯的矩阵可以忽略

的方程,非水溶剂聚氨酯材料单位体积的质量 。

聚氨酯矩阵和细胞的体积比在单位体积的聚氨酯材料可以表示为 (1)的方程,和细胞的体积和聚氨酯矩阵和是什么单位体积的非水溶剂聚氨酯标本,

, ,和非水溶剂聚氨酯材料的密度,细胞,分别和聚氨酯矩阵。

铸非水溶剂聚氨酯标本的密度范围内控制 ,因此,计算孔隙度 。这表明该材料是一种高孔隙率材料。

2.3。介电特性试验

在实验之前,一个容易拆卸钢制模具制造,如图4 (c)。模具是一个空心圆柱体的内径70.6毫米,高120毫米,壁厚3毫米。原材料的测试数据所示4(一)和4 (b)。根据目前标准(GB / T 6343 - 2009) (35)和(GB / T 12811 - 1991) (36、铸造、密度测量和显微组织观察试样的。

为了促进demolding,润滑油膜通常是应用于模具的内壁与浇注前刷。在室温(15 ~ 20°C),开始灌浆设备和混合两个组件放入模具中均匀并迅速。两种材料混合后,发生激烈的反应,迅速填补了模具空间。标本不同密度可以通过控制灌浆量,如图4 (d)。浇注密度范围是0.073克/厘米³~ 0.418克/厘米³。灌浆后,等待材料充分反应,然后冷却demolding前30分钟。

由于损坏或不均匀两端的标本在灌浆过程中,有必要把标本底部移除缺陷或冗余部分。确定最终的标本缸直径68毫米,高110毫米,和每个标本之间的误差范围控制在±0.1毫米。总共有40个标本不同密度倒在该测试中,每个样品的重量记录,计算其实际密度,标本的密度满足需求编号。

执行介质介电常数测量与安捷伦E5071C网络分析仪与终端开放同轴高温探头(37]。高温探头如图4。这个探针不能仅仅测量腐蚀性化学物质,但也可以用来测试固体平面接触的表面。可测试的样本大小是半无限厚(38]。

产生的电磁波传输网络分析仪试样通过同轴电缆和探测器和散射参数测量通过测量反射信号的相位和振幅的试样。复介电常数的实部和虚部然后从散射参数使用相关软件计算并记录最终的输出。仪器进行自动频率扫描每50 MHz的频率范围1050 MHz ~ 5010 MHz,和具体的测试过程和结果显示在文献[39]。

在测试前,为了提高测试精度和消除反射信号产生的电磁波在不连续处,获取相关参数,必须使用已知的校准仪器系统中纯水作为标准(见图5)。校准后,40非水溶剂聚氨酯标本不同密度被放置在探测器测量介质介电常数。在测量过程中,必须指出的是,接触表面应平坦没有漏洞,空洞、气泡,以避免错误造成的不完全符合探测器和被测对象之间的关系。为了提高测量精度,测量10个不同的点选择每个试样的测量表面,并代表值的平均值为试样的介电性能。在测试期间,室内湿度为60%,温度是20°C。

3所示。建设和验证的介电模型

非水溶剂反应性聚氨酯材料通常被认为是组成的两相复合媒体矩阵和毛孔。为了研究这种复合材料的介电性能的函数的参数如单相介质的介电性能和体积率的单相介质,常用的应用复合介质模型研究了非水溶剂反应性聚氨酯材料的介电性能与实验结果考虑材料的介电性能。

根据合适的介电模型,电介质介电常数可以计算任何频率和材料密度。从上面的分析可以看出,在考虑的频率范围 ,气相的介质介电常数的值 在这项研究中,选择和聚氨酯的介质介电常数的值矩阵是在4。

3.1。Maxwell-Garnett模型

在哪里是介电常数矩阵的非水溶剂聚氨酯材料和关闭细胞气相的介质介电常数。

Maxwell-Garnett模型已成功应用于预测混合物的介电性能与低体积填充率( )(40]。然而,随着矩阵相体积分数的增加,Maxwell-Garnett模型估计开始偏离,特别是发生在高电介质介电系数矩阵之间的混合物。

3.2。的混合物

根据多孔和闭孔微结构特征的非水溶剂聚氨酯材料,它被视为一个聚氨酯矩阵组成的两相复合材料,气相,非水溶剂聚氨酯标本是在干燥和无水状态的测试。从并联模型,两个组件的材料被认为是在并行模式下时,颗粒大小类似于样品的厚度(41]。假设每个单一的介质介电常数介质介电常数的频率是成交量加权平均每个阶段。 在哪里 , , ,和 。

从方程(2),(3)和(5),

3.3。Clausius-Mossotti模型

Clausius-Mossotti模型中,聚氨酯矩阵视为连续均匀介质,和闭孔泡沫分布领域嵌入在连续矩阵。极化不受外加电场,和电荷填补之间的接口关闭细胞和聚氨酯矩阵并生成一个内部电场。然后,两相复合材料的有效介电常数可以表示为 在哪里 , , ,和 。

然而,该模型适用于高频率。或者当极性分子形成稀溶液在非极性溶剂,Clausius-Mossotti模型预测。

3.4。Lichtenecker模型

聚氨酯材料被认为是聚氨酯的两阶段混合矩阵和细胞的组合。计算的有效介电常数,Lichtenecker模型可以表示为

当组件的数量 ,方程两边取自然对数。

它可以看到从上面的四种模式,如果 ,也就是说,当 ,然后只与材料的介电常数和密度有关,和介电常数的值计算了每个模型都是平等的。因此,孔隙度的影响时,必须考虑计算非水溶剂聚氨酯材料的介电性能。因为非水溶剂聚氨酯材料是一个两相混合物,其孔隙度非常高( ),气相介质的介电常数 ,所以非水溶剂聚氨酯的电介质介电常数很低(≤2)。例如,非水溶剂聚氨酯标本的密度范围测量在这个测试 ,和介质介电常数的值的范围内

4所示。结果与讨论

这个测试工具执行自动频率扫描测量每50 MHz的频率范围1050 MHz ~ 5010 MHz。样品1的测量数据( )和标本30 ( )被随机选中的情节介电谱(见图6)。从测量数据点在图6,可以看出,数据结果的同轴探针法测量高色散,而计量点的选择和测量的健康也有很大的影响的结果,从而产生错误的测试结果。然而,我们可以看到在图6的实部和虚部,介电常数随着频率降低。这可能是由于这一事实界面极化和空间电荷极化过程逐渐无法跟上变化的频率逐渐增加的频率,从而导致介电常数的减小。

4.1。之间的关系和

在这个测试中,一个自动执行频率扫描测量每隔50 MHz的频率范围1050 MHz ~ 5010 MHz,和数据三个频率选为代表分析: , ,和 。测试数据的分析,发现介质介电常数的增加,试样的密度的增加,如图7。在其他频率,实验数据的趋势线 是相似的。

从图可以看出7非水溶剂聚氨酯标本的密度范围测量的测试 ,电介质介电常数之间的关系和密度呈正相关。在1050 MHz ~ 5010 MHz的频率范围,电介质介电常数略有减少随着频率的增加。

略非线性,可以近似的二阶多项式的最小二乘法

其中,是确定系数, 表明拟合程度很好。

从拟合的介电常数和密度之间的关系方程(10),(12)和(14),它可以知道(1)当非水溶剂聚氨酯标本的密度 ,聚氨酯的电介质介电常数矩阵可以计算。当 , ;当 , ;当 , 。在1050 MHz ~ 5010 MHz的频率范围,聚氨酯基体的介电常数的价值由实验决定在4,和它与频率的增加略有减少(2)当非水溶剂聚氨酯标本的密度→0时,气相的介质介电常数可以计算。当 , ;当 , ;当 , 。在考虑频率范围 ,极限值的气相介质介电常数的值决定了该测试 。这是符合介质介电常数的值大多数气体在1.00006 ~ 1.01的范围,如氦的电介质介电常数 ,干燥的空气的介电性能 ,和甲基溴的电介质介电常数 (42,43]

考虑到1050 MHz ~ 5010 MHz的参考频率范围的红外辐射频率低于300 GHz,假定气相介质介电常数的上述频率是恒定的。因此,介质介电常数的值 气相的选择进行进一步的计算在这个研究。这一结论也为介质模型的建立奠定了基础的非水溶剂聚氨酯材料在以下。

4.2。计算了不同介质模型

上面的四个模型建立的分析假设的最大密度聚氨酯矩阵 。根据方程(2)和(3),和具有不同密度计算和替换为每个模型得到的介电常数计算值模型在不同密度不同的频率,然后比较和分析测量介电常数的值。因此,如图8、非水介质介电常数的聚氨酯材料密度有很强的依赖。密度越高,介电常数越高。它也有一定的频率依赖性,介电常数略有下降随着频率的增加。

模型比较分析图表和相对误差图三个频率图8所有显示(1)所有实验数据点之间的界限由Lichtenecker模型的混合法(上)和(下)(2)介质介电常数的值计算的混合法是最大的,超过12%的平均误差计算。这是因为混合法律仅仅添加了两相物质,而不考虑这部分的气体在整个聚合物是由两种材料的混合反应,不仅仅是一个简单相加的两个阶段(3)Clausius-Mossotti模型的计算结果和Lichtenecker模型非常接近,而计算的平均相对误差约为5% ~ 7%,但Lichtenecker模型的计算结果总是低于Clausius-Mossotti模型。这是因为在Lichtenecker模型中,虽然两相介质的介电常数与孔隙度指数增加,材料的孔隙度不超过1在低密度( )。因此,介质介电常数的值计算与Lichtenecker模型增加在低密度最小(4)Maxwell-Garnett模型的平均相对误差是最小的,都在4%左右。因此,与混合法相比,Clausius-Mossotti模型和Lichtenecker模型,Maxwell-Garnett模型具有更高的预测精度在计算非水溶剂聚氨酯材料的介电性能

5。结论

在这项研究中,结合以前的经验,第一次尝试研究非水溶剂聚氨酯材料的电介质介电常数在不同密度和频率使用矢量网络分析仪和一个开放的同轴探针在1050兆赫到5010兆赫的频率范围。三个结论的研究和分析,可以提供参考的评价灌浆效果非水溶剂聚氨酯材料的无损检测方法。(1)材料的宏观性质取决于其结构在微观尺度。高分子材料是闭孔和多孔,随着密度的增加,孔隙形状的泡沫逐渐改变从多边形、椭圆和圆形,直径减小。孔隙泡沫之间的接触面小,自由空间大(矩阵增加)和孔隙度也降低(2)在这个实验中,非水溶剂反应性聚氨酯灌浆材料的介电常数的值在不同的频率和密度1050 MHz ~ 5010 MHz的测试和回归分析。二阶多项式拟合介电常数和密度在不同频率之间的关系,建立了密度和介电常数增加的机理。而介质介电常数降低了稍微随着频率的增加(3)单片的非水溶剂聚氨酯样品被认为是“polymer-gas阶段”的非均匀介质,和Maxwell-Garnett模型与其他三个模型。结果表明,Maxwell-Garnett模型更适合预测非水溶剂聚氨酯材料的介电性能,计算值之间的平均误差和测量值小于5%,远高于其他三种预测模型。在未来,Maxwell-Garnett模型可以用来估计非水活性聚氨酯材料的介电性能

由于实验方法的局限性,研究非水溶剂聚氨酯材料的介电性能的影响在本文中并没有考虑湿状态,和后期的进一步研究是必要的。

数据可用性

所有的数据都可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究支持由中国国家自然科学基金(51608197和51608197号)和河南高等教育机构的主要研究项目(23 b570001)。