建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的性能研究

杜紅霞

(河套學院土木工程系， 巴彥淖爾 015001)

環(huán)氧樹脂膠黏劑由環(huán)氧樹脂、固化劑、促進劑、改性劑、稀釋劑以及填料構成[1-3]。未經過改性的環(huán)氧樹脂膠黏劑易斷裂，在高溫狀況下易出現異常情況[4]。因此，為優(yōu)化環(huán)氧樹脂膠黏劑的使用性能，需要合理加入改性劑將其實施改性[5]。Kuleshov等[6]研究了單壁碳納米管(single-walled carbon nanotubes,SWCNT)對兩種環(huán)氧樹脂電學性能和力學性能的影響。將少量的SWCNT(質量濃度為0.125%)加入高溫航空航天級環(huán)氧樹脂中。結果表明，納米改性層合板的電學性能改善優(yōu)于SWCNT改性環(huán)氧樹脂。另一方面，加入SWCNT后環(huán)氧樹脂斷裂韌性的提高并沒有轉化為層間性能的提高，這可能是由于納米改性樹脂與玻璃纖維氈的相互作用能力降低所致。研究了一種SWCNT改性環(huán)氧膠黏劑用于鋁-鋁鍵合的力學性能和電學性能。研究發(fā)現，由于裂紋橋接等機制，1% 單壁碳納米管SWCNT的集成可顯著提高接頭I型斷裂韌性約35%。鍵合線的電阻值也與SWCNT改性膠膜的電導率一致(-10 S/m)，但略低于較厚樣品的體電導率。王彥平等[7]將環(huán)氧樹脂膠黏劑廣泛應用于建筑行業(yè)，且對其柔韌性與耐高溫性存在較高需求。現提出一種建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的性能研究方法。聚酰胺具備較好的抗高溫性，測試不同含量聚酰胺、不同預聚體配比與含量對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑性能的影響。

1 建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的性能研究方法

1.1 原料和儀器

實驗原料如表1所示,實驗儀器如表2所示。

表1 實驗原料

表2 實驗儀器

1.2 建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂制作

在室溫環(huán)境中把E-51環(huán)氧樹脂和固定量的有機硅液體橡膠在反應器里融合，導進苯基-2-甲胺、甲苯二異氰酸酯制作催化劑，逐步加熱到200 ℃，反應2 h，獲取差異含量的改性E-51環(huán)氧樹脂[8-10]。

1.3 測試方法

1.3.1 黏度檢測

通過NDJ-1型旋轉黏度儀器，檢測改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑黏度[11]。

1.3.2 剪切強度檢測

按照改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑拉伸剪切強度檢測標準，通過改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑粘接建筑材料檢測劑實現剪切檢測，材料測試尺寸是70 mm×30 mm×4 mm，剪切測試速率為16 mm/s。

1.3.3 剝離強度檢測

通過改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑粘接建筑材料檢測劑實現剝離檢測，材料測試尺寸為70 mm×30 mm×4 mm，按照GB/T 2792—2014進行剝離強度檢測。

1.3.4 力學性能檢測

拉伸強度主要是在固定溫度、濕度前提下，通過改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑粘接建筑材料檢測劑實現檢測。對材料兩旁施加拉伸力，直到材料被拉斷。拉伸強度是材料斷裂前承載的拉伸力最大值和材料原始橫截面積之比[12-14]。

力學性能檢測指標均按照GB/T 13657—2011檢測[15]。

1.4 測試方案

1.4.1 聚酰胺樹脂含量對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的黏度影響分析

以改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑粘接建筑材料的形式，測試聚酰胺樹脂含量分別是2、4、6、8、10 g時，對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑黏度影響，主要通過黏度值體現。

1.4.2 聚酰胺樹脂含量對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑抗外力性能影響分析

以改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑粘接建筑材料的形式，在聚酰胺樹脂含量分別為2、4、6、8、10 g的條件下，測試改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的抗外力性能，抗外力性能主要通過壓縮強度、剪切強度以及拉伸強度體現。

為了優(yōu)化改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的力學性能和粘接性能，將二乙烯三胺和聚酰胺混合，分析二乙烯三胺固化劑和聚酰胺在非混合配比、不同配比下條件下，對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑性能的影響。

1.4.3 預聚體不同配比與含量對建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的性能影響

將改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑作為基體樹脂，聚酰胺樹脂含量為6 g，將二乙烯三胺和聚酰胺按照6.6∶1.1比例混合。使用OH和NCO根據差異配比構建N210/TDI預聚體與M2/TDI預聚體，分析兩種預聚體不同配比條件下，其對建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑性能影響。

N210/TDI預聚體、M2/TDI預聚體屬于膠黏劑應用中常用的預聚體，可避免聚合物在加工成型時出現空洞和裂縫。將建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑作為基體，N210/TDI預聚體、M2/TDI預聚體作為增韌劑，增韌劑的含量依次是15、25、35、45、55、65 g，測試此條件下，建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的剪切強度、力學性能的變化。

2 聚酰胺樹脂含量對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的黏度影響分析

黏度屬于改性E-51環(huán)氧樹脂膠工藝性能的核心技術指標，測試改性E-51環(huán)氧樹脂的旋轉黏度，分析聚酰胺樹脂含量對改性E-51環(huán)氧樹脂膠的黏度的影響，分析結果如表3所示。

由表3可知，伴隨聚酰胺樹脂含量變大，改進E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑平均相對分子質量變大，所以黏度出現變大趨勢。如果聚酰胺樹脂含量是10 g，黏度將提升至100 000 mPa·s，對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的工藝性存在不良干擾。所以，聚酰胺樹脂含量在低于10 g時，對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的工藝性不存在顯著負面影響。

表3 聚酰胺樹脂含量對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的黏度的影響

3 聚酰胺樹脂含量對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑抗外力性能影響分析

聚酰胺樹脂含量對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑抗外力性能影響分析結果如表4所示。

分析表4中數據可知，差異含量的聚酰胺含量對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑抗外力性能存在一定影響。伴隨聚酰胺含量的增多，改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的拉伸強度、壓縮強度逐漸變小，但是剪切強度值逐漸變大。因為聚酰胺結構里存在一些沒有參加酰胺化的伯胺基，如果含量較小，膠體脆度較大，拉伸強度與壓縮強度變大，含量較多，聚酰胺結構里酰胺鍵數量變多，可優(yōu)化膠體和基材黏附力，改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑制作的建筑材料剪切強度便變大。

為了優(yōu)化改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的力學性能和粘接性能，將二乙烯三胺和聚酰胺混合。結果如表5、表6所示。

分析表5可知，非混合配比下，單獨放入的聚酰胺與二乙烯三胺含量增多時，改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的拉伸強度與壓縮強度逐漸變小，剪切強度變大。同表4分析結果一致，表示此時改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的性能不存在顯著變化。分析表6可知，將二乙烯三胺和聚酰胺混合，當配比是6.6∶1.1時，改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的拉伸強度、壓縮強度以及彎曲強度最大，由此可見，想要優(yōu)化改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑使用性能，將二乙烯三胺和聚酰胺按照6.6∶1.1比例混合后，改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑使用性能最佳。

表4 抗外力性能分析結果

表5 非混合配比對黏劑性能的影響

表6 不同配比對黏劑性能的影響

4 預聚體對建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑性能的影響

4.1 預聚體對膠黏劑性能的影響

N210/TDI預聚體對膠黏劑性能影響測試結果如圖1所示。

圖1 N210/TDI預聚體對膠黏劑性能影響

分析圖1可知，N210/TDI預聚體影響下，建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的常溫剪切強度、100 ℃下剪切強度、150 ℃下剪切強度以及室溫剝離強度均存在先增大后變小的規(guī)律，原因是OH含量變多，反應獲取的預聚體分子量變多，黏度提升，建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的浸潤性變差，粘接強度變差。所以，此時OH∶NCO的最佳比例是1∶3，建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑增韌效果最佳。

M2/TDI預聚體對膠黏劑性能影響結果如圖2所示。

圖2 M2/TDI預聚體對膠黏劑性能影響

分析圖2可知，差異OH∶NCO比例反應獲取的M2/TDI預聚體中，伴隨OH含量變多，改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的常溫剪切強度、100 ℃下剪切強度、150 ℃下剪切強度以及室溫剝離強度均存在先增大后變小的規(guī)律，所以，此時OH∶NCO的最佳比例是1∶3，建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑增韌效果最佳。

4.2 N210/TDI預聚體對膠黏劑剪切強度的影響

N210/TDI預聚體對膠黏劑剪切強度影響測試結果如表7所示。

分析表7數據可知，伴隨N210/TDI預聚體含量變多，改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的常溫剪切強度、100 ℃下剪切強度具有先變大后變小的規(guī)律。N210/TDI預聚體含量是35 g時，常溫剪切強度、100 ℃下剪切強度高達29.56、24.35 MPa，90 ℃室溫剝離強度也最大。原因是N210/TDI預聚體中異氰酸基可和環(huán)氧樹脂側鏈上的羥基進行反應，N210/TDI預聚體和建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑混合后，可獲取存在柔性側鏈的新型環(huán)氧樹脂，可優(yōu)化膠黏劑柔性度。此時改性膠黏劑里氨酯基極性較為顯著，可以衍生氫鍵，優(yōu)化建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的浸潤性。因為預聚體和環(huán)氧樹脂存在可反應性，這對建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的內聚水平存在積極影響，粘接強度得以優(yōu)化。如果預聚體含量過多，NCO和環(huán)氧樹脂OH基不具有反應性，剩下的預聚體通過小分子模式出現在固化物里，建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的內聚強度將受到負面影響。

表7 N210/TDI預聚體對膠黏劑剪切強度的影響

4.3 M2/TDI預聚體對膠黏劑剪切強度影響

M2/TDI預聚體對膠黏劑剪切強度影響的測試結果如表8所示。

表8 M2/TDI預聚體對膠黏劑剪切強度的影響

分析表8數據可知，M2/TDI預聚體含量是35 g時常溫下剪切強度、剝離強度分別是36.29、6.88 MPa。伴隨預聚體含量增多，100、50 ℃下剪切強度具有先變大后變小的規(guī)律。M2/TDI預聚體與N210/TDI預聚體的增韌原理差異不大，M2/TDI預聚體含量是35 g時，增韌效果最佳。

4.4 N210/TDI預聚體對膠黏劑力學性能影響

N210/TDI預聚體對建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑力學性能的影響測試結果如表9、表10所示。

分析表9、表10數據可知，建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的拉伸強度、彈性模量以及斷裂伸長率伴隨預聚體含量的增多而出現先變大后變小的規(guī)律，原因是少量N210/TDI預聚體可以

表9 拉伸性能測試結果

表10 彎曲性能與沖擊性能測試結果

衍生柔性類環(huán)氧樹脂，致使環(huán)氧樹脂的脆性顯著，內聚強度提升。柔性鏈和環(huán)氧樹脂相融，若用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑使用在建筑材料中，受應力影響，柔性鏈段可以降低應力的密度。如果N210/TDI預聚體含量過多，N210/TDI預聚體將出現在固化物里，固化產物的規(guī)整性受到影響，致使建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的內聚強度變低。彎曲強度、沖擊強度、撓度具有先變大后變小的規(guī)律，原因是建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑中側鏈和環(huán)氧樹脂存在交聯(lián)網絡，如果建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑使用在建筑中，受外力沖擊影響，交聯(lián)網絡能夠降低應力密度，吸收外界作用力，提升了建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑材料抗裂性，優(yōu)化材料的沖擊韌性。N210/TDI預聚體含量是35 g時，建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑力學性能最佳。

5 結論

針對建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的性能研究這一問題，提出聚酰胺樹脂含量對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的黏度影響分析、聚酰胺樹脂含量對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑抗外力性能影響分析、不同預聚體配比與含量對建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的性能影響分析3種研究方案。得出如下結論。

(1)聚酰胺樹脂含量在低于10 g時，對改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的工藝性不存在顯著負面影響。

(2)伴隨聚酰胺含量的增多，改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的拉伸強度、壓縮強度逐漸變小，但是剪切強度值逐漸變大。

(3)將二乙烯三胺和聚酰胺混合，當配比為6.6∶1.1時，改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的拉伸強度、壓縮強度以及彎曲強度最大。

(4)制作預聚體實現膠粘接增韌時時，OH∶NCO的最佳比例為1∶3。

(5)N210/TDI預聚體含量為35 g時，建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑在常溫剪切強度、100 ℃下剪切強度高達29.56、24.35 MPa，90 ℃室溫剝離強度也最大；M2/TDI預聚體含量為35 g時，建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑的常溫下剪切強度、剝離強度分別是36.29 、6.88 MPa，100、50 ℃下剪切強度具有先變大后變小的規(guī)律。N210/TDI預聚體含量為35 g時，建筑用聚酰胺樹脂改性E-51環(huán)氧樹脂膠黏劑力學性能最佳。