影響硅酸鹽改性聚氨酯加固材料粘接強(qiáng)度因素的研究

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（煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

聚氨酯加固材料具有低粘度、易施工、固化時(shí)間可調(diào)、強(qiáng)度高、強(qiáng)度上升快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中，如解決煤礦掘進(jìn)、開(kāi)采巷道遇到斷層、破碎帶等問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采規(guī)模和深度的不斷加大，煤礦生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的松軟破碎帶越來(lái)越多，使得聚氨酯加固材料的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

在井下使用聚氨酯加固材料的過(guò)程中，通常是把漿液注入到松散破碎狀、多孔性的煤巖體中，與松散煤巖體或巖土裂隙發(fā)生反應(yīng)，固化后，交聯(lián)生成具有一定強(qiáng)度的凝膠體，從而起到粘接和加固的作用。

由于聚氨酯加固材料過(guò)程中放熱高、熱量易聚集，且阻燃性較差，導(dǎo)致了井下火災(zāi)事故的頻發(fā)，嚴(yán)重危害了人民生命及財(cái)產(chǎn)安全。

硅酸鹽改性的聚氨酯加固材料本質(zhì)不燃，且放熱量低，在安全性方面更加可靠。經(jīng)硅酸鹽改性的聚氨酯加固材料在抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度等力學(xué)方面的性能降低了，尤其粘接強(qiáng)度下降的幅度更大。

目前，粘接強(qiáng)度參照GB/T 7124-2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》進(jìn)行制樣和測(cè)定。

GB/T 7124-2008 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣制備方法沒(méi)有嚴(yán)格的要求，選用不同的制樣方法會(huì)影響加固材料的粘接強(qiáng)度，進(jìn)而影響對(duì)加固材料粘接性能的評(píng)價(jià)。

影響粘接強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果的因素主要包括粘接試樣厚度的控制方法、粘接片的表面處理方法和膠接時(shí)材料的狀態(tài)。本文通過(guò)對(duì)這3 個(gè)影響因素的研究，以找到制備粘接樣品的最佳方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

（1） 水玻璃：模數(shù)2.6，工業(yè)級(jí)。

（2） 甘油：工業(yè)級(jí)。

（3） 多亞甲基多苯基異氰酸酯（PAPI）：工業(yè)級(jí)。

（4） 催化劑、增塑劑。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

（1） FLUKO 攪拌器。

（2） AG-IC50kN 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

（3） 反應(yīng)釜。

1.2 樣品制備和性能測(cè)試

1.2.1 樣品制備

（1） 攪拌狀態(tài)下，在反應(yīng)釜中依次加入水玻璃、甘油和催化劑，混合均勻后密封保存在試劑瓶中，為試劑A。

（2） 攪拌狀態(tài)下，在反應(yīng)釜中依次加入多亞甲基多苯基異氰酸酯和增塑劑，混合均勻后密封保存在試劑瓶中，為試劑B。

（3） 制備粘接試樣時(shí)，將試劑A 和試劑B 按體積比1∶1 混合，在轉(zhuǎn)速為100 r/min 條件攪拌下混合均勻后使用。

1.2.2 性能測(cè)試

按照GB/T7124-2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》對(duì)粘接試樣進(jìn)行測(cè)定。

1.3 粘接樣品的制備

影響粘接強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果的因素主要包括粘接試樣厚度的控制方法、粘接試片的表面處理方法和膠接時(shí)材料的狀態(tài)，根據(jù)影響因素的不同，選定對(duì)應(yīng)的粘接樣品的制備方法。

1.3.1 針對(duì)粘接試樣厚度控制方法的樣品制備

標(biāo)準(zhǔn)中要求以下幾點(diǎn)。

（1） 膠層厚度為0.2 mm。

（2） 可用插入間隔導(dǎo)線（使用間隔導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線應(yīng)該平行于施力方向） 或小玻璃球來(lái)控制。

（3） 試樣的尺寸測(cè)量精確度為±0.1 mm。

因此，按照標(biāo)準(zhǔn)的要求做到以下3 點(diǎn)。

（1） 膠層厚度可在0.1～0.3 mm 之間波動(dòng)。

（2） 當(dāng)使用導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線的材質(zhì)和數(shù)量會(huì)對(duì)粘接強(qiáng)度造成影響，以目前的工藝水平，導(dǎo)線的粗度可控制在0.2 mm。

（3） 當(dāng)使用小玻璃球時(shí)，小玻璃球的尺寸會(huì)對(duì)粘接強(qiáng)度造成影響，目前市面上的小玻璃球尺寸主要以區(qū)間范圍表示，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍有0.1～ 0.2 mm 和 0.2 ～ 0.3 mm。

厚度控制的具體方式見(jiàn)表1。

表1 厚度控制方式Table 1 Thickness control methods

不同厚度控制介質(zhì)粘接式樣的示意圖如圖1 所示。

圖1 不同厚度控制介質(zhì)粘接試樣的示意Fig.1 Schematic diagram of bonding samples with different thickness control media

1.3.2 針對(duì)粘接片表面處理方法的樣品制備

粘接片表面處理的方法與粘接片的材質(zhì)有關(guān)。粘接片選用銅、鋼（低碳鋼） 和鋼（不銹鋼） 3 種常見(jiàn)金屬進(jìn)行研究。表面處理的方法主要分為物理磨蝕和化學(xué)浸泡2 種。具體操作方法參照GB/T 21526- 2008《結(jié)構(gòu)膠黏劑粘接前金屬和塑料表面處理導(dǎo)則》。

粘接片表面處理方法的試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 粘接片表面處理方法的試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme of surface treatment method of adhesive sheet

1.3.3 針對(duì)膠接時(shí)材料狀態(tài)的樣品制備

在轉(zhuǎn)速為100 r/min 的攪拌下，試劑A 和試劑B 混合均勻需約20 s，混合均勻后至完全固化需100 s，制樣需 10 s。

從試劑A 和試劑B 混合均勻后10 s 起算（即算上制樣所需時(shí)間），以10 s 為一個(gè)時(shí)間間隔制樣 ， 依 次 表 示 為 T-1、 T-2、 T-3、 T-4、 T-5、T-6、T-7、T-8、T-9。以 T-9 為例，T-9 表示混合均勻后第90 s 制成的粘接試樣。

3 結(jié)果與分析

對(duì)影響粘接強(qiáng)度的因素主要包括粘接試樣厚度的控制方法、粘接試片的表面處理方法和膠接時(shí)材料的狀態(tài)進(jìn)行了研究。

3.1 粘接試樣厚度控制的方法

3.1.1 使用導(dǎo)線進(jìn)行厚度控制的方法實(shí)驗(yàn)

選用0.2 mm 不同材質(zhì)的導(dǎo)線進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每個(gè)樣品均用2 根導(dǎo)線進(jìn)行厚度控制，導(dǎo)線位置保持一致。

使用不同材質(zhì)導(dǎo)線進(jìn)行的粘接強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同材質(zhì)導(dǎo)線的粘接強(qiáng)度Table 3 Bonding strength of different wire materials

由表3 可以得出以下結(jié)論。

（1） 使用金屬材質(zhì)的導(dǎo)線時(shí)，其粘接強(qiáng)度略高于使用非金屬材質(zhì)導(dǎo)線的粘接強(qiáng)度。

（2） 使用不同類(lèi)型的金屬材質(zhì)的導(dǎo)線，以及不同類(lèi)型的非金屬材質(zhì)的導(dǎo)線時(shí)，其粘接強(qiáng)度沒(méi)有明顯差異。

因此，當(dāng)使用導(dǎo)線作為粘接試樣厚度控制的介質(zhì)時(shí)，可選用價(jià)格較為便宜的導(dǎo)線，不同材質(zhì)的導(dǎo)線對(duì)粘接強(qiáng)度的影響較小。

選用0.2 mm 的銅線作為實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，研究銅線使用數(shù)量的不同對(duì)粘接強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。制樣時(shí)銅線要求位置分布均勻。

粘接強(qiáng)度隨銅線數(shù)量變化的結(jié)果如圖2 所示。

圖2 粘接強(qiáng)度隨銅線數(shù)量的變化Fig.2 Change ofbondingstrength with the number ofcoppen wires

由圖2 可以得出以下結(jié)論。

（1） 當(dāng)使用1 根銅線時(shí)，樣片的粘接強(qiáng)度較低，主要是因?yàn)槭褂? 根銅線制樣時(shí)，粘接厚度不易控制，樣片會(huì)出現(xiàn)偏移，從而導(dǎo)致厚度不均勻，進(jìn)而影響樣片的粘接強(qiáng)度。

（2） 當(dāng)使用的銅線數(shù)量為2～9 根時(shí)，試樣的粘接強(qiáng)度最高可達(dá)4.6 MPa。

（3） 隨著銅線數(shù)量的進(jìn)一步增加，試樣的粘接強(qiáng)度逐漸降低至4.2 MPa。這是由于銅線數(shù)量的增加，減少了材料與粘接片的有效接觸范圍，銅線占據(jù)了材料的空間，從而降低了材料與粘接片之間的相互作用。

3.1.2 使用小玻璃球進(jìn)行厚度控制的方法實(shí)驗(yàn)

選用直徑在0.1～0.2 mm 范圍之間和0.2～0.3 mm 范圍之間的小玻璃球，其數(shù)量在1～30 個(gè)范圍內(nèi)變化。

粘接強(qiáng)度隨小玻璃球數(shù)量變化的結(jié)果如圖3所示。

由圖3 可以看出。

（1） 當(dāng)使用選定直徑范圍內(nèi)的小玻璃球作為厚度控制介質(zhì)時(shí)，其粘接強(qiáng)度均隨著小玻璃球數(shù)量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。

（2） 當(dāng)小玻璃球數(shù)量在8～15 個(gè)時(shí)，其粘接強(qiáng)度呈現(xiàn)平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)，隨著使用小玻璃球數(shù)量的進(jìn)一步增加，其粘接強(qiáng)度則逐漸下降。這種變化趨勢(shì)可能是因?yàn)樵谑褂幂^少數(shù)量的小玻璃球時(shí)，小玻璃球難以起到較好的厚度控制作用，從而導(dǎo)致粘接試樣厚度的不均一，但隨著使用小玻璃球數(shù)量的增加，小玻璃球起到了較好的厚度控制作用。

（3） 當(dāng)使用0.2～0.3 mm 直徑范圍的小玻璃球時(shí)，其粘接強(qiáng)度最高達(dá)到4.62 MPa。

（4） 當(dāng)使用0.1～0.2 mm 直徑范圍的小玻璃球時(shí)，其粘接強(qiáng)度最高達(dá)到3.62 MPa。

（5） 當(dāng)使用小玻璃球的數(shù)量＞15 個(gè)時(shí)，其有效的粘接面積和體積均下降，從而導(dǎo)致了粘接強(qiáng)度的降低。

比較2 個(gè)變化曲線可以看出，使用0.2 ～0.3 mm 直徑范圍內(nèi)的小玻璃球控制厚度時(shí)，因平均厚度的增大，使得粘接強(qiáng)度較使用0.1～0.2 mm 直徑范圍內(nèi)的小玻璃球控制厚度時(shí)要增大。

3.2 粘接片表面處理的方法

采用2 根銅導(dǎo)線控制厚度，分別以銅、低碳鋼和不銹鋼作為粘接片進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如下。

（1） 當(dāng)使用物理磨蝕法處理粘接片的表面時(shí)，3 種材質(zhì)制成樣片的粘接強(qiáng)度差異不大，其粘接強(qiáng)度約為4.6 MPa。

（2） 當(dāng)使用化學(xué)浸蝕法處理粘接片的表面時(shí)，3 種材質(zhì)制成樣片的粘接強(qiáng)度均有所增加。

（3） 比較物理磨蝕和化學(xué)浸蝕2 種方法處理銅片表面的效果，兩者對(duì)粘接強(qiáng)度的影響差異約為0.3 MPa。

（4） 分別使用過(guò)硫酸銨、三氯化鐵和硝酸3種浸蝕液處理銅片表面后，其粘接強(qiáng)度差異不大，使用硝酸浸蝕液處理銅片后的粘接強(qiáng)度略高于其他2 種浸蝕液處理銅片后的粘接強(qiáng)度。

（5） 當(dāng)使用化學(xué)浸蝕法處理低碳鋼表面時(shí)，其粘接強(qiáng)度較使用物理磨蝕法處理的變化不大，強(qiáng)度增幅約為0.1 MPa。

（6） 當(dāng)使用化學(xué)浸蝕法處理不銹鋼表面時(shí)，其粘接強(qiáng)度較使用物理磨蝕法處理的有較大的提升。使用鉻酸浸蝕時(shí)，粘接強(qiáng)度可達(dá)4.91 MPa，較物理磨蝕提高了約0.32 MPa。

因此，使用物理磨蝕法處理粘接片表面時(shí)，粘接片的材質(zhì)對(duì)其粘接強(qiáng)度的影響較小，而使用化學(xué)浸蝕法處理粘接片表面時(shí)，銅和不銹鋼材質(zhì)的粘接片的粘接強(qiáng)度較高。

粘接片表面處理方法的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 粘接片表面處理方法試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of bonding sheet surface treatment methods

3.3 膠接時(shí)材料的狀態(tài)

從試劑A 和試劑B 混合均勻時(shí)開(kāi)始至完全固化，材料的狀態(tài)不斷發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的粘接強(qiáng)度，試驗(yàn)用2 根銅導(dǎo)線控制厚度，使用低碳鋼物理磨蝕法處理時(shí)的粘接片。

粘接強(qiáng)度隨膠接時(shí)材料狀態(tài)變化的結(jié)果如圖4所示。

圖4 粘接強(qiáng)度隨膠接時(shí)材料狀態(tài)的變化情況Fig.4 Change of bonding strength with the state of material during bonding

由圖4 可以得出以下結(jié)論。

（1） 在材料混合均勻后的40 s 內(nèi)進(jìn)行制樣，材料的粘接強(qiáng)度最高，且在這段時(shí)間范圍內(nèi)，粘接強(qiáng)度不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。

（2） 在材料混合均勻后的40 s 之后進(jìn)行制樣，材料的粘接強(qiáng)度開(kāi)始大幅下降。

（3） 在材料混合均勻后第90 s 進(jìn)行制樣，材料的粘接強(qiáng)度僅為0.65 MPa。

由于粘接強(qiáng)度主要取決于材料與粘接片表面的相互作用，即界面作用，材料混合均勻后，隨著時(shí)間的推移，材料與粘接片形成的界面作用力逐漸降低，粘接強(qiáng)度也就逐漸下降。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1） 使用導(dǎo)線或小玻璃球控制粘接片的厚度可以達(dá)到同樣的效果，并且導(dǎo)線的材質(zhì)對(duì)粘接強(qiáng)度不產(chǎn)生影響；在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，小玻璃球的直徑越大，其粘接強(qiáng)度也就越大。

（2） 使用物理磨蝕法處理粘接片的表面時(shí)，粘接片的材質(zhì)對(duì)粘接強(qiáng)度不產(chǎn)生影響；使用不同浸蝕液處理粘接片的表面時(shí)，粘接強(qiáng)度比使用物理磨蝕法處理時(shí)要升高，且使用不同浸蝕液處理粘接片時(shí)，不同浸蝕液對(duì)樣片的粘接強(qiáng)度的影響較?。皇褂孟跛峤g的銅片作為粘接片時(shí)，其粘接強(qiáng)度最高可達(dá)4.97 MPa。

（3） 在材料混合均勻后，應(yīng)盡快制樣。因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，膠接時(shí)材料的狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料與粘接片之間的界面作用，從而降低粘接強(qiáng)度。