建筑施工中的新型環保復合膠工藝分析

李晨晨 任偉強

摘要：針對環保復合膠會對建筑施工環保造成影響，提出了建筑施工中的新型環保復合膠工藝。以淀粉和聚乙烯醇作為基膠添加氧化劑、交聯劑等提升復合膠性能，并通過調整淀粉、聚乙烯醇、雙氧水等原料及添加劑的用量，試驗制備出質量較好的新型環保復合膠。結果表明，淀粉用量為40%，1.2 mL雙氧水，質量分數1.2%聚乙烯醇，硼砂用量為8 mL，過硫酸銨用量為0.33%，12%羧基丁腈膠乳配比下，新型環保復合膠的膠合強度較好，同時干燥時間與剝離強度都較高，硼砂用量與羧基丁腈膠乳用量還能有效提升新型環保復合膠的耐水性能。

關鍵詞：建筑施工；新型環保復合膠；淀粉基膠；聚乙烯醇；羧基丁腈膠乳

中圖分類號：TQ437????????????? 文獻標志碼：A???????? 文章編號：1001-5922（2023）03-0013-05

Analysis? of new? environmental protection? compound adhesive technology in building? construction

LI Chenchen，REN Weiqiang

（CCCC Third Navigation Engineering Bureau Co.，Ltd.，Traffic Construction Engineering Branch，Shanghai 200030，China）

Abstract： In view of the impact of environmental protection compound glue on the environmental protection of? building construction，a new process of environmental protection compound glue in building construction was pro- posed. By adjusting the dosage of starch，polyvinyl alcohol，hydrogen peroxide and other raw materials and addi- tives，the best quality of the new environmental protection compound adhesive was prepared. The experimental re- sults show that with the ratio of 40% starch dosage，1.2 mL hydrogen peroxide，1.2% polyvinyl alcohol，8 mL borax，0.33%ammonium persulfate and 12% carboxyl butyronitrile latex，the new environmental protection composite ad- hesive has good bonding strength，and its drying time and peel strength are higher. The amount of borax and carbox- ylbutyronitrile latex can also effectively improve the water resistance of the new environmental protection compos- ite adhesive.

Keywords： building construction；new environmental protectioncomposite adhesive；starch based glue；polyvinyl al- cohol；carboxyl nitrile latex

膠粘劑在建筑施工工程中應用較為廣泛，使用范圍：粘接建筑結構和非建筑結構，這2種應用范圍裝修過程中都需要使用大量板材，板材之間的連接均要求膠粘劑具有較高粘接強度[1-3]。建筑在建造和除了鋼釘連接以外還需要大量使用膠粘劑。目前建筑行業使用最多，同時也是銷售最為廣泛的建筑施工用膠粘劑為溶劑型聚氨酯膠粘劑、三醛膠、聚醋酸乙烯酯乳液膠等，這些膠粘劑符合建筑施工所需的力學性能與粘接性能，制備過程中工藝技術也較為成熟。但是這類膠粘劑需要從石油化工材料中提取原料，目前全世界范圍內石油原料都比較緊張，原料成本不斷上升，而且這類原材料污染性較大。隨著各級政府以及全體民主環保意識越來越高，這種原料制備而成的高分子化合物膠粘劑的缺點逐漸暴露出來[4-6]。這類使用石油化工材料作為原料的膠粘劑原料降解性較差，使用后會對生態環境造成嚴重污染，除原料污染性較高以外，制備過程還會產生大量污染成分，導致發生二次污染。我國建筑施工過程中曾經大量使用這類膠粘劑，并且逐漸意識到這類膠粘劑使用后的危害，也嘗試研制環保效果較高的膠粘劑，這類膠粘劑以丙烯酰胺作為原料，制備成本較高，加劇整個建筑施工的成本[7-8]。面對以上種種限制，眾多研究者嘗試研制成本低廉、生態環保、粘接性能良好的新型環保膠粘劑，并且將這類全新的環保型膠粘劑應用于建筑施工過程之中，既降低施工成本，同時提升環保性能與施工效果，獲得較為理想的膠粘效果[9]。

基于以上分析，研究建筑施工中的新型環保復合膠工藝，以淀粉作為原材料，制備膠粘劑，并且驗證該膠粘劑的各項性能。

1 材料方法

1.1 材料與儀器設備

1.1.1 原材料選用

羧基丁腈膠乳：分析純，東莞市盛浩塑膠原材料有限公司；植物淀粉：大城縣韓莊新豐化工有限公司；雙氧水：天津市張大科技發展有限公司；聚乙烯醇：分析純，沈陽市龍劍建輝新材料有限公司；硼砂：山東鑫洪生物科技有限公司；去離子水：山東菲特化工科技有限公司；過硫酸銨：分析純，沈陽炯道化工有限公司；氫氧化鈉；分析純，湖北褚碩生物科技有限公司；硫酸亞鐵：分析純，鞏義市遠成環保科技有限公司。

1.1.2 儀器設備

ZYH-10烘干箱：濟寧諾伯漫機械設備有限公司；90瓷研磨缽與研磨杵：任丘市寒瑞金屬工具有限公司；HH-4恒溫水浴鍋：山東科誠科學儀器有限公司；WAW-1000萬能試驗機：濟南眾測試驗儀器有限公司；LC-8005萬能壓力機：東莞市理測儀器有限公司；FA1004X電子天平：天津天馬衡基儀器有限公司；101-1A恒溫箱：河北朵麥信息科技有限公司。

1.2? 實驗方法

1.2.1 新型環保復合膠工制備

1）淀粉基膠

取1只燒杯，將150 g去離子水植入其中，利用加熱設備將該去離子水升溫至70℃ ， 邊攪拌邊倒入植物淀粉；為調節該基膠的pH值為堿性，向溶液中添加質量分數為35%的氫氧化鈉，在該溶液中繼續加入雙氧水和0.3 g硫酸亞鐵；為實現氧化將該溶液置于恒溫箱之中30 min，取出后繼續添加氫氧化鈉5 g，將恒溫箱溫度調整至70℃糊化處理30 min[10-11]。

2）聚乙烯醇基膠

將300 g去離子水添加到一只三口反應瓶，該瓶搭配一個轉速設定為350 r/min的攪拌器與溫度計，在攪拌狀態下緩慢向三口瓶中加入聚乙烯醇，使用加熱設備將溶液溫度升至90℃并保持攪拌[12-13]，直至聚乙烯醇完全溶解。溶解后將溫度降至65℃ ，仍舊保持攪拌添加過硫酸銨0.16 g，保證溶液處于氧化狀態25 min。

3）新型環保復合膠

將1）中制備完成的淀粉基膠倒入2）中的三口瓶之中，充分攪拌，并使用加熱設備升溫至80℃ ， 添加硼砂溶液并且靜置0.5 h，確保復合膠發生反應，添加羧基丁腈膠乳提升復合膠的耐水性，仍舊使用氫氧化鈉調整復合膠至弱酸性，將溫度升至90℃ ，直至復合膠呈現出半透明的淡黃色復合膠。

4）試件模塊制備

選用建筑施工中經常使用的楊木作為試件模塊，為方便試驗，將各個模塊裁剪為250 mm×250 mm×2 mm的薄板模塊，試驗過程中將本文所制備的新型環保復合膠涂抹至該模塊表面并粘合。

1.2.2 淀粉用量對新型環保復合膠性能影響

新型環保復合膠之中，淀粉基膠的添加量直接影響新型環保復合膠的粘接強度，已有研究表明，淀粉用量越少，導致制備后的膠體黏度過低，如果淀粉用量較高又會導致制備完成后的復合膠黏度過高，拉伸性能較差，所以需要探索出合理的淀粉基膠用量[14-16]。

新型環保復合膠制備過程中調整淀粉用量，分別為35%、40%、45%、50%，將制備完成的新型環保復合膠建筑用木材模具上，將萬能試驗機的壓力設置為（1.5±0.1）MPa，將各個試件置于該萬能試驗機上壓置2 d。壓置結束后利用萬能力學試驗機測試不同淀粉用量的膠合強度。力學試驗結束后，將各個試件置于溫度調整為28℃的恒溫水浴鍋中浸泡，觀察各個試件表面是否出現脫落或者溶脹現象，越晚出現開膠證明復合膠所具備的耐水性能越好。

1.2.3 雙氧水用量對新型環保復合膠性能影響

雙氧水能夠提升復合膠的黏度，加快膠體的氧化速度，但是使用不當卻會破壞復合膠的膠合強度，所以需要合理調整雙氧水用量[17]。在上文4種不同淀粉含量的復合膠基礎上調整雙氧水用量，分別為0.4、0.8、1.2、1.6、2.0和2.4 mL，反應時間設置為2 h。同樣使用萬能壓力機測試各個試件的膠合強度。

1.2.4 聚乙烯醇用量對新型環保復合膠性能影響

聚乙烯醇是廣泛應用于建筑施工過程中板材粘接的膠粘劑，是建筑施工時常見的膠粘材料。膠粘性與韌度都符合目前建筑施工需求，耐腐蝕、耐磨損、熱穩定性較高，但是這種膠粘劑是一種多羥基水溶性高分子材料，遇水容易損壞。所以目前研究者嘗試使用甲醛幫助聚乙烯醇發生醛化反應，或者使用甲苯二異氰酸酯改善聚乙烯的性能，但是這些添加劑污染較高，不利于人體健康；另一部分學者則使用木質纖維改善聚乙烯醇的性能，但是成本較高[18]。考慮以上這些缺點，本文使用不同用量的淀粉：35%、40%、45%、50%，與不同用量的聚乙烯醇：4%、8%、12%、16%，調配出新型環保復合膠，制備完成后仍舊涂于木塊模具之上，通過萬能壓力機測試各個試件的膠合強度。

1.2.5 硼砂用量對新型環保復合膠性能影響

硼砂是一種交聯劑，用于促進淀粉與聚乙烯醇的減料，有利于復合膠的粘性與交聯度的提升[19]。本文制備復合膠時使用6%硼砂溶液，調整硼砂的用量分別為5、6、7、8、9和10 mL，淀粉質量分數分別為35%、40%、45%、50%，聚乙烯酸質量分數為12%。為觀察不同用量硼砂下復合膠干燥時長所受影響，將不同淀粉用量、硼砂用量配比的復合膠均勻涂抹于木塊模具之上，并使用相同大小的模具粘接到一起。利用電子天平記錄各個試件的初始質量，將各個試件置于自然通風環境之中，每間隔8 min稱重1次，直至質量不再發生變化，將初始質量與至恒重之間所用試件記錄下來，得到不同硼砂用量下復合膠干燥所需時間。

以GB/T 2791—1995標準作為依據，使用膠粘強度剝離試驗方法檢測本文所制備不同硼砂含量復合膠的剝離強度。

1.2.6 過硫酸銨用量對新型環保復合膠性能影響

過硫酸銨是一種常用于淀粉溶解的助氧化劑，能夠提升膠體的固化速度與耐水性，與淀粉中的蛋白質發生反應提高淀粉基膠的粘接性能[20]。過硫酸銨同時也是聚乙烯醇反應的重要助氧化劑，添加過硫酸銨能夠加快淀粉與聚乙烯醇的反應速率，在過硫酸銨的影響下，淀粉和聚乙烯醇彼此脫水，構建出網絡結構能夠一定程度提升復合膠的膠合強度。經過上文試驗，基本已經確定40%淀粉添加量的復合膠具有良好性能，所以該節實驗在質量分數40%淀粉，質量分數1.2%聚乙烯醇的復合膠基礎上開展。調整過硫酸銨質量分數分別為0.18%、0.23%、0.28%、0.33%、0.38%、0.43%和0.48%，使用萬能壓力機驗證不同過硫酸銨用量下復合膠的復合強度，將不同過硫酸銨用量制備的復合膠涂于木塊模具之上，干燥后浸泡在28℃的恒溫水浴鍋中，記錄各個試件的開膠時間。

1.2.7 羧基丁腈膠乳用量影響新型環保復合膠微觀形貌

新型環保復合膠的主要原料是淀粉與聚乙烯醇，已有研究表明，這2種膠粘劑的耐水性能均不太理想，所以需要添加水分散型高分子乳液提升新型環保復合膠的耐水性能。為獲得性能較為良好的新型環保復合膠，本文選擇粘性與活性都較高的羧基丁腈膠乳；為驗證不同用量羧基丁腈膠乳對于新型環保復合膠耐水性的影響，選擇不同質量分數0%、8%、12%，羧基丁腈膠乳添加至質量分數40%淀粉的基膠之中，與其他添加劑共同混合制成應用于建筑施工之中的新型環保復合膠。

將制備完成后，將不同羧基丁腈膠乳含量的新型環保復合膠倒至鋁箔紙之上，使用刮板刮勻，將烘干箱的溫度調至120℃ ，將各個新型環保復合膠置于烘干箱之中，烘干至質量恒定，將各干燥成膜的新型環保復合膠使用研磨缽和研磨杵手動研磨成粉末，鍍金處理后使用掃描電子顯微鏡觀察各新型環保復合膠粉末的微觀形貌。

2 結果分析

2.1 淀粉用量對新型環保復合膠性能影響

調整復合膠中淀粉用量，使用萬能壓力機測試各個復合膠試件的膠合強度以及耐水性能，結果如表1所示。

由表1可知，當淀粉質量分數為40%時，試件浸泡24 h才出現開膠情況，且該淀粉用量條件下，復合膠的膠合強度最高，達到4.85 MPa。但如果繼續增加淀粉用量將會造成復合膠粘性升高，此時復合膠流動性發生降低，耐水性與膠合強度出現顯著下降，所以并不是淀粉用量越高，復合膠的性能越好。從目前試驗結果來看，復合膠中，淀粉質量分數為40%時，復合膠性能最好。研究中還會調整復合膠的其他添加劑用量，以此獲得性能最佳的新型環保復合膠。

2.2 雙氧水用量對新型環保復合膠性能影響

雙氧水的使用會改變淀粉的結構，所以研究不同雙氧水用量下復合膠的膠合強度變化情況，結果如圖1所示。

從圖1可以看出，雙氧水用量會極大程度影響復合膠的膠合強度，雙氧水用量與復合膠黏度呈現出反比例關系。受到雙氧水影響，淀粉中的羥基發生氧化轉化為醛基，產生膠接性能，繼續添加雙氧水導致淀粉中剩余的羥基也出現氧化，淀粉結構中所包含的甙鍵遭受斷裂破壞，分子量發生下降，導致降低復合膠黏度。淀粉這一變化導致復合膠的膠合強度出現先升高后降低的變化趨勢。綜合來看，雙氧水用量一定程度影響復合膠的性能，但是雙氧水用量為1.2 mL時，淀粉用量為40%的復合膠膠合強度最高，且該用量的雙氧水不會導致復合膠黏度變小的問題。

2.3 聚乙烯醇用量對新型環保復合膠性能影響

在不同淀粉含量的復合膠中添加不同質量分數的聚乙烯醇，分析復合膠膠合強度發生的影響，具體如圖2所示。

從圖2可以看出，如果聚乙烯醇的用量較少，會導致復合膠中缺少醛基與羧基，導致復合膠的膠合強度較差，但是如果聚乙烯醇的用量過度又會導致復合膠不能完全發生氧化，同樣會出現膠合強度下降的情況，所以需要適量選擇聚乙烯醇的用量。

2.4 硼砂用量對新型環保復合膠性能影響

通過質量稱量獲得不同硼砂用量下，不同淀粉含量復合膠的干燥時長變化情況，結果如表2所示。

由表2可知，隨著硼砂用量增加，各組試件的干燥時間均保持下降趨勢，而且淀粉用量越少，干燥時間越短，這種情況是由于硼砂的使用導致淀粉之中的分子結構出現交聯現象。復合膠整體結構轉變為網狀高分子絡合物，穩定性與內聚力得到提升，所以硼砂用量越大，復合膠的干燥時間越短。另一方面，淀粉較少的情況下，硼砂所需反應的原料也較少，所以一定程度上能夠縮短干燥時間，而淀粉用量較多情況下，硼砂需要更多反應時間，所以干燥時間也更長。

不同硼砂用量下復合膠剝離強度變化情況如表3所示。

由表3可知，硼砂用量越多，各個時間保持先升高后降低的趨勢，硼砂中的成分會與淀粉發生反應形成一個比較穩定的結構，提升復合膠的內聚力，提升復合膠的剝離強度。但是如果硼砂用量過多同樣會造成復合膠黏度下降，導致剝離強度也隨之降低，所以需要適量使用硼砂。

2.5 過硫酸銨用量對新型環保復合膠性能影響

調整過硫酸銨用量，觀察復合膠膠合強度與開膠時間變化情況，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著過硫酸銨用量增加，復合膠的膠合強度與開膠時間保持上升趨勢，但是繼續增加過硫酸銨復合膠的膠合強度與開膠時間保持下降趨勢，由此可以看出，過硫酸銨用量為0.33%時，復合膠性能最好。

2.6 新型環保復合膠微觀形貌

使用掃描電子顯微鏡觀察各不同羧基丁腈膠乳含量的新型環保復合膠微觀形貌，由此判斷新型環保復合膠的耐水性，觀察結果如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，如果在淀粉基膠中未添加羧基丁腈膠乳，基膠中的淀粉遭受嚴重破壞，淀粉顆粒受到其他添加劑影響出現細片形狀，部分淀粉顆粒團聚在一起，整體來看，淀粉顆粒、團聚顆粒之間存在比較大的間隙；使用少量羧基丁腈膠乳8%后，淀粉已經不存在顯著顆粒形狀，原本的球型顆粒破碎，重組后變為近似方塊的形狀，各個顆粒之間相互纏繞，團聚成一個整體，僅有少量淀粉顆粒依舊分散在團聚結構間隙之中；當羧基丁腈膠乳用量為12%時，全部淀粉顆粒均成為團聚狀態凝聚在一起，彼此咬合，呈現一個完整的表面結構，但是該結構外部較為致密粗糙，內部已經不能看到完整的淀粉顆粒。由此可以確定，羧基丁腈膠乳添加量為12%的新型環保復合膠具有較為致密的交聯結構，能夠抵擋水分的滲入，使得新型環保復合膠具有較強耐水性能。

3 結語

研究應用于建筑施工環境之中的新型環保復合膠，并分析各種主料與輔料用量下，復合膠的性能。通過研究發現，適量使用淀粉膠與聚乙烯醇膠混合后獲得的新型復合具有較高膠合強度；添加適量硼酸能夠提升該復合膠的連接性與穩定性，同時硼酸用量越多，復合膠干燥越快；雙氧水的添加能夠一定程度提升復合膠的膠合強度，但是雙氧水用量過度將會直接降低復合膠的黏度，不符合建筑施工過程中材料粘接所需標準。淀粉基膠與聚乙烯醇膠的耐水性能均較差，雖然使用硼砂能夠一定程度改善該情況，但是并不理想，所以在復合膠中添加羧基丁腈膠乳，增強復合膠的耐水性能，使得所制備的新型環保復合膠具有更加良好的性能，在建筑施工領域使用壽命更長。

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