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        有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠在水泥地的應(yīng)用研究

        2020-10-20 05:35:55郭銳
        粘接 2020年9期
        關(guān)鍵詞:水泥地有機(jī)硅環(huán)氧樹脂

        摘要:在水泥地中最為常見的破壞為裂縫,一旦出現(xiàn)裂縫后將會(huì)影響水泥地的正常使用,于是需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的維修處理。環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠具有不錯(cuò)的性能,然而也存在一些缺陷,比如耐熱性能、抗沖擊韌性等較差,于是文章為了提高該材料在水泥地中的應(yīng)用效果,對(duì)環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行了有機(jī)硅改性研究。通過實(shí)驗(yàn)研究,研究了有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠不同方面的性能。研究結(jié)果表明,經(jīng)過改性后的環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠具有更好的抗沖擊強(qiáng)度、耐濕熱老化性能和力學(xué)性能。

        關(guān)鍵詞:水泥地;有機(jī)硅;改性;環(huán)氧樹脂;建筑結(jié)構(gòu)膠

        中圖分類號(hào):TQ323.5

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1001-5922(2020)09-0030-05

        水泥地在我國(guó)城市道路建設(shè)中占據(jù)重要作用,然而隨著水泥地的使用時(shí)間邊長(zhǎng),地面就會(huì)出現(xiàn)各種缺陷,而其中最為常見的屬于裂縫損害,屬于眾多損害中占比最高的損害,地面出現(xiàn)裂縫會(huì)影響水泥地的正常使用,從而阻礙交通運(yùn)輸,甚至?xí)绊懡煌ò踩鹿实陌l(fā)生,所以為了降低水泥地裂縫對(duì)人類生活和生產(chǎn)的影響,需要及時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行維修處理[1-3]。有機(jī)高分子修補(bǔ)材料具有不錯(cuò)的性能,在實(shí)際水泥地裂縫修補(bǔ)中能夠起到較好的應(yīng)用效果[4]。有機(jī)高分子修補(bǔ)材料中環(huán)氧漿料具有較好的力學(xué)性能和粘接性能,所以其應(yīng)用也愈發(fā)的廣泛[5-6]。然而在應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)其質(zhì)脆、耐熱性、耐疲勞性和抗沖擊韌性比較差,使其不利于水泥地裂縫的修補(bǔ),于是文章為了提高在水泥地裂縫中應(yīng)用效果,研究了有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠[7-8]。

        1 實(shí)驗(yàn)過程

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

        實(shí)驗(yàn)中所需要的主要材料如表1所示。實(shí)驗(yàn)所需的儀器主要有:電子天平秤、紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、恒壓滴液漏斗。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        首先需要合成端異氰酸酯有機(jī)硅氧烷,其工藝如圖1所示。然后對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行除水,其中使用到的除水工藝與合成預(yù)聚體的方式一樣,再對(duì)其進(jìn)行冷卻,直至達(dá)到40℃為止。于是解除真空,并且進(jìn)行充氮和攪拌處理,然后將預(yù)聚體慢慢放入到燒瓶中,其中使用的工具為恒壓滴液漏斗,最后對(duì)其進(jìn)行升溫處理,直至達(dá)到90℃為止,保溫2h即可出料。

        1.3 檢測(cè)方法

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1有機(jī)硅摻量對(duì)吸水率和收縮率的影響

        檢驗(yàn)環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠的性能時(shí),其吸水率屬于一個(gè)重要指標(biāo),因?yàn)楫?dāng)吸水率比較高時(shí),其材料就會(huì)容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,還會(huì)降低其耐熱性能、力學(xué)性能和耐腐蝕性能,另外還會(huì)影響到其老化性能。通過實(shí)驗(yàn)研究獲得如表3所示的結(jié)果。

        從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,與純環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠相比,改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠的收縮率更大,且當(dāng)有機(jī)硅含量越來越高時(shí),改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠的收縮率越大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于在環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠中加入有機(jī)硅時(shí),會(huì)使得膠粘劑的交聯(lián)密度不斷增大,就會(huì)增加固收縮的效果,所以當(dāng)加入量越多時(shí),加固收縮將會(huì)更加明顯,于是收縮率就會(huì)越來越大。吸水率的變化趨勢(shì)正好與收縮率相反,與純環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠相比,改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠的吸水率更小,且當(dāng)有機(jī)硅含量不斷增加時(shí),吸水率會(huì)會(huì)不斷降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于有機(jī)硅的表面能比較低,就會(huì)發(fā)生較大的變化,比如富集和遷移,于是就會(huì)使得環(huán)氧樹脂表面性能發(fā)生變化。另外,由于改性環(huán)氧樹脂建筑膠具有一定的憎水性,所以就會(huì)造成如上所述的變化趨勢(shì)。

        2.2 力學(xué)性能的影響

        水泥地裂縫的修補(bǔ)材料需要具備一定的力學(xué)性能,才能使得修補(bǔ)效果更好,所以力學(xué)性能屬于有機(jī)硅環(huán)氧樹脂建筑膠的重要指標(biāo)。于是文章分析了有機(jī)硅含量對(duì)4種不同力學(xué)性能的影響,其結(jié)果如圖2~5所示。

        首選對(duì)圖2和圖3進(jìn)行分析,從圖中可以看出,抗擊強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)為隨著有機(jī)硅含量的不斷提升,其大小先增大后降低。然而兩者的變化趨勢(shì)也有所區(qū)別,即當(dāng)有機(jī)硅含量比較少只有5%時(shí),其沖擊強(qiáng)度的增大幅度比較小,能夠說明當(dāng)加入的有機(jī)硅含量比較少時(shí),增強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠沖擊強(qiáng)度的效果不是很明顯,當(dāng)時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率加入5%的有機(jī)硅時(shí),其值發(fā)生非常明顯的增加增強(qiáng)作用。

        然后再對(duì)圖4和圖5進(jìn)行分析,拉伸強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致,即當(dāng)有機(jī)硅含量不斷增加時(shí),抗剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都處于降低狀態(tài)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于當(dāng)有機(jī)硅含量增加時(shí),就會(huì)增加結(jié)構(gòu)膠的柔順性,于是就會(huì)降低拉伸強(qiáng)度。由于環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅之間的兼容性比較差,于是就會(huì)導(dǎo)致有機(jī)硅聚集在一起,形成一個(gè)明顯的界面,所以就會(huì)降低剪切強(qiáng)度。

        2.3 耐人工老化性能

        表4即為人工老化試驗(yàn)后應(yīng)用于水泥地裂縫修補(bǔ)中的力學(xué)性能,從表中可以看出,經(jīng)過人工老化處理后,剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度有了一定程度的降低,當(dāng)加入有機(jī)硅之后,提高了保留率,于是可以說明,有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑膠能夠提高耐濕熱老化性能。出現(xiàn)這種現(xiàn)象在于有機(jī)硅有助于提高材料耐熱性能和疏水性能,所以應(yīng)用于水泥地裂縫修補(bǔ)中能夠增加耐濕熱老化能力,于是能夠提高應(yīng)用耐久性。

        從表4中還可以看出,當(dāng)材料經(jīng)過老化處理后,其力學(xué)性能的變化趨勢(shì)為先增高后降低,而且不會(huì)一直降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于濕熱環(huán)境,因?yàn)樗肿訒?huì)破壞掉基體的化學(xué)鍵,另外,濕熱會(huì)提高基體固化程度,于是就會(huì)造成這種變化趨勢(shì)。但是可以看出總體上力學(xué)性能是下降趨勢(shì),主要由于基體與粘接面存在不可逆的破壞,于是就會(huì)降低力學(xué)性能。

        2.4 250℃熱失重結(jié)果分析

        通過實(shí)驗(yàn)分析之后得到如表5所示的失重結(jié)果,從中可以看出,與未改性的材料進(jìn)行比較,改性之后的耐熱性能更好。當(dāng)條件為10h時(shí),有機(jī)硅含量增加20%,失重結(jié)果降低了1.88%,因?yàn)榧尤胗袡C(jī)硅之后的材料處于高溫環(huán)境下,會(huì)形成二氧化硅,其性能非常溫蒂,可以形成保護(hù)層,于是就會(huì)阻礙分解,所以改性后的材料具有更好的耐熱性。

        2.5 紅外光譜測(cè)試

        上述實(shí)驗(yàn)還不能明確了解基團(tuán)已經(jīng)引入到環(huán)氧中,需要進(jìn)行紅外光譜分析,于是通過紅外光譜儀得到圖6到圖8的光譜圖。圖6為異氰酸酯紅外光譜圖,圖7為預(yù)聚體紅外光譜圖,圖8為改性環(huán)氧樹脂建筑膠的紅外光譜圖。

        對(duì)圖6和圖7進(jìn)行對(duì)比分析,Si-OH基團(tuán)和-NCO基團(tuán)的吸收峰有所降低,另外還產(chǎn)生了新C=O基團(tuán),于是可以證明聚硅氧烷和異氰酸酯發(fā)生了作用。然后將圖8與圖6和圖7進(jìn)行對(duì)比分析,能夠發(fā)現(xiàn)227cm-1處的-NCO基團(tuán)的吸收峰消失,證明該基團(tuán)和-OH基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而生成了氨基甲酸酯鍵。從而可以證明有機(jī)硅預(yù)聚體能夠增加和環(huán)氧樹脂相結(jié)合后的兼容性。

        2.6 掃描電鏡分析

        在水泥地裂縫中使用有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行修補(bǔ),需要對(duì)其進(jìn)行微觀分析,通過使用掃描電子顯微鏡即可得到相關(guān)結(jié)果,為了凸顯改性后材料的結(jié)構(gòu)變化,對(duì)沒有加入有機(jī)硅的材料也進(jìn)行了微觀分析,分別得到如圖9和圖10所示的結(jié)果,其中圖9即為純環(huán)氧樹脂,圖10為改性環(huán)氧樹脂。

        從圖9中可以看出,其形態(tài)結(jié)構(gòu)為單相連續(xù)型,因?yàn)椴牧现袥]有有機(jī)硅,于是沒有發(fā)生相分離情況,另外由于樹脂基體處于均勻分布,于是從圖片中可以看出沒有呈現(xiàn)顏色梯度分布,裂紋發(fā)生在同一個(gè)方向,然后其長(zhǎng)度比較長(zhǎng),屬于脆性斷裂特征。

        從圖10中可以看出,與純環(huán)氧樹脂相比,通過改性之后的材料,電子顯微鏡照片存在明顯的區(qū)別,其基體不再均勻分布,裂縫方向沒有規(guī)律,且表面粗糙,屬于一種韌性斷裂,所以可以證明當(dāng)加入有機(jī)硅之后,能夠改善材料的脆性。

        通過改性之后獲得的電子顯微圖片中存在一些微小的孔洞,Kinlock對(duì)其進(jìn)其進(jìn)行了分析,其中指出有機(jī)硅粒子會(huì)受到流體靜力拉力的影響,還會(huì)受到負(fù)荷后三向應(yīng)力場(chǎng)的作用,這兩個(gè)力就會(huì)相互疊加,就會(huì)使得界面遭到破壞,于是就形成了如圖所示的孔洞,這些孔洞就會(huì)使得塑性體膨脹,并且使得發(fā)生裂紋的位置出現(xiàn)純化現(xiàn)象,于是就會(huì)阻止水泥地出現(xiàn)斷裂并且降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。所以在水泥地中應(yīng)用有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠有助于降低裂縫的產(chǎn)生。

        3 結(jié)語

        綜上所述,加入有機(jī)硅改性之后,所獲得的有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠提高了收縮率,降低了吸水率、熱失重。另外當(dāng)有機(jī)硅加入量為10%時(shí),能夠增強(qiáng)斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度。經(jīng)過人工老化試驗(yàn)可知,改性后的材料具有更好的耐濕熱老化性能。所以在水泥地中使用有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠能夠提高其使用壽命、降低裂縫的發(fā)生、增強(qiáng)力學(xué)性能等優(yōu)勢(shì)。

        參考文獻(xiàn)

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        1、塑料粘接知識(shí)——表面處理:

        聚甲醛的特性,聚甲醛一般分為:聚甲醛和均聚甲醛,是一種線型高分子,結(jié)晶度高,密度大,力學(xué)性能優(yōu)良,特別是剛性大,耐沖擊和耐蠕變性優(yōu)良,卓越的耐疲勞性能,突出的自潤(rùn)滑性,耐磨,耐化學(xué)品腐蝕性,是優(yōu)良的工程塑料。由于其結(jié)晶度高,且耐溶劑性好,無法采用溶劑粘接。而且膠粘劑粘接時(shí),受表面能低的限制,必須進(jìn)行表面處理后方可粘接。

        作者簡(jiǎn)介:郭銳(1975-),男,漢族,河南陜縣人,大學(xué)本科,工程師,研究方向:建筑學(xué)及項(xiàng)目管理。

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