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[摘要]耐湿热老化性能作为建筑结构胶,特别是用于承重结构加固改造的粘钢胶、植筋胶、碳纤维胶的重要性能,对胶粘剂的耐久性和使用寿命都有重要的影响。本文对建筑结构胶的耐湿热老化性能进行了较为系统的研究,并采用自制的固化剂,较好地解决了国产建筑结构胶的耐湿热老化性差的问题。
[关键词]建筑结构胶;耐湿热;老化性能研究
1、前言
建筑结构胶已广泛应用于混凝土结构的加固、维修与改造方面。特别是近十年来,国内的建筑结构胶无沦是品种,还是产销量都呈陕速发展的势头,但市售及工程应用的结构胶,良莠不齐,给工程质量和安全带来极大的隐患。因此,对建筑结构胶的耐湿热老化性能的研究具有重要的现实意义。
2、实验部分
2.1主要原料及设备
液体双酚A型环氧树脂,工业品;环氧树脂增韧剂,工业品;无机填料,工业品;低分子聚酰胺类固化剂,工业品;改性脂肪胺类、脂环胺类、芳香胺类、CP-D5等固化剂,自制;助剂,工业品;万能材料试验机;湿热老化试验箱。
2.2配胶
将环氧树脂、环氧树脂增韧剂、无机填料和助剂充分混合均匀为甲组分,将各类固化剂(或其混合物)、无机填料和助剂充分混合均匀为乙组分。
2.3耐湿热老化性能测试
(1)将甲乙组分按一定的质量比混合均匀后,按GB/T7124-1986粘接拉伸剪切碳钢试片后,在室温下固化。
(2)将固化完全后的剪切试片做防锈处理(露出粘接部位),放入湿热老化试验箱,在(50±2)℃,95%以上湿度的环境中进行老化试验。
(3)按GB/T7124-1986测定老化后的试片常温下的剪切强度,并与老化前的试片比较。
3、结果与讨论——建筑结构胶的耐湿热老化性能研究
3.1固化剂的性能概述
环氧树脂的固化剂种类很多,但适用于建筑结构胶的固化剂以胺类(一般是改性胺类)为主。由于固化剂的性能对胶粘剂的性能(例如粘接性能、胶本体性能、耐老化性能、耐温性、耐介质性能、施工工艺性能等)起着决定作用,选择不同的固化剂所配制的建筑结构胶性能也不尽相同。改性脂肪胺类固化剂粘度小,毒性低,能在常温下固化环氧树脂,固化物的韧性较好,但耐温性不足;低分子聚酞胺与环氧树脂配比范围较宽,常温适用期长,固化物收缩小、抗冲击性好,但耐热、耐溶剂性能差芳香胺类固化剂适用期长,耐热性良好,但一般需要加温才能固化完全,由于一般是固体状态,用做建筑结构胶时需改心变成液态后才能被使用;脂环胺类固化剂粘度低,挥法性小,耐热性佳,但常温固化不完全。
3.2固化剂对湿热老化性能的影响
分别以A、B、C、D代表所选用的固化剂,A为低分子聚酞胺;B为改性脂肪胺;C为芳香胺;D为脂环胺。用混合环氧树脂与不同种类固化剂配合后,所得胶粘剂湿热老化性能如下表1所示。
由于分子结构本身的原因,低分子聚酞胺的耐湿热老化存在“先天不足”,关于这一点,已有文献详细论述。为改善低分子聚酞胺的耐湿热性能,本文采用了复配方法。从表1可以看出:聚酞胺分别与芳香胺和脂环胺复配后,耐湿热性能有所改善,但并不理想,而与芳香胺和脂环胺同时复配后,耐湿热性得到明显提高,这可能是所谓“协同作用”的结果。改性脂肪胺单独做固化剂时,湿热老化性能一般,但与芳香胺或脂环胺复配后有大幅度提高,主要是因为芳香胺或脂环胺的加入而提高了胶粘剂的耐温性。脂肪胺与芳香胺和脂环胺一起复配后,耐湿热老化性能良好,但老化前的室温剪切强度偏低,这进一步说明:1)芳香胺或脂环胺在室温下固化不完全,而在老化条件的高温环境下继续固化;2)芳香胺和脂环胺复配后的固化剂具有优良的耐湿热性。CP-05也是一种复配固化剂,其中含有自制的促进剂,使胶粘剂的耐湿和耐热性同步加强,同时在室温固化时亦有较高的粘接强度,能满足国家标准的要求。
3.3增韧剂对湿热老化性能的影响
增韧剂不仅能改善环氧树脂胶粘剂的脆性,有时还能提高胶粘剂的弹性模量。增韧剂的加入与否和增韧剂的种类都影响到胶粘剂的湿热老化性能,以CP-05做固化剂,具体实验结果见表2。
其中,增韧剂1和增韧剂2是聚合物多元醇类,增韧剂3是丁腈橡胶。加入增韧剂后,胶粘剂的耐湿热老化性能均有所下降。由于增韧剂1的分子结构中含有不耐水解的酯基,所以在高温高湿条件下,剪切强度下降幅度最大;增韧剂2中含有耐水解的醚键,在一定程度上改善了胶粘劑的耐湿热l生。在所选择的三种增韧剂中,丁腈橡胶的耐湿热性能最好,但是丁腈橡胶与环氧树脂相容性差,所配制的胶粘剂易分层,造成施工工艺性能欠佳。
3.4无机填料对湿热老化性能的影响
建筑结构胶的种类较多,按用途可分为粘钢胶、植筋胶、碳纤维胶等。粘钢胶和植筋胶中均含有大量的无机填料,无机填料对胶粘剂的湿热老化性能的影响不容忽视。无机填料的种类、粒径大小、粒度分布、颗粒形状都会影响到胶粘剂的耐湿热性能。
酸性填料的耐湿热性能最差,原因可能是由于在高温高湿的作用下,固化后的环氧树脂在酸性环境中会慢慢降解。实验表明,粒径小的填料对提高胶粘剂的粘接剪切强度有利,因此在一定目数范围内,细颗粒填料的耐湿热性占明显优势。片状结构的填料可能会增加胶粘剂固化后的内应力,所以其耐湿热性能低于球形填料。
3.5助剂对湿热老化性能的影响
建筑结构胶的配方中一般会加入少量助剂,例如:加入触变剂,增加胶粘剂的抗流挂性;加入固化促进剂,能加快胶粘剂的固化速度并能使胶粘剂固化更完全;加入偶联剂,提高胶粘剂的粘接性等。实验表明,助剂的加入对胶粘剂的湿热老化性能几乎没有影响,加入合适的助剂不会影响胶粘剂的耐湿热老化性能。
结论:
综上所述,固化剂对建筑结构胶的耐湿热老化性能有决定性的影响。低分子聚酰胺固化剂耐湿热老化性最差,芳香胺和脂环胺复配能显著提高建筑结构胶的耐湿热老化性能。增韧剂的加入会降低建筑结构胶的耐湿热老化性。宜选用中性、球形、粒度小的无机填料。加入合适的助剂不会影响建筑结构胶的耐显热老化性能。
[关键词]建筑结构胶;耐湿热;老化性能研究
1、前言
建筑结构胶已广泛应用于混凝土结构的加固、维修与改造方面。特别是近十年来,国内的建筑结构胶无沦是品种,还是产销量都呈陕速发展的势头,但市售及工程应用的结构胶,良莠不齐,给工程质量和安全带来极大的隐患。因此,对建筑结构胶的耐湿热老化性能的研究具有重要的现实意义。
2、实验部分
2.1主要原料及设备
液体双酚A型环氧树脂,工业品;环氧树脂增韧剂,工业品;无机填料,工业品;低分子聚酰胺类固化剂,工业品;改性脂肪胺类、脂环胺类、芳香胺类、CP-D5等固化剂,自制;助剂,工业品;万能材料试验机;湿热老化试验箱。
2.2配胶
将环氧树脂、环氧树脂增韧剂、无机填料和助剂充分混合均匀为甲组分,将各类固化剂(或其混合物)、无机填料和助剂充分混合均匀为乙组分。
2.3耐湿热老化性能测试
(1)将甲乙组分按一定的质量比混合均匀后,按GB/T7124-1986粘接拉伸剪切碳钢试片后,在室温下固化。
(2)将固化完全后的剪切试片做防锈处理(露出粘接部位),放入湿热老化试验箱,在(50±2)℃,95%以上湿度的环境中进行老化试验。
(3)按GB/T7124-1986测定老化后的试片常温下的剪切强度,并与老化前的试片比较。
3、结果与讨论——建筑结构胶的耐湿热老化性能研究
3.1固化剂的性能概述
环氧树脂的固化剂种类很多,但适用于建筑结构胶的固化剂以胺类(一般是改性胺类)为主。由于固化剂的性能对胶粘剂的性能(例如粘接性能、胶本体性能、耐老化性能、耐温性、耐介质性能、施工工艺性能等)起着决定作用,选择不同的固化剂所配制的建筑结构胶性能也不尽相同。改性脂肪胺类固化剂粘度小,毒性低,能在常温下固化环氧树脂,固化物的韧性较好,但耐温性不足;低分子聚酞胺与环氧树脂配比范围较宽,常温适用期长,固化物收缩小、抗冲击性好,但耐热、耐溶剂性能差芳香胺类固化剂适用期长,耐热性良好,但一般需要加温才能固化完全,由于一般是固体状态,用做建筑结构胶时需改心变成液态后才能被使用;脂环胺类固化剂粘度低,挥法性小,耐热性佳,但常温固化不完全。
3.2固化剂对湿热老化性能的影响
分别以A、B、C、D代表所选用的固化剂,A为低分子聚酞胺;B为改性脂肪胺;C为芳香胺;D为脂环胺。用混合环氧树脂与不同种类固化剂配合后,所得胶粘剂湿热老化性能如下表1所示。
由于分子结构本身的原因,低分子聚酞胺的耐湿热老化存在“先天不足”,关于这一点,已有文献详细论述。为改善低分子聚酞胺的耐湿热性能,本文采用了复配方法。从表1可以看出:聚酞胺分别与芳香胺和脂环胺复配后,耐湿热性能有所改善,但并不理想,而与芳香胺和脂环胺同时复配后,耐湿热性得到明显提高,这可能是所谓“协同作用”的结果。改性脂肪胺单独做固化剂时,湿热老化性能一般,但与芳香胺或脂环胺复配后有大幅度提高,主要是因为芳香胺或脂环胺的加入而提高了胶粘剂的耐温性。脂肪胺与芳香胺和脂环胺一起复配后,耐湿热老化性能良好,但老化前的室温剪切强度偏低,这进一步说明:1)芳香胺或脂环胺在室温下固化不完全,而在老化条件的高温环境下继续固化;2)芳香胺和脂环胺复配后的固化剂具有优良的耐湿热性。CP-05也是一种复配固化剂,其中含有自制的促进剂,使胶粘剂的耐湿和耐热性同步加强,同时在室温固化时亦有较高的粘接强度,能满足国家标准的要求。
3.3增韧剂对湿热老化性能的影响
增韧剂不仅能改善环氧树脂胶粘剂的脆性,有时还能提高胶粘剂的弹性模量。增韧剂的加入与否和增韧剂的种类都影响到胶粘剂的湿热老化性能,以CP-05做固化剂,具体实验结果见表2。
其中,增韧剂1和增韧剂2是聚合物多元醇类,增韧剂3是丁腈橡胶。加入增韧剂后,胶粘剂的耐湿热老化性能均有所下降。由于增韧剂1的分子结构中含有不耐水解的酯基,所以在高温高湿条件下,剪切强度下降幅度最大;增韧剂2中含有耐水解的醚键,在一定程度上改善了胶粘劑的耐湿热l生。在所选择的三种增韧剂中,丁腈橡胶的耐湿热性能最好,但是丁腈橡胶与环氧树脂相容性差,所配制的胶粘剂易分层,造成施工工艺性能欠佳。
3.4无机填料对湿热老化性能的影响
建筑结构胶的种类较多,按用途可分为粘钢胶、植筋胶、碳纤维胶等。粘钢胶和植筋胶中均含有大量的无机填料,无机填料对胶粘剂的湿热老化性能的影响不容忽视。无机填料的种类、粒径大小、粒度分布、颗粒形状都会影响到胶粘剂的耐湿热性能。
酸性填料的耐湿热性能最差,原因可能是由于在高温高湿的作用下,固化后的环氧树脂在酸性环境中会慢慢降解。实验表明,粒径小的填料对提高胶粘剂的粘接剪切强度有利,因此在一定目数范围内,细颗粒填料的耐湿热性占明显优势。片状结构的填料可能会增加胶粘剂固化后的内应力,所以其耐湿热性能低于球形填料。
3.5助剂对湿热老化性能的影响
建筑结构胶的配方中一般会加入少量助剂,例如:加入触变剂,增加胶粘剂的抗流挂性;加入固化促进剂,能加快胶粘剂的固化速度并能使胶粘剂固化更完全;加入偶联剂,提高胶粘剂的粘接性等。实验表明,助剂的加入对胶粘剂的湿热老化性能几乎没有影响,加入合适的助剂不会影响胶粘剂的耐湿热老化性能。
结论:
综上所述,固化剂对建筑结构胶的耐湿热老化性能有决定性的影响。低分子聚酰胺固化剂耐湿热老化性最差,芳香胺和脂环胺复配能显著提高建筑结构胶的耐湿热老化性能。增韧剂的加入会降低建筑结构胶的耐湿热老化性。宜选用中性、球形、粒度小的无机填料。加入合适的助剂不会影响建筑结构胶的耐显热老化性能。