新型水下結(jié)構(gòu)膠的性能研究

孫 勇，李紅旭，蒲國民，王文軍

（大連凱華新技術(shù)工程有限公司，遼寧 大連 116011）

普通結(jié)構(gòu)膠，通常只能在干燥的被粘物表面進(jìn)行粘接，當(dāng)其在遇水、表面潮濕或水下使用時，粘接強(qiáng)度往往會急劇下降，有的甚至無法粘接[1]。水下結(jié)構(gòu)膠因其具有良好的憎水性可以水下涂膠、水下粘接和水下固化[2]，可廣泛應(yīng)用于各類帶水粘接工程中，例如港灣工程的修補(bǔ)和加固，地下和海底隧道的防滲堵漏、船舶殼體的水下堵漏以及建筑水壩與橋梁等水工建筑物的修補(bǔ)與加固等[3～6]；水下結(jié)構(gòu)膠因其在干燥下的綜合性能較好，也可替代普通結(jié)構(gòu)膠使用。

本研究采用含有活性羥基的長鏈物質(zhì)改性聚醚胺，與改性聚酰胺進(jìn)行復(fù)配，制備了一種新型水下結(jié)構(gòu)膠，探討了影響水下結(jié)構(gòu)膠粘接性能（剪切強(qiáng)度）的幾種因素，以及新型水下結(jié)構(gòu)膠的綜合性能；對比了單獨的改性聚醚胺和改性聚酰胺配制的水下結(jié)構(gòu)膠，其剪切強(qiáng)度明顯提升。

1 實驗部分

1.1 主要原料

環(huán)氧樹脂（E-51、E-44），工業(yè)級，長春化工有限公司；改性聚醚胺固化劑K、改性聚酰胺固化劑H，大連凱華新技術(shù)工程有限公司；促進(jìn)劑（DMP-30），工業(yè)級，常州山峰股份有限公司；苯甲醇（稀釋劑），工業(yè)級，湖北綠色家園材料技術(shù)股份有限公司；液體橡膠（增韌劑）、硅烷偶聯(lián)劑（KH-560）、消泡劑（BYKA530），工業(yè)級，市售；流平劑（BYKP104S），工業(yè)級，市售。

1.2 儀器與設(shè)備

GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試樣方法》標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的3種澆鑄件模具，自制；NDJ-4 型旋轉(zhuǎn)黏度計，上海精科天平有限公司；W-20型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)，上海華龍測試儀器有限公司。

1.3 水下結(jié)構(gòu)膠的制備

（ 1）甲 組 分 ： 按 m（E-51）∶ m（E-44）=X∶ 1（8＜ X＜ 12）、 增 韌 劑 （ 5%左右）、稀釋劑（＜5%）、偶聯(lián)劑（＜1%）和消泡劑（0.1%～0.3%）進(jìn)行制備。

（2）乙組分：KH88體系按改性聚醚胺固化劑K（90～100 g）、改性聚酰胺固化劑H（100～130 g）、DMP-30（0～7 g）、稀釋劑（0～15 g）和其余助劑（0～1.6 g）；K體系按改性聚醚胺固化劑K（90～100 g）、促進(jìn)劑（0～7 g）、稀釋劑（0～15 g）和其余助劑（0～1.6 g）；H體系按改性聚酰胺固化劑H（90～100 g）、促進(jìn)劑（0～7 g）、稀釋劑（0～15 g）和其余助劑（0～1.6 g）。

（3）水下結(jié)構(gòu)膠：按m（甲組分）∶m（乙組分）= Y∶1（1＜Y＜3）混合均勻進(jìn)行配制。

1.4 性能測試

（1）水下結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度）：按照GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試樣方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行測試[m（甲組分）∶m（乙組分）= Y∶1（1＜Y＜3）混合均勻，分別制備試樣，在（23±2）℃下養(yǎng)護(hù)7 d]。

（2）拉伸剪切強(qiáng)度：按照GB/T 7124——2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測定（剛性材料對剛性材料）》，采用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行測試[制作金屬片搭接試件，以2 mm/s的恒定速率加載拉伸載荷，粘接面長度為（12.5±0.25）mm]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同固化劑體系對水下結(jié)構(gòu)膠性能的影響

在水下粘接環(huán)境中，水隔離了膠粘劑與被粘物表面的直接接觸，往往會使粘接強(qiáng)度降低。不同固化體系在干燥下/水下的拉伸剪切強(qiáng)度如圖1所示。甲組分/K體系（改性的聚醚胺體系）、甲組分/H體系（改性聚酰胺體系）、甲組分/KH88體系（改性聚醚胺與改性聚酰胺按照1∶1復(fù)配成KH88），以上3個體系甲乙組分質(zhì)量比均為2∶1，在水下的剪切強(qiáng)度 均 大 于13 MPa，均 可 滿 足GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不小于10 MPa。

由圖1可知：K和H體系單獨使用的綜合粘接性能均表現(xiàn)一般，K體系在干燥下的剪切強(qiáng)度略低，低于18 MPa，但水下剪切強(qiáng)度對比干燥下的不降低；H體系則相反，在干燥下的剪切強(qiáng)度較好，水下剪切強(qiáng)度下降較明顯（一般規(guī)定下降小于10%）；這2者水下結(jié)構(gòu)膠單獨使用會大大限制其應(yīng)用范圍。復(fù)配后（甲組分/KH88）體系可以同時兼具良好的憎水性和適宜的親水性，能夠有效提升粘接性能，水下剪切強(qiáng)度明顯提升，在干燥下/水下的剪切強(qiáng)度均超過18 MPa，表現(xiàn)了較強(qiáng)的粘接性能。

圖1 不同固化體系在A/W下的剪切強(qiáng)度Fig.1 Shear strength results for different curing systems in A/W conditions

2.2 K/H固化劑不同配比對水下結(jié)構(gòu)膠性能的影響

保持甲組分與KH88配比（2∶1）不變，KH88總量不變，對K和H不同復(fù)配比例進(jìn)行測試分析，當(dāng)m（K）∶m（H）=5∶5和6∶4時，干燥下/水下剪切強(qiáng)度均較高，但m（K）∶m（H）=6∶4時，干燥下壓縮強(qiáng)度較低；綜合考慮，K與H在5∶5時較適宜，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同K/H質(zhì)量比的水下結(jié)構(gòu)膠的綜合性能Tab.1 Comprehensive performance of underwater structural adhesive with different K/H ratio

2.3 甲乙組分配比對結(jié)構(gòu)膠性能的影響

保持m（K）∶m（H）=1∶1不變，甲組分用量不變，微調(diào)乙組分的用量（1.5＜X＜2.5）；干燥下，1～5號樣品的剪切強(qiáng)度均較高；水下，4號和6號樣品的剪切強(qiáng)度較高；干燥下，1～4號樣品的壓縮強(qiáng)度均能達(dá)到65 MPa以上；綜合考慮，當(dāng)m（甲）∶m（乙）=100∶50[m（K）∶m（H）=1∶1]時，性能較好。具體數(shù)據(jù)見表2。

2.4 水溫和水下放置時間對結(jié)構(gòu)膠性能的影響

水溫及水下放置時間對結(jié)構(gòu)膠性能均有一定的影響，溫度較低和較長時間水下放置都會在一定程度上減弱粘接性能。

水下放置時間對剪切強(qiáng)度的影響如圖2所示，固化體系為m（甲）∶m（乙）[m（K）∶m（H）=1∶1]=2∶1，放置前7 d是在水下[恒溫（20±2）℃]，剩余均是在干燥室溫下（-15～13 ℃），分別放置0 d、7 d、23 d和53 d共4個不同時間，同時做2組實驗（圖2中C、D 2條曲線）。由圖2可知：隨著水下放置時間的增加，在水下剪切強(qiáng)度均下降，放置60 d對比30 d基本不下降，說明到一定時間，剪切強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，大于14 MPa，測試結(jié)果均高于GB/T 50728—2011標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不小于10 MPa。

表2 甲/乙配比不同的結(jié)果Tab.2 Results for different A/B mix ratio

圖2 水下放置時間對剪切強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of underwater placing time on shear strength

水溫對剪切強(qiáng)度的影響如表3所示，固化體系為m（甲）∶m（乙）[m（K）∶m（H）=1∶1]=2∶1，放置時間均為水下7 d，水溫分別為0 ℃、室溫（-15～13）℃和恒溫（20±2）℃這3種條件，各做2組實驗，隨著水溫的升高，水下剪切強(qiáng)度隨之逐漸升高。

表3 水溫對剪切強(qiáng)度的影響Tab.3 Effect of underwater temperature on shear strength

2.5 新型水下結(jié)構(gòu)膠的綜合性能測試

通過實驗驗證，當(dāng)m（甲）∶m（乙）[m（K）∶m（H）=1∶1]進(jìn)行復(fù)配時，綜合性能相對最優(yōu)異。在干燥下/水下的剪切強(qiáng)度均大于18.0 MPa；在干燥下的壓縮強(qiáng)度均大于65 MPa，彎曲強(qiáng)度大于65 MPa，拉伸強(qiáng)度大于45 MPa，斷裂伸長率大于2.5%，見表4。

表4 水下結(jié)構(gòu)膠的綜合性能Tab.4 Comprehensive performance of underwater structural adhesive

3 結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)膠中甲/乙配比和K/H配比對性能影響均較大，當(dāng)m（甲）∶m（乙）=2∶1、m（K）∶m（H）=1∶1]時，其綜合性能相對最好，干燥下/水下拉伸剪切強(qiáng)度均大于18.0 MPa；干燥下壓縮強(qiáng)度大于65 MPa，彎曲強(qiáng)度大于65 MPa，拉伸強(qiáng)度大于45 MPa，斷裂伸長率大于2.5%；同時穩(wěn)定性也較好。

（2）放 置7 d[恒 溫 （20±2）℃]+53 d[室溫（-15～13）℃]共固化60 d，水下剪切強(qiáng)度大于14.0 MPa；放置7 d（0 ℃）固化，水下剪切強(qiáng)度大于14.0 MPa；該水下結(jié)構(gòu)膠具有較好的水下粘接性及一定的耐寒性。