膠囊化吸水樹脂對水性環(huán)氧樹脂灌漿料的改性研究

林春紅，溫建峰，彭建偉，汪志勇，唐潔，姚佳楠，余志武

（1.中鐵四局安徽中鐵工程材料科技有限公司，安徽 合肥 230041；2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程研究中心，湖南 長沙 410075）

傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂為油性環(huán)氧樹脂，都含揮發(fā)性有機物，存在一定毒性。隨著人們環(huán)保意識的增強以及環(huán)保政策的限制，環(huán)氧樹脂材料正向水性化方向發(fā)展。水性環(huán)氧樹脂不僅保留了油性環(huán)氧樹脂的優(yōu)異性能，還具有綠色無污染、操作性強、適用性佳以及安全性好等特有優(yōu)勢[1-4]。然而，水性環(huán)氧樹脂材料是一種以水為分散介質(zhì)的乳液，相比常用有機溶劑，水是一種高比熱容的材料，揮發(fā)困難，導(dǎo)致水性環(huán)氧樹脂存在固化時間長、收縮率大等缺陷，難以單獨應(yīng)用于混凝土細微裂縫修補領(lǐng)域[5]。

為解決水性環(huán)氧樹脂材料應(yīng)用于混凝土細微裂縫修補領(lǐng)域存在的缺陷，本文選用吸水樹脂來改性水性環(huán)氧樹脂。通過吸水樹脂的吸水作用，吸附水性環(huán)氧樹脂體系中的水，不僅可以提高環(huán)氧樹脂與固化劑的反應(yīng)速率，縮短固化時間，還能解決水分揮發(fā)造成體積收縮的缺陷。另外，本研究還選用環(huán)氧樹脂（E20）和聚乙二醇（PEG6000）為包覆材料，將吸水樹脂膠囊化[6-8]，以降低吸水樹脂的早期吸水速率，確保改性后的水性環(huán)氧樹脂在修補施工時具有足夠的可操作時間?；谏鲜鲅芯克悸?，本文系統(tǒng)研究了膠囊化吸水樹脂的包覆工藝對延長可操作時間的影響，以及對水性環(huán)氧樹脂的固化時間、收縮率、力學(xué)性能和可操作性等的影響。

1 試驗

1.1 主要原材料和儀器設(shè)備

（1）原材料

高分子吸水樹脂：低交聯(lián)型聚丙烯酸鈉，鈉離子含量為24.5%，含水量8%～10%；交聯(lián)劑：粒度200～400目，可信化工；雙酚A型環(huán)氧樹脂（E20）：CYD011，環(huán)氧值450～500g/mol，廣州市偉晟化工有限公司；聚乙二醇（PEG6000）：江蘇省海安石油化工廠；乙醇：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；水性環(huán)氧樹脂乳液：2340W，固含量56%，黏度287 mPa·s；水性環(huán)氧固化劑：2100W，固含量44%，湛新樹脂。

（2）主要儀器設(shè)備

旋轉(zhuǎn)黏度計：NDJ-8S型，邦西儀器科技有限公司；電子萬能試驗機：Byes2010型，邦億精密量儀有限公司；電子分析天平：BBA124S型，濟南歐萊博科學(xué)儀器有限公司；電動攪拌器：GZ型，常州市億能實驗儀器廠。

1.2 樣品制備

（2）膠囊化吸水樹脂改性水性環(huán)氧樹脂的制備：將水性環(huán)氧樹脂與水性環(huán)氧固化劑按質(zhì)量比100∶133，配制成均一固化體系后，加入一定量的膠囊化吸水樹脂顆粒，制得膠囊化吸水樹脂改性水性環(huán)氧樹脂。

1.3 測試與表征

樹脂黏度：采用旋轉(zhuǎn)黏度計，按GB/T 2794—2013《膠粘劑黏度的測定》進行測試。將膠囊化吸水樹脂與水性環(huán)氧樹脂按照質(zhì)量比1∶50的配制成樹脂溶液，通過測試混合后樹脂溶液不同時間點的黏度來表征所制備膠囊化吸水樹脂的延遲吸水效果；樹脂拉伸、抗壓強度：按JC/T 1041—2007《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》制備試件，參照GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》進行測試；樹脂粘結(jié)強度按JC/T 1041—2007進行測試；樹脂收縮率：按GB/T 13354—1992《液態(tài)膠黏劑密度的測定方法》和GB/T 1033.1—2008《塑料 非泡沫塑料密度的測定》，通過分別測試液態(tài)樹脂密度和成型硬化物密度，經(jīng)計算得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠囊化吸水樹脂性能的影響因素分析

2.1.1 包覆材料中E20與PEG6000質(zhì)量比對膠囊化吸水樹脂分散性和延遲吸水效果的影響

E20是一種非水溶性材料，作為主要包覆材料，主要起早期隔絕吸水樹脂與水接觸的效果。PEG6000是一種水溶性材料，且具有較好的成膜性和水溶液分散性，作為次要包覆材料，主要起提供包覆層中水滲透通道的作用，并調(diào)節(jié)膠囊化吸水樹脂顆粒在水溶液中的分散性。

為獲得具有較好延遲吸水效果和分散性的膠囊化吸水樹脂顆粒，需協(xié)調(diào)好E20與PEG6000的質(zhì)量配比。設(shè)定延遲吸水樹脂中包覆材料的質(zhì)量百分比為25%，包覆液中溶劑乙醇的質(zhì)量百分比為80%，包覆溫度為50℃，將E20與PEG6000按不同質(zhì)量比制備的膠囊化吸水樹脂材料，加入未加固化劑的水性環(huán)氧樹脂乳液中，兩者質(zhì)量比為1∶50，采用旋轉(zhuǎn)黏度計測試混合液在不同時間點黏度的變化。同時，觀察加入水性環(huán)氧固化劑后水性環(huán)氧樹脂固化物切面中膠囊化吸水樹脂的分散性，并以未包覆的吸水樹脂材料作為對比樣，試驗結(jié)果見表1。

表1 E20與PEG6000質(zhì)量比對膠囊化吸水樹脂顆粒性能的影響

從表1可以看出：未進行包覆改性的吸水性樹脂吸水速率過快，加入水性環(huán)氧樹脂2 min后體系黏度急劇增大，無延遲吸水效果；采用E20與PEG6000包覆材料對吸水樹脂進行包覆處理后，包覆過的吸水樹脂材料對乳液黏度的影響明顯低于未包覆的吸水樹脂，說明吸水樹脂包覆后，早期吸水速率得到了明顯降低。分析E20與PEG6000不同質(zhì)量比時的試驗數(shù)據(jù)可知，當m（E20）∶m（PEG6000）=3∶1時，膠囊化吸水樹脂顆粒不僅具有較好的顆粒分散性，前20 min幾乎不吸水；當m（E20）∶m（PEG6000）＞3∶1時，膠囊化吸水樹脂的延遲吸水時間得到延長，但吸水樹脂顆粒在水性環(huán)氧樹脂乳液中不穩(wěn)定，沉降在樹脂固化物底部。當m（E20）∶m（PEG6000）=3∶1時，膠囊化吸水樹脂具有最佳的分散性和延遲吸水效果。

2.1.2 包覆材料用量對膠囊化吸水樹脂延遲吸水效果的影響

固定m（E20）∶m（PEG6000）=3∶1（下同），包覆液中溶劑乙醇的質(zhì)量百分比為80%，包覆溫度為50℃（下同）。按照1.2膠囊化吸水樹脂的制備方法，調(diào)整包覆材料與吸水樹脂的質(zhì)量配比，包覆材料用量為膠囊化吸水樹脂質(zhì)量的17%～67%，將制備的不同膠囊化樹脂加入未加固化劑的水性環(huán)氧樹脂乳液中，兩者質(zhì)量比為1∶50，測試不同時間點混合液的黏度變化，試驗結(jié)果見圖1。

三篇不同文體的文章，在三位老師的巧妙構(gòu)思之下，形成了三篇“循體而教”的教學(xué)思路。這種遵循文體特性的教學(xué)思路，徹底顛覆了我們以往的教學(xué)認知！透過這幾個教學(xué)片段的賞析，我們或許可以得到一些啟示：“文無體不立”，文體是語文不可忽略的內(nèi)容，教師一定要從文體創(chuàng)作的獨特規(guī)律出發(fā)，開掘出適合這一文體獨特的教學(xué)內(nèi)容，在目標制定、策略選擇上都應(yīng)該盡可能地契合這一文體的基本特征。如果站在文體角度去教語文，將有利于突顯文本的核心價值；有利于改進教師的教學(xué)理念；有利于提升學(xué)生的語文素養(yǎng)。因“文”制宜，才能教得“準確”；循“體”而教，才能教得“輕松”；遵循“文體”特點，才能教出語文本色！

由圖1可見，延遲吸水樹脂中包覆材料用量越大，其延遲吸水效果越好，但當包覆材料用量≥50%時，乳液黏度增長存在后期趨穩(wěn)的現(xiàn)象。這是由于包覆材料具有一定的剛性，當包覆材料用量≥50%時，樹脂顆粒吸水后產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力無法撐破包覆層，限制了吸水樹脂的吸水行為。

2.1.3 包覆溫度對膠囊化吸水樹脂延遲吸水效果的影響

固定膠囊化吸水樹脂中包覆材料用量為25%（下同），包覆液中溶劑乙醇的質(zhì)量百分比為80%。通過測試不同包覆溫度時膠囊化吸水樹脂與未加固化劑的水性環(huán)氧樹脂乳液（兩者質(zhì)量比為1∶50）的黏度，考察不同包覆溫度對延遲性吸水樹脂性能的影響，試驗結(jié)果見圖2。

從圖2（a）可以看出，包覆溫度越高，膠囊化吸水樹脂的延遲吸水效果越好。從圖2（b）的趨勢可以看出，當溫度達到50℃時，延遲吸水效果增大趨勢趨緩。這是由于溫度越低，包覆液的黏度越大，有機溶劑揮發(fā)越困難，溶劑在未完全揮發(fā)時，包覆液逐漸趨向凝固，溶劑滯留在包覆層中，隨著溶劑的逐漸揮發(fā)，最后形成孔洞，不利于膠囊化吸水樹脂的延遲吸水特性。

2.1.4 乙醇用量對膠囊化吸水樹脂延遲吸水效果的影響

固定包覆溫度為50℃，在包覆材料中調(diào)整乙醇用量制備不同的膠囊化吸水樹脂，將其加入到未加固化劑的水性環(huán)氧樹脂乳液中，兩者質(zhì)量比為1∶50，測試不同時間點混合液的黏度變化，試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3（a）可以看出，溶劑乙醇用量對體系黏度影響較大，隨著乙醇用量的增加，膠囊化吸水樹脂的延遲吸水效果呈增大的趨勢。從圖3（b）可以看出，當乙醇用量超過80%時，膠囊化吸水樹脂的延遲吸水效果幾乎無變化。這是由于，溶劑乙醇用量增加，體系黏度降低，包覆均勻，效果好，延遲吸水效果增大；但當乙醇用量超過80%時，體系黏度已經(jīng)很低，黏度對包覆效果的影響變小，所以溶劑乙醇用量為80%和90%時，對膠囊化吸水樹脂延遲吸水的效果相當。

2.2 膠囊化吸水樹脂用量對水性環(huán)氧樹脂性能的影響

根據(jù)上述試驗結(jié)果，優(yōu)選膠囊化吸水樹脂中包覆材料占比為25%，包覆液中溶劑乙醇的質(zhì)量百分比為80%，m（E20）∶m（PEG6000）=3∶1，包覆溫度為50℃，在該條件下制備膠囊化吸水樹脂顆粒，并按照1.2膠囊化吸水樹脂改性水性環(huán)氧樹脂制備方法，調(diào)整膠囊化吸水樹脂用量（按占水性環(huán)氧樹脂的質(zhì)量百比計）制備改性水性環(huán)氧樹脂，通過測試不同膠囊化吸水樹脂用量時改性水性環(huán)氧樹脂固化劑體系在不同時間點的黏度、不同條件下養(yǎng)護28 d時固化物的力學(xué)性能和收縮率等，考察膠囊化吸水樹脂用量對水性環(huán)氧樹脂性能的影響，試驗結(jié)果見圖4和表2。其中抗壓強度試件尺寸為2 cm×2 cm×2 cm，粘結(jié)強度試件為“8”字型。

表2 膠囊化吸水樹脂用量對不同條件下養(yǎng)護28 d水性環(huán)氧樹脂固化物性能的影響

從圖4（a）的可以看出，水性環(huán)氧樹脂中加入膠囊化吸水樹脂可加速水性環(huán)氧樹脂固化速率，膠囊化吸水樹脂用量越大，固化速度越快。從圖4（b）可以看出，隨著膠囊化吸水樹脂用量的增加，樹脂固化速度加快的趨勢逐漸趨緩。

從表2可以看出，未添加膠囊化吸水樹脂的水性環(huán)氧樹脂固化體系（1#），抗壓強度達62.3 MPa，但收縮率達43.5%，（見圖5），粘結(jié)強度測試時試件上的樹脂固化物與砂漿試塊發(fā)生脫離，無法測得粘結(jié)強度。從密閉容器內(nèi)養(yǎng)護試件的測試數(shù)據(jù)分析可知，隨著膠囊化吸水樹脂用量的增加，樹脂固化物的力學(xué)性能逐漸提高，且收縮率逐漸減??；而標準養(yǎng)護條件下，隨著膠囊化吸水樹脂用量的增加，水性環(huán)氧樹脂固化物的抗壓強度呈先降低后提高，拉伸強度與粘結(jié)強度逐漸提高，收縮率逐漸減小。另外，當膠囊化吸水樹脂用量大于4%時，環(huán)氧樹脂固化物的各項性能變化趨緩；當用量為4%時，在密閉容器內(nèi)養(yǎng)護28 d的環(huán)氧樹脂固化物抗壓強度達30.9 MPa，拉伸強度為14.5 MPa，粘結(jié)強度為2.1 MPa，收縮率為0.5%，具備一定的工程應(yīng)用條件。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)膠囊化處理的吸水樹脂，對水性環(huán)氧樹脂乳液早期黏度影響較小，表明吸水樹脂的早期吸水能力得到了有效抑制。當膠囊化吸水樹脂中包覆材料占比為25%，包覆材料的m（E20）∶m（PEG6000）=3∶1，包覆液中溶劑乙醇的質(zhì)量百分比為80%，包覆溫度為50℃時，所制備的膠囊化吸水樹脂顆粒具有較佳的延遲吸水能力。

（2）膠囊化吸水樹脂改性水性環(huán)氧樹脂，不僅保留了水性環(huán)氧樹脂的低黏度以及可灌性強的特性，而且還可有效解決水性環(huán)氧樹脂應(yīng)用于混凝土裂縫修補時，存在的固化時間長以及收縮率大的技術(shù)難題。