不同類型改性劑對環(huán)氧砂漿性能的影響

宋鴿　李光輝

摘 要：試驗研究了5種不同類型改性劑對環(huán)氧樹脂固化體性能的影響，測試了改性后環(huán)氧砂漿的力學(xué)性能。結(jié)果表明，不同類型改性劑對環(huán)氧樹脂固化體力學(xué)性能存在顯著影響，改性劑可以有效降低環(huán)氧樹脂膠黏體系粘度，顯著改善環(huán)氧砂漿的工作性能，在一定程度上提高環(huán)氧砂漿的韌性。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧砂漿;改性劑;工作性能;力學(xué)性能

中圖分類號：U444文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2096-6903（2022）08-0050-03

1 試驗

1.1 原材料

膠結(jié)體系：基礎(chǔ)樹脂為E-51環(huán)氧樹脂;固化劑選用二乙烯三胺;改性劑選擇丙三醇三縮水甘油醚（簡稱GGE）、乙二醇二縮水甘油醚（簡稱EDGE）、正丁基縮水甘油醚（簡稱BGE）、丙酮及改性劑A等五種改性劑，其中改性劑A為武漢某公司研發(fā)產(chǎn)品，為含有聚丙二醇二縮水甘油醚的長鏈脂肪族化合物。

填料：一級粉煤灰，石英砂細度模數(shù)為2.6，石英粉細度400目。

1.2 測試方法

環(huán)氧樹脂性能試驗按照《樹脂澆鑄體性能試驗方法》（GB/T 2567-2008）、《膠黏劑黏度的測定》（GB/T 2794-2013）等規(guī)范要求進行;環(huán)氧砂漿力學(xué)性能試驗按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671-2021）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行。

2結(jié)果與討論

2.1 改性劑對環(huán)氧固化體系性能的影響

2.1.1 改性劑對環(huán)氧固化體系力學(xué)性能的影響

在環(huán)氧固化體系中分別加入等質(zhì)量的不同類型改性劑，測試改性后環(huán)氧固化膠體的拉伸強度及模量、壓縮強度、彎曲強度及模量。材料用量及28 d齡期力學(xué)性能測試結(jié)果見表1。

由表1可以得到：不同類型改性劑對環(huán)氧固化體系的力學(xué)性能影響顯著，摻加改性劑A的環(huán)氧樹脂的各項力學(xué)性能指標(biāo)最優(yōu)。改性劑A的拉伸強度為70 MPa，比其他四種提高了7.7%～20.7%;拉伸模量為3.3 GPa，提高了26.9%～43.5%;壓縮強度為108 MPa，提高了13.7%～35.0%;彎曲強度為98 MPa，提高了11.0%～30.7%;彎曲模量為3.3 GPa，提高了22.2%～37.5%。

分析原因，丙酮為非活性稀釋劑，屬于稀釋性溶劑，分子結(jié)構(gòu)中沒有活性環(huán)氧基團，自身沒有反應(yīng)活性，只起物理稀釋降黏的作用，且易揮發(fā)，固化反應(yīng)時容易在固結(jié)體中留下空隙，造成固化體內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，進而影響力學(xué)性能。GGE、EDGE、BGE和改性劑A等4種屬于活性改性劑，具有1個以上帶反應(yīng)活性官能團的化合物，與環(huán)氧樹脂具有良好的相容性，不易發(fā)生分離現(xiàn)象，并且可以參與固化交聯(lián)反應(yīng)，成為樹脂膠結(jié)體交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的一部分，對固化產(chǎn)物的性能幾乎無不利影響，甚至還能增加固化體系的韌性[1]。鑒于改性劑A比GGE、EDGE、BGE三種改性劑對環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能改善更顯著，下步試驗中，僅測試改性劑A的固化體系粘度。

2.1.2 改性劑A對環(huán)氧固化體系粘度的影響

改性劑A的粘度很低，添加到環(huán)氧體系中可極大降低體系粘度，改善施工性能。加改性劑A的體系凝結(jié)時間延長，固化反應(yīng)平穩(wěn)，利于浸潤、滲透結(jié)合面并與之緊密連接。由圖1可看出，改性劑A可以顯著降低環(huán)氧樹脂的粘度，最高降幅達85%以上。在0%～40%的范圍內(nèi)，隨著摻量的增加，體系粘度成指數(shù)下降趨勢;當(dāng)改性劑A摻量大于40%時，隨著摻量的增加體系粘度變化趨于平緩。

改性劑A既是環(huán)氧樹脂良好的稀釋劑，又是高性能增韌改性劑。改性劑A為支化、帶有多個活性端基的低粘度液態(tài)聚合物，分子內(nèi)部空穴導(dǎo)致固化物產(chǎn)生大量剪切形變而耗散沖擊能量，因而具有良好的增韌性能和反應(yīng)活性，可大幅度改善環(huán)氧樹脂固化物的耐沖擊、耐壓縮等機械性能[2]。添加于環(huán)氧樹脂固化體系中，可顯著延長其可使用時間和降低固化放熱峰值，使環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)平穩(wěn)，最終使固化膠體具有良好的使用性能。具體結(jié)果見表2及圖1。

2.1.3 改性劑A對環(huán)氧固化體性能的影響

從圖2可看出，隨著改性劑A摻量的增加，環(huán)氧固化體的壓縮強度呈現(xiàn)明顯的先增加后降低趨勢，當(dāng)改性劑摻量為20%時，壓縮強度達到峰值。從圖3可以得到，隨著改性劑A摻量的增加，環(huán)氧固化體的沖擊韌性逐漸提高，當(dāng)改性劑摻量為30%時，抗沖擊韌性達到峰值。改性劑A并不是摻量越高對環(huán)氧固化體改性效果越好，而是在適當(dāng)摻量比例范圍內(nèi)，改性效果達到最優(yōu)。因此，在選擇改性劑A摻量時，應(yīng)綜合協(xié)調(diào)體系粘度和力學(xué)性能的關(guān)系，根據(jù)目標(biāo)性能合理選擇摻量。具體結(jié)果見表3及圖2、圖3。

2.2 環(huán)氧砂漿的力學(xué)性能

環(huán)氧砂漿中添加石英砂等填料，可以降低砂漿的收縮率和熱膨脹系數(shù)，增加導(dǎo)熱率和物理強度，提高材料的粘結(jié)力、耐磨性，改善材料的老化性能等;還可以降低環(huán)氧樹脂的用量，降低環(huán)氧砂漿的使用成本，環(huán)氧砂漿配合比與砂漿稠度見表4。按表4配比制作試件，尺寸為40 mm×40 mm×160 mm ，每組3個，測試稠度后裝模，砂漿終凝后拆模，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護1 d、3 d、7 d 、28 d 后，抗折和抗壓強度[3]測試結(jié)果見表5、表6。

由表4、表5和表6可得到：丙酮和改性劑A加入環(huán)氧砂漿后可提高其工作性能，環(huán)氧砂漿稠度分別增大25 mm和20 mm;添加丙酮改性劑與未加改性劑環(huán)氧砂漿相比各齡期抗壓強、抗折強度均有所下降，抗壓強度最大下降8 MPa，抗折強度最大下降5.5 MPa;添加改性劑A前后的環(huán)氧砂漿各齡期抗壓強度基本相當(dāng)，抗折強度大于23 MPa，28 d抗壓強度達90 MPa以上，且3 d和7 d的抗壓、抗折強度均高于不加改性劑環(huán)氧砂漿，具有早強特性。可見，改性劑A的加入不會降低環(huán)氧砂漿抗壓和抗折強度。主要因改性劑A分子鏈中含有多個極性鍵，與環(huán)氧樹脂、環(huán)氧固化劑及助劑都有良好的相容性，不分層、不析出、基本不分相，且對粉煤灰、石英砂和石英粉等各種無機填料具有良好的表面浸潤性，能很大程度上緩解其沉降問題。因此改性劑在改善拌合物和易性的同時參與固化反應(yīng)，最終成為結(jié)構(gòu)的組成部分。而丙酮作為稀釋性溶劑，具有較高的飽和蒸氣壓，揮發(fā)性和遷移性決定其在環(huán)氧砂漿固化過程中會逐漸溢出，導(dǎo)致膠體致密性降低，有較高的孔隙率，進而毛細孔缺陷引起宏觀上力學(xué)性能的衰減，抗折和抗壓強度均低于未加改性劑環(huán)氧砂漿。

3改性機理分析

高交聯(lián)密度的環(huán)氧樹脂基體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可視為“均相結(jié)構(gòu)”，致密度高，脆性較大，沖擊韌度和延伸率較低，其特有的形態(tài)特點決定了在吸收沖擊能量和抵抗裂紋擴展能力的欠缺。采用含端活性基的改性劑來改性，使基體的屈服變形潛力變大，降低其玻璃化溫度和模量，可取得較好的增韌效果。與在交聯(lián)后形成分子量呈雙峰分布的環(huán)氧樹脂交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的增韌機理不同，通過引入分子鏈中含有多個活性端基的分子結(jié)構(gòu)參與環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)，形成穩(wěn)固的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并利用其分子中的支化結(jié)構(gòu)和特殊的物理化學(xué)機理產(chǎn)生非致密有序結(jié)構(gòu)，當(dāng)基體受到外力作用時，非致密結(jié)構(gòu)中的“缺陷”誘發(fā)應(yīng)力集中，使環(huán)氧樹脂固化物內(nèi)部產(chǎn)生大量的剪切形變，從而吸收并耗散沖擊能量，達到提高環(huán)氧樹脂固化物韌性的目的，改善綜合性能[4]。通過改性劑引入分布均勻的增韌結(jié)構(gòu)能夠顯著地分散和吸收破壞能量，可以緩解裂紋尖端累積的三向應(yīng)力，誘發(fā)基體樹脂局部剪切屈服，使主裂紋擴展阻力增大，從而提高環(huán)氧固化體韌性。

4結(jié)語

首先，多活性端基類改性劑對環(huán)氧樹脂固化體系的拉伸強度、壓縮強度和彎曲強度等力學(xué)性能具有顯著改善作用。

其次，多活性端基類改性劑可以顯著降低環(huán)氧樹脂的粘度，且在一定范圍內(nèi)，隨著摻量的增加粘度逐漸降低，最高降幅達到85%。

最后，多活性端基改性劑可以改善環(huán)氧砂漿的稠度，提高工作性能，且能夠保持優(yōu)異的力學(xué)性能。

參考文獻

[1] 肖揚國，陳海生.新型增韌固化劑固化環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的性能及應(yīng)用研究[J].新型建筑材料，2010（3）：71-74+87.

[2] 胡玉明.環(huán)氧固化劑及添加劑[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5193-2004環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2004.

[4] 買淑芳，方文時，楊偉才，等.海島結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹脂材料的抗沖磨試驗研究[J].水利學(xué)報，2005，36（12）：1498-1502.