冬季低溫預制節段改性拼接膠的制備與性能研究

關鍵詞：預制節段拼接膠；低溫；聚硫醇固化劑；可擠壓性；抗壓強度。

中圖分類號：TQ433.4+37；TU58+1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0009-05

我國陸上風能資源豐富的地區主要分布在三北地區（東北、華北、西北）[1-2]，三北地區的冬天溫度較低，平均氣溫一般在5℃以下，三北地區按施工溫度可分為低溫-5～10℃、超低溫-20～5℃。在低溫環境，環氧膠粘劑膠體反應活性低，強度發展慢[3-5]。因此，研發滿足三北地區低溫施工要求的預制節段拼接膠有必要。本文基于三北地區低溫-5～10℃，進行低溫預制節段拼接膠的制備與性能研究。

1實驗部分

1.1試驗材料

環氧樹脂（BE188）（工業級，長春化工（盤錦）有限公司）；環氧樹脂（BFE170）（工業級，長春化工（盤錦）有限公司）；固化劑（G1），Ancamine2636（工業級，贏創特種化學（上海）有限公司）；固化劑（G2），AEP（工業級，大連連晟貿易有限公司）；改性聚硫醇固化劑（G3），自配；觸變劑（H18）（工業級，上海外電國際貿易有限公司）；石英砂（S120）（工業級，石家莊市金源礦業有限公司）；硅微粉（DG400）（工業級，江蘇聯瑞新材料股份有限公司）；稀釋劑（692）（工業級，安徽新遠科技有限公司）；稀釋劑（622）（工業級，安徽新遠科技有限公司）；稀釋劑（636）（工業級，安徽新遠科技有限公司）；硅烷偶聯劑（KH560）（工業級，湖北新藍天新材料股份有限公司）；促進劑（K54），2，4，6-三（二甲氨基甲基）苯酚，（工業級，贏創特種化學（上海）有限公司）。

1.2試驗儀器

5L雙行星動力混合機，佛山市金銀河智能裝備股份有限公司；TSE305D電子萬能試驗機，深圳萬測試驗設備有限公司；YP3001N電子秤，上海菁海儀器有限公司；ZH-TH-800恒溫恒濕箱，東莞市正航儀器設備有限公司。

1.3試驗制備

1.3.1預制節段拼接膠A組分的制備

設定環氧樹脂（BE188+BFE180）總質量份數為100，稀釋劑的添加量基于環氧樹脂的總質量份數添加，不同A組分配方的稀釋劑添加量見表1。

按表1配方，將環氧樹脂、稀釋劑、KH-560加入雙行星動力混合機中，常溫常壓下低速攪拌分散10min，之后，再加入相應數量的觸變劑，中速攪拌分散30min；然后再加入相應數量的石英砂、硅微粉，低速攪拌分散10min；最后抽真空脫泡，同步高速攪拌分散30min，即制得預制節段拼接膠A組分，見表2。

1.3.2預制節段拼接膠B組分的制備

設定固化劑質量份數為100，促進劑K54的添加量基于固化劑質量份數添加，不同B組分配方的促進劑添加量見表3。

按表3配方，將胺類固化劑、促進劑加入雙行星動力混合機中，常溫常壓下低速攪拌分散10min，再加入相應的觸變劑，中速攪拌分散30min；然后加入相應數量的石英砂、硅微粉，低速攪拌分散10min。之后，抽真空脫泡，同步高速攪拌分散30min，即制得預制節段拼接膠B組分。

1.3.3預制節段拼接膠的制備

將制備好的A組分和B組分按相應的質量比攪拌混合均勻，即制得預制節段拼接膠。

1.4測試與表征

在溫度區間-5～10℃進行預制節段拼接膠物理性能以及力學性能測試。

1.4.1物理性能測試

可擠壓性測試：按照T/CECS10080—2020標準6.3.5，在下限溫度-5℃，進行預制節段拼接膠可擠壓性測試，擠壓力選取150N。

可粘接時間測試：按照T/CECS10080—2020標準6.3.3，在上限溫度10℃，進行預制節段拼接膠可粘接時間測試。

1.4.2力學性能測試

大試塊抗壓強度測試：按照T/CECS10080—2020標準6.4.1，在下限溫度-5℃，進行預制節段拼接膠抗壓強度測試；試件尺寸為40mm×40mm×160mm的長方體，定義該試件抗壓強度為大試塊抗壓強度。

小試塊抗壓強度測試：按照GB/T2657—2021標準6.2，在下限溫度-5℃，進行預制節段拼接膠抗壓強度測試；試件尺寸為直徑10mm，高25mm的圓柱體，定義該試件抗壓強度為小試塊抗壓強度。

2結果與討論

2.1不同稀釋劑及其添加量對預制節段拼接膠可擠壓性的影響

預制節段拼接膠施工性受溫度影響巨大，當溫度降低，環氧樹脂黏度急劇增大，膠體黏稠，可能會導致塔筒落下時拼接膠膠體無法被擠出，無法飽滿的填充整個拼接縫，導致膠接縫密封防水效果下降[6]。因此，為保證拼接施工的正常開展，需要了解預制節段拼接膠在-5～10℃溫度區間下限溫度-5℃的可擠壓性，為低溫環境施工提供可靠的數據支撐。不同稀釋劑及其添加量配方預制節段拼接膠可擠壓性測試結果見表5。

由表5可知，配方編號5～8、13～16、21～24滿足在下限溫度-5℃，可擠壓性大于等于3000mm²，即20份稀釋劑692添加量的A2、25份稀釋劑622添加量的A4、30份稀釋劑636添加量的A6，搭配不同配方的B組分，能保證拼接膠在-5℃可擠壓性滿足標準要求。通過加入環氧活性稀釋劑，能明顯降低環氧樹脂的黏度，改善A組分在低溫下的施工性[16]。由此可知，不同活稀釋劑對環氧樹脂的稀釋效果不同，稀釋能力按大小排序依次是692、622、636。

2.2不同稀釋劑、固化劑和促進劑添加量對預制節段拼接膠可粘接時間的影響

T/CECS10080—2020《預制節段拼裝用環氧膠粘劑》規定用于預制節段拼裝施工的環氧膠粘劑，應具有不低于60min的可粘接時間。為此，選取表5中可擠壓性達標的配方進行上限溫度可粘接時間測試，測試結果見表6。

由表6可知，配方編號5～8、13～16、21～24在上限溫度10℃，滿足可粘接時間大于等于60min；但不同稀釋劑、固化劑、促進劑添加量的配方，可粘接時間測試數據不同，對應的預制節段拼接膠固化速度也不同。由表6還可知，固化速度按快慢依次為G3（改性聚硫醇）、G1（Ancamine2636）、G2（AEP）。G1（Ancamine2636）是曼尼希改性胺，分子結構中含有酚羥基，能明顯提升G1的反應活性，即使在10℃，G1依然具有很高的反應活性；G2（AEP）是一種具有叔胺結構的脂肪胺，叔胺結構以及脂肪胺賦予了G1較好的固化速度，G2在10℃也依然具有較高的反應活性；G3固化劑是改性聚硫醇固化劑，在叔胺K54的促進下，其固化活性很高，能夠在較低溫度下與環氧樹脂快速固化。不同于胺類固化劑，聚硫醇固化劑在叔胺促進劑的催化下即使在較低溫度依然具有較高反應活性[8-12]。

2.3不同稀釋劑、不同固化劑、不同促進劑添加量

對預制節段拼接膠大試塊抗壓強度的影響T/CECS10080—2020《預制節段拼裝用環氧膠粘劑》規定用于預制節段拼裝施工的環氧膠粘劑，在下限溫度24h應具有不低于60MPa的抗壓強度，試塊尺寸40mm×40mm×160mm。選取表6中可粘接時間達標的配方進行下限溫度-5℃/24h大試塊抗壓強度測試，測試結果見表7。

由表7可知，配方編號15、16、23、24在下限溫度-5℃，滿足大試塊抗壓強度大于等于60MPa。活性稀釋劑對預制節段拼接膠抗壓強度降低效果排序依次是692、622、636。

2.4不同稀釋劑、不同固化劑、不同促進劑添加量對預制節段拼接膠小試塊抗壓強度的影響

在風電塔筒拼接中，接縫位置膠層厚度較薄，一般小于10mm，當溫度較低時，膠層已不具備環氧膠粘劑大膠量的聚熱效應，此時膠層強度發展較慢，標準中采用的40mm×40mm×160mm的大試塊抗壓強度測試數據已不能準確表征接縫位置膠層的實際抗壓強度。為保證風電塔筒拼裝的有序進行，需要對接縫位置膠層抗壓強度進行模擬測試，為現場施工提供切實有效的數據支撐。基于-5～10℃低溫施工環境，本文引入小試塊抗壓強度測試，小試塊尺寸為直徑10mm、高25mm的圓柱體，與現場接縫處膠層厚度及尺寸較為接近，能夠相對客觀的反映接縫位置膠體的實際抗壓強度，為施工提供可靠數據參考。選取表7中抗壓強度達標的配方進行下限溫度-5℃/24h小試塊抗壓強度測試，測試結果見表8。

由表8可知，配方24在下限溫度-5℃，小試塊抗壓強度64.8MPa，滿足抗壓強度大于等于60MPa。這說明，即使在下限溫度-5℃，配方24的預制節段拼接膠在接縫位置強度發展依然良好，具有可靠的施工性，能夠保證塔筒拼接施工的正常開展。

綜上，確定了滿足-5～10℃溫度區間的低溫預制節段拼接膠配方：稀釋劑采用636，添加量為環氧樹脂質量的30%；固化劑采用改性聚硫醇；促進劑K54添加量為固化劑質量的8%。此配方可擠壓性3140mm²，可粘接時間65min，大試塊抗壓強度73.4MPa，小試塊抗壓強度64.8MPa。

3結語

（1）低溫-5～10℃，配方中通過添加20%環氧樹脂質量的稀釋劑692或25%環氧樹脂質量的稀釋劑622或30%環氧樹脂質量的稀釋劑636，預制節段拼接膠可擠壓性滿足標準要求；

（2）低溫-5～10℃，在相同促進劑K54的作用下，反應活性按高低依次為G3（改性聚硫醇）、G1（Ancamine2636）、G2（AEP）；

（3）確定了性能滿足低溫-5～10℃的低溫預制節段拼接膠配方，配方中稀釋劑采用636，添加量為環氧樹脂質量的30%；固化劑采用改性聚硫醇；促進劑K54添加量為固化劑質量的8%。此配方測試可擠壓性3140mm²，可粘接時間65min，大試塊抗壓強度73.4MPa，小試塊抗壓強度64.8MPa。