柔韌性環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料的研究

楊曉強(qiáng)，王彥臻，陳千（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安　710018）

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柔韌性環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料的研究

楊曉強(qiáng)，王彥臻，陳千
（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安710018）

摘要：采用低分子多胺、多聚甲醛與長(zhǎng)鏈酚的曼尼斯反應(yīng)合成酚醛胺，再配以聚醚胺和促進(jìn)劑制備柔韌性環(huán)氧樹(shù)脂固化劑，同時(shí)通過(guò)共混改性的方法對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性，制備一種柔韌性環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料。研究了活性稀釋劑、增韌劑和固化劑含量對(duì)環(huán)氧堵漏材料性能的影響。通過(guò)配方的優(yōu)化，得到了可灌性好、性能優(yōu)異的堵漏材料。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹(shù)脂；柔韌性；堵漏材料

0　前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)城市地鐵建設(shè)十分迅速。地鐵工程設(shè)計(jì)的使用壽命長(zhǎng)達(dá)百年，然而受地質(zhì)條件的不同，新舊結(jié)構(gòu)的搭接，地鐵隧道不同施工工藝的結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合，混凝土自身的收縮，施工質(zhì)量，地下水等因素的影響，造成地鐵混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫、變形縫、施工縫及缺陷等不可避免地存在一定程度的滲漏水，給地鐵的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)潛在的安全隱患，極大地影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，嚴(yán)重影響地鐵系統(tǒng)的使用壽命[1-2]。通過(guò)使用堵漏材料可以有效地對(duì)地鐵的滲漏水進(jìn)行治理，消除隱患，延長(zhǎng)地鐵系統(tǒng)的使用壽命。環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，能有效在水介質(zhì)中快速固化，而且固結(jié)體強(qiáng)度高、與混凝土粘結(jié)性能良好、收縮率低，耐酸、堿、鹽等性能優(yōu)異，同時(shí)兼顧了堵漏和加固的作用，在地鐵滲漏水治理方面具有廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。

環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料一般分為A、B組分，A組分以環(huán)氧樹(shù)脂為主體，B組分為固化劑，通常使用的固化劑為小分子多元胺，其反應(yīng)速度快、可室溫固化，但是分子量較低、揮發(fā)性大、毒性大，對(duì)人體傷害也大。由于反應(yīng)速度過(guò)快，使固化收縮應(yīng)力大、易開(kāi)裂、性脆。并且固化劑用量少，配比要求嚴(yán)格，給使用者帶來(lái)不便[6]。本文采用低分子多胺、多聚甲醛與長(zhǎng)鏈酚的曼尼斯反應(yīng)，制備柔韌性的酚醛胺固化劑，克服了傳統(tǒng)小分子多元胺固化劑的上述缺點(diǎn)。同時(shí)采用共混改性的方法對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性，制備出一種柔韌性環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原材料與實(shí)驗(yàn)儀器

環(huán)氧樹(shù)脂、活性稀釋劑、增韌劑、長(zhǎng)鏈酚、多聚甲醛、低分子多胺、聚醚胺和促進(jìn)劑，均為工業(yè)品。

傅立葉紅外光譜儀，美國(guó)Analect公司；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海精科天平儀器廠(chǎng)；WDW3020型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司；恒溫恒濕試驗(yàn)箱，華南儀器設(shè)備有限公司。

1.2環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料的制備

在帶有回流冷凝器的反應(yīng)器中加入定量的長(zhǎng)鏈酚和低分子多胺，升溫到50℃，邊攪拌邊分批加入多聚甲醛，體系升溫到（80±5）℃回流反應(yīng)3 h，冷卻至50℃即得到酚醛胺。再加入聚醚胺和促進(jìn)劑混合均勻，得到固化劑。

將環(huán)氧樹(shù)脂、活性稀釋劑和增韌劑以不同比例混合均勻，作為A組分；固化劑作為B組分。A、B組分按照2∶1質(zhì)量比混合均勻，即得到環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料。

1.3測(cè)試方法

（1）黏度：按GB/T 2794—1995《膠粘劑粘度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。

（2）FTIR分析：采用美國(guó)Analect公司RFX-65A傅里葉紅外轉(zhuǎn)換光譜儀測(cè)試。

（3）水下初凝時(shí)間：在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)條件下[溫度（23±2）℃，相對(duì)濕度（50±10）%]，將漿液A、B組分按照一定質(zhì)量比混合均勻并稱(chēng)量45 g，倒入250ml的玻璃燒杯中，使其鋪展均勻。將250ml玻璃燒杯放入3000ml的玻璃燒杯中，將水倒入到3000ml的刻度處。每隔10min用玻璃棒接觸一次漿液混合體的表面，直到出現(xiàn)“拉絲”現(xiàn)象。記錄此時(shí)經(jīng)過(guò)的時(shí)間，則該時(shí)間為環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料在水下的初凝時(shí)間，精確到10min。

（4）抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 2567—2008《樹(shù)脂澆注體性能測(cè)試》，截取直徑為10mm高度為25mm的圓柱體試樣。澆注體在恒定溫度下放置28 d后，使用WDW3020型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，記錄樣品破裂前所受最大壓力下的壓強(qiáng)值。

（5）斷裂伸長(zhǎng)率：按GB/T 2568—1995《樹(shù)脂澆鑄體拉伸性能試驗(yàn)方法》測(cè)試固結(jié)體的斷裂伸長(zhǎng)率。

（6）水下粘結(jié)強(qiáng)度

試件制備：按照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》要求制備“8”字型砂漿試塊。采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，將水泥和中砂按照1∶1質(zhì)量比加入砂漿攪拌機(jī)中攪拌，加水量以砂漿稠度70～90mm為準(zhǔn)，倒入?？蛑姓駥?shí)抹平，然后移入養(yǎng)護(hù)室，1 d后脫模，水中養(yǎng)護(hù)10 d后再在（50±2）℃的烘箱中干燥（24±0.5）h，取出在標(biāo)準(zhǔn)條件下放置備用，同樣制備5對(duì)砂漿試塊。

試驗(yàn)器具：拉力試驗(yàn)機(jī)，拉伸速度（5±1）mm/min。

試驗(yàn)步驟：將“8”字模拉斷并浸泡于水中，24 h后取出。將漿液A、B組分按照一定質(zhì)量比混合均勻，涂于“8”字模斷面，對(duì)接粘合后用橡皮筋固定好，將粘合面水平放置，立即完全浸入（23±2）℃水中養(yǎng)護(hù)28 d，取出后測(cè)其粘結(jié)強(qiáng)度。

2　結(jié)果與討論

2.1曼尼斯反應(yīng)制備酚醛胺的紅外光譜結(jié)構(gòu)表征

長(zhǎng)鏈酚、低分子多胺和合成酚醛胺的紅外譜圖如圖1所示。在長(zhǎng)鏈酚的紅外譜圖中，3342 cm-1附近為酚—OH的吸收峰，1600～1400 cm-1區(qū)域?yàn)楸江h(huán)的吸收峰，3000～2800 cm-1區(qū)域?yàn)橥闊N鏈中C—H的吸收峰，3072 cm-1附近為=C—H的吸收峰，此峰很弱說(shuō)明長(zhǎng)鏈酚中連接苯環(huán)的長(zhǎng)烴鏈上有少量的C=C。在低分子多胺的紅外譜圖中，3400～3200 cm-1區(qū)域的雙峰以及900～770 cm-1區(qū)域的峰為伯胺特有的吸收峰。合成的酚醛胺譜圖中，3400～3200 cm-1區(qū)域的雙峰逐漸變成單峰，以及900～770 cm-1區(qū)域的峰逐漸消失，說(shuō)明低分子多胺的端氨基發(fā)生了反應(yīng)，此外，在1850～1650 cm-1區(qū)域未出現(xiàn)C=O的任何吸收峰，說(shuō)明醛被反應(yīng)完全，生成了目標(biāo)產(chǎn)物酚醛胺。

圖1　曼尼斯反應(yīng)合成酚醛胺的紅外光譜

2.2活性稀釋劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料性能的影響

活性稀釋劑為分子鏈上帶有1個(gè)環(huán)氧官能團(tuán)的低分子物質(zhì)，其黏度很低，小于10mPa·s（25℃），可以有效降低環(huán)氧樹(shù)脂的黏度，同時(shí)可以參加固化反應(yīng)。但是由于只含有1個(gè)環(huán)氧基團(tuán)，參加反應(yīng)后降低了環(huán)氧樹(shù)脂的交聯(lián)度，通常會(huì)使得材料的性能降低。實(shí)驗(yàn)將一定份數(shù)活性稀釋劑與100份環(huán)氧樹(shù)脂混合配制成環(huán)氧漿液A組分，測(cè)試活性稀釋劑含量對(duì)A組分黏度和固結(jié)體（A、B組分質(zhì)量比為2∶1）抗壓強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

從圖2、圖3可以看出，隨著稀釋劑含量的增加，A組分的黏度先迅速下降，后下降速度變緩，而固結(jié)體抗壓強(qiáng)度下降速度一直很快。這說(shuō)明稀釋劑含量不能太多，否則嚴(yán)重影響材料的抗壓強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)活性稀釋劑含量在20份左右時(shí)，漿液的黏度比較適中，固結(jié)體強(qiáng)度也較高。

圖2　稀釋劑含量對(duì)A組分黏度的影響

2.3增韌劑含量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料性能的影響

增韌劑一般為分子鏈柔性好的物質(zhì)，通過(guò)共混對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂改性后，會(huì)大大改善環(huán)氧固結(jié)體的脆性，但同時(shí)也會(huì)對(duì)其強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響。本實(shí)驗(yàn)采用20份活性稀釋劑將100份環(huán)氧樹(shù)脂稀釋后，再以不同份數(shù)的增韌劑對(duì)其改性，測(cè)試增韌劑含量對(duì)固結(jié)體（A、B組分質(zhì)量比為2∶1）性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖3　稀釋劑含量對(duì)固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的影響

圖4　增韌劑含量對(duì)固結(jié)體斷裂伸長(zhǎng)率的影響

圖5　增韌劑含量對(duì)固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的影響

從圖4、圖5可以看出，隨著增韌劑含量的增加，材料的斷裂伸長(zhǎng)率前期增長(zhǎng)較緩慢，中期迅速增長(zhǎng)，后期增速趨于平緩，其抗壓強(qiáng)度則緩慢下降。這說(shuō)明增韌劑含量必須達(dá)到一定量時(shí)才能對(duì)材料的脆性有明顯改善，但也不可添加太多，以免強(qiáng)度下降太多。本實(shí)驗(yàn)在增韌劑含量為20份時(shí)，材料的綜合性能較好。

2.4固化劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料的性能

固化劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料的性能有較大影響，實(shí)驗(yàn)將100份環(huán)氧樹(shù)脂、20活性稀釋劑和20份增韌劑混合配制成環(huán)氧漿液A組分，然后將A組分與固化劑按不同質(zhì)量比混合，測(cè)試固化劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料初凝時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　固化劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料性能的影響

從表1可以看出，隨著固化劑用量的增加，環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料的水下初凝時(shí)間縮短，抗壓強(qiáng)度提高。當(dāng)A組分與固化劑的質(zhì)量比由3∶1變到1∶1時(shí)，水下初凝時(shí)間由240min縮短到50min，抗壓強(qiáng)度由40MPa提高到52MPa。當(dāng)A組分與固化劑的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，材料的綜合性能較優(yōu)。

3　結(jié)語(yǔ)

采用長(zhǎng)鏈酚、多聚甲醛和低分子多胺的曼尼斯反應(yīng)合成了一種酚醛胺，再配以聚醚胺和促進(jìn)劑得到柔韌性環(huán)氧樹(shù)脂固化劑。經(jīng)過(guò)配比試驗(yàn)得到較佳配方，將100份環(huán)氧樹(shù)脂、20活性稀釋劑和20份增韌劑混合配制成環(huán)氧漿液A組分，漿液的初始黏度在500mPa·s左右。然后將A組分與固化劑按2∶1質(zhì)量比混合，制得的環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料水下初凝時(shí)間120 min、抗壓強(qiáng)度49MPa、斷裂伸長(zhǎng)率15%、水下粘接強(qiáng)度1.7 MPa。此環(huán)氧樹(shù)脂堵漏材料可灌性好，施工方便，水下凝固速度快，力學(xué)性能優(yōu)良。

參考文獻(xiàn)：

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Study on the flexible epoxy resin sealing material

YANG Xiaoqiang，WANG Yanzhen，CHEN Qian
（Xi'an Mass Transit Railway Co.Ltd.，Xi'an 710018，China）

Abstract：A kind of flexible epoxy resin curing agent was prepared by mixing phenolic amine，poly formaldehyde and promoter.The phenolic amines ware synthesized by Mannich reaction of low molecular polyamine，polyamine and long chain phenol.At the same time，the epoxy resin was modified by blending modification method.Then，a kind of flexible epoxy resin sealing material was prepared.The effect of the content of reactive diluent，toughening agent and curing agent on the properties of epoxy resin sealing material was studied.Through the optimization of the formulation，a new sealing material with good irrigation and excellent performance was obtained.

Key words：epoxy resin，flexible，sealing material

作者簡(jiǎn)介：楊曉強(qiáng)，男，1966年生，陜西禮泉人，教授級(jí)高級(jí)工程師。地址：西安市未央?yún)^(qū)鳳城八路126號(hào)，E-mail：xiaoqiangyang123@126. com。

收稿日期：2015-09-10

中圖分類(lèi)號(hào)：TU57

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）01-0056-03