混凝土修復(fù)用抗紫外改性異佛爾酮二胺

劉 琳， 戴正華

(1.同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室, 上海 201804; 2.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 201804)

在長(zhǎng)久的使用過(guò)程中，混凝土路面會(huì)產(chǎn)生裂縫、板底脫空、唧泥和斷板等缺陷.為了確?；炷谅访娴恼Ｊ褂?必須對(duì)其缺陷部分進(jìn)行修補(bǔ),從而恢復(fù)路面的結(jié)構(gòu)和使用性能.在眾多修復(fù)材料中，環(huán)氧類材料以其優(yōu)異的附著力、突出的力學(xué)性能、較小的固化收縮率和絕佳的儲(chǔ)存穩(wěn)定性等特點(diǎn)，已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)工程中最為重要的材料之一[1-2].研究發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品雖然各項(xiàng)性能優(yōu)異，但耐UV老化性能較弱，難以適應(yīng)嚴(yán)苛的戶外環(huán)境.

本研究利用腰果酚、甲醛來(lái)改性異佛爾酮二胺(IPDA)固化劑，期望通過(guò)引入酚羥基提高其耐UV老化性能[3-6]，同時(shí)探究了最佳的改性工藝條件，希望改性后的IPDA固化劑能夠適應(yīng)嚴(yán)苛的戶外環(huán)境.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

腰果酚：工業(yè)級(jí)，阿拉丁試劑；甲醛：工業(yè)級(jí)，國(guó)藥試劑有限公司提供；雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂(Der331)：工業(yè)級(jí)，陶氏化學(xué)(上海)有限公司提供；聚酰胺(A350A)：工業(yè)級(jí)，空氣化工產(chǎn)品氣體生產(chǎn)(上海)有限公司提供；IPDA：工業(yè)級(jí)，巴斯夫中國(guó)有限公司提供；苯甲醇：工業(yè)級(jí)，國(guó)藥試劑有限公司提供；B5：改性IPDA固化劑的參比樣，市售.

1.2 試驗(yàn)儀器

真空干燥箱：DZF—6020型，上海一恒科技有限公司生產(chǎn)；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：Instron1185型，美國(guó)Instron公司生產(chǎn)；差示量熱掃描儀：美國(guó)Perkin Elmer公司生產(chǎn)；抗沖擊儀：Elocometer 1615型，英國(guó)Elcometer公司生產(chǎn)；傅里葉紅外光譜儀(FTIR)：Thermo IS10型，美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司生產(chǎn)；UV老化試驗(yàn)箱：Qlab UV型，美國(guó)Q-Lab公司生產(chǎn).

1.3 試驗(yàn)方法

(1)將一定量的腰果酚加入到裝有40℃恒溫純凈水的燒瓶中，在該溫度下邊攪拌邊逐滴加入IPDA固化劑，滴加完以后再加入甲醛并攪拌均勻；然后將加熱裝置升溫到100℃進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)一定的時(shí)間后降溫，接上冷凝管減壓蒸餾，最終得到改性IPDA固化劑.

(2)將改性IPDA固化劑與Der331按質(zhì)量比1∶3混合以制備測(cè)試樣品，在室溫下固化7d后，測(cè)試其附著力、硬度和耐沖擊等性能，以確定最佳改性配方和工藝條件.

(3)將改性IPDA固化劑與A350A按質(zhì)量比1∶1復(fù)配為最終的固化劑，再添加笨甲醇為稀釋劑，然后與Der331按照質(zhì)量比1∶1配成樣品A，和參比樣B5一起按GB/T 2568—1995《樹(shù)脂澆注體拉伸性能試驗(yàn)方法》、GB/T 2569—1995《樹(shù)脂澆鑄體壓縮性能試驗(yàn)方法》、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)》制樣，包括拉伸試樣、壓縮試樣和鋼對(duì)鋼搭接剪切試樣并進(jìn)行測(cè)試.固化條件均為室溫、7d.

2 結(jié)果與討論

2.1 改性IPDA固化劑的紅外光譜

利用腰果酚、甲醛和IPDA固化劑通過(guò)曼尼期反應(yīng)，得到改性IPDA固化劑.反應(yīng)過(guò)程如圖1所示.由圖1可見(jiàn)，改性IPDA固化劑的結(jié)構(gòu)式中出現(xiàn)了酚羥基[7-8].

圖1 改性IPDA固化劑的化學(xué)反應(yīng)式

改性前后IPDA固化劑的紅外光譜如圖2所示.由圖2可見(jiàn)：(1)改性IPDA固化劑在3400～2900cm-1范圍內(nèi)吸收峰變寬.這是因?yàn)樵诟男赃^(guò)程中生成了亞胺基，亞胺基在3400cm-1位置有不對(duì)稱伸縮峰和對(duì)稱伸縮峰，與酚羥基峰峰位發(fā)生重疊，在2950cm-1出現(xiàn)了甲基亞甲基的吸收峰.(2)在 1600cm-1位置出現(xiàn)了吸收峰的下降.說(shuō)明腰果酚上的羥基與IPDA固化劑上面的胺基發(fā)生了化學(xué)反應(yīng).(3)在1300cm-1位置的吸收峰加強(qiáng).這是由于甲基和亞甲基增加所致，在1100cm-1處的吸收峰是因?yàn)镃—N的鍵峰.由此表明腰果酚成功接入了IPDA固化劑.

圖2 改性前后IPDA固化劑的紅外圖譜

2.2 改性IPDA固化劑工藝條件的確定

通過(guò)調(diào)整各原材料的質(zhì)量比、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度，用制備產(chǎn)物的附著力作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，以選擇最佳工藝條件.由于甲醛與IPDA固化劑質(zhì)量比在1∶1 附近時(shí)反應(yīng)比較充分.因此，選擇甲醛與IPDA固化劑質(zhì)量比為1.0∶0.9、1.0∶1.0和1.0∶ 1.1，反應(yīng)時(shí)間根據(jù)產(chǎn)率達(dá)到95%以上所需要的溫度和時(shí)間來(lái)設(shè)置，分別為90℃、3h，80℃、4h，70℃、5h.表1為改性IPDA固化劑工藝參數(shù)對(duì)附著力的影響.由表1可見(jiàn)：反應(yīng)條件對(duì)IPDA固化劑改性的影響是不同的，并沒(méi)有直接線性關(guān)系；方案9，即甲醛與IPDA質(zhì)量比為1.0∶1.1，反應(yīng)時(shí)間為3h，反應(yīng)溫度為90℃時(shí)，改性IPDA固化劑的性能最優(yōu).

表1 改性IPDA固化劑工藝參數(shù)對(duì)附著力的影響

在反應(yīng)時(shí)間為3h，反應(yīng)溫度為90℃時(shí)，添加腰果酚，調(diào)節(jié)3種原料的配比，得到如表2所示的試驗(yàn)結(jié)果.表中硬度為鉛筆硬度.由表2可見(jiàn)：當(dāng)腰果酚含量逐步增大時(shí)，改性IPDA固化劑黏度有比較大的浮動(dòng)，胺值基本不變，硬度、附著力和耐沖擊性有一定程度的變化；當(dāng)m(methanal)∶m(IPDA)∶m(cardanol)=1.0∶1.1∶1.2時(shí)，其性能最好.因此，當(dāng)m(methanal)∶m(IPDA)∶m(cardanol)=1.0∶1.1∶1.2，反應(yīng)時(shí)間為3h，反應(yīng)溫度為90℃的時(shí)候，改性IPDA固化劑的效果最好.

表2 腰果酚含量對(duì)改性IPDA固化劑性能的影響

將改性前后IPDA固化劑分別與Der331進(jìn)行固化，測(cè)試固化產(chǎn)物的熱重曲線、力學(xué)性能和耐化學(xué)性[9-12]，結(jié)果分別如圖3和表3所示.由圖3可見(jiàn)，添加未改性IPDA固化劑的固化物在140℃附近有熱失重，而添加改性IPDA固化劑的固化物有良好的耐熱性.由表3可見(jiàn)，添加改性IPDA固化劑的固化物力學(xué)性能和耐化學(xué)性均高于添加未改性IPDA固化劑的固化物，由此可見(jiàn)在改性過(guò)程中生成了酚羥基，并且穩(wěn)定性良好.

圖3 雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂與改性前后IPDA固化劑固化產(chǎn)物的熱重曲線

表3 雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂與改性前后IPDA固化劑固化產(chǎn)物的力學(xué)性能和耐化學(xué)性

2.3 改性固化劑與參比樣性能對(duì)比

通過(guò)以上一系列的試驗(yàn)，將最終得到的改性IPDA固化劑與A350A按照質(zhì)量比1∶1復(fù)配，作為最終的環(huán)氧樹(shù)脂固化劑.添加苯甲醇作為稀釋劑，然后與Der331按照質(zhì)量比1∶1配成環(huán)氧樹(shù)脂-胺固化劑體系，簡(jiǎn)稱為樣品A.將市售產(chǎn)品B5作為參比樣，測(cè)試該體系下固化產(chǎn)物的力學(xué)性能并進(jìn)行耐UV測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4.由表4可見(jiàn)：樣品A的力學(xué)性能均能達(dá)到GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》要求，而且對(duì)C30級(jí)混凝土具有良好的附著力，破壞程度可達(dá)基材破壞；抗拉強(qiáng)度在經(jīng)過(guò)UV老化測(cè)試后并沒(méi)有劇烈的變化，但是伸長(zhǎng)率下降非常明顯，樣品A伸長(zhǎng)率降低了70%，而B(niǎo)5降低了97%.圖4為樣品A和B5的耐UV老化對(duì)比.由圖4可見(jiàn)，樣品B5經(jīng)過(guò)UV老化后呈現(xiàn)出了非常明顯的粉化點(diǎn).由此可見(jiàn)，樣品A不僅能夠滿足市場(chǎng)性能要求，還展現(xiàn)出了優(yōu)異的耐UV老化性能.

表4 樣品A和B5性能對(duì)比

圖4 樣品A和B5的耐UV老化性能對(duì)比

3 結(jié)論

(1)在腰果酚、甲醛和IPDA固化劑的質(zhì)量比為1.0∶1.1∶1.2，反應(yīng)時(shí)間為3h，反應(yīng)溫度為90℃的條件下，改性IPDA固化劑的效果最好.

(2)改性IPDA固化劑具有更好的耐熱性，同時(shí)力學(xué)性能和耐化學(xué)性也都有提升.

(3)使用改性IPDA固化劑與聚酰胺A350A按照質(zhì)量比1∶1復(fù)配作為改性固化劑體系，改性產(chǎn)品性能均能符合國(guó)標(biāo)要求，同時(shí)大幅提升了其抗UV老化性能.