改性建筑結(jié)構(gòu)膠的粘接強度與使用壽命對比研究

栗超，王志霞，韋逸飛，張正正

摘要：為開發(fā)具有粘接性能強，使用壽命高的建筑結(jié)構(gòu)膠，對比分析了空氣中暴露時間、濕熱環(huán)境、水浸和溫度等對原始膠粘劑和改性膠粘劑粘接強度的影響。結(jié)果表明，原始膠粘劑和改性膠粘劑的粘接強度都不會隨著空氣中暴露時間的延長發(fā)生明顯變化，改性膠粘劑試樣的粘接強度略小于或者相當于原始膠粘劑試樣，但是其粘接強度仍然滿足建筑結(jié)構(gòu)膠對粘接強度的使用要求，且改性膠粘劑的固化溫度都相較原始膠粘劑有明顯降低，改性膠粘劑2試樣的耐水性能和耐高溫性能都優(yōu)于改性膠粘劑1，室溫下原始膠粘劑和改性膠粘劑的破壞形式都為內(nèi)聚破壞。

關鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)膠；改性；粘接強度；影響因素

中圖分類號：TQ437+.1文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0034-04

Comparative study on the bonding strength and service life?of modified building structural adhesives

LI Chao1，2，WANG Zhixia1，WEI Yifei2，ZHANG Zhengzheng1

（1.China Academy of Building Research，Beijing 100013，China；2.Beijing Beikong Real Estate Group Co.，Ltd.，Beijing 100023，China）

Abstract：In order to develop building structural adhesives with strong adhesive performance and long service life，the effects of exposure time in air，humid and hot environment，water immersion and temperature on the bonding strength of the original adhesive and the modified adhesive were compared and analyzed.The results showed that the bonding strength of the original adhesive and the modified adhesive did not change significantly with the extension of exposure time in the air;The adhesive strength of the modified adhesive sample was slightly less than or equal to that of the original adhesive sample，but its adhesive strength still met the use requirements of the building structural adhesive for the adhesive strength，and the curing temperature of the modified adhesive was significantly lower than that of the original adhesive;The water resistance and high temperature resistance of modified adhesive 2 samples were better than that of modified adhesive 1;At room temperature，the original adhesive and the modified adhesive are both in the form of cohesive destruction.At 82 ℃，the original adhesive sample is in the form of cohesive destruction+interface destruction，the modified adhesive 1 sample is in the form of interface destruction，and the modified adhesive 2 sample is in the form of cohesive destruction.

Key words：building structural adhesive;modification;adhesive strength;influence factor

建筑結(jié)構(gòu)膠作為一種具有強度高、承載能力強、耐老化等優(yōu)點的膠粘劑，在墻體的補強、錨固、局部粘接和建筑工程中的修復、加固等都會用到建筑結(jié)構(gòu)膠[1-3]，且這種膠粘劑在使用過程中施工較為簡單，適宜于在具有強力粘接性能的結(jié)構(gòu)件中使用，且服役后使用壽命較高[4]，在建筑工程中關注度較高。研究采用在原始膠粘劑中加入固化劑和固化促進劑的方法，制備了兩種不同組分的改性膠粘劑，對比分析了空氣中暴露時間、濕熱環(huán)境、水浸和溫度等對原始膠粘劑和改性膠粘劑粘接強度的影響，將有助于低固化溫度、高粘接強度的建筑結(jié)構(gòu)膠的開發(fā)。

1材料與方法

1.1試驗材料

原始膠粘劑為LOCTITE SI 5089熱固性環(huán)氧樹脂膠粘劑，顏色為紫色，氣味為無味，狀態(tài)為黏性流體，黏度40 Pa·s，建議固化溫度為175 ℃。固化劑包括添加劑C1（液體，純度98%）和添加劑C2（液體，純度98%），固化促進劑CA1（粉體，純度97%）和CA2（塊狀固體，純度98%）。

1.2結(jié)構(gòu)膠改性

取適量固化劑和固化促進劑，加入原始膠粘劑中并充分攪拌混合均勻后制備改性結(jié)構(gòu)膠，共制備了2種改性膠粘劑。質(zhì)量分數(shù)4%C1+質(zhì)量分數(shù)1.2%CA1+5089熱固性環(huán)氧樹脂膠粘劑為改性膠粘劑1，質(zhì)量分數(shù)3%C2+質(zhì)量分數(shù)3%CA2+“5089”熱固性環(huán)氧樹脂膠粘劑為改性膠粘劑2。

1.3測試方法

搭接所用的板材為5083-T6鋁合金板，單搭接結(jié)構(gòu)膠拉伸試件示意圖如圖1所示，膠層厚度為0.15 mm，采用不銹鋼片將膠粘劑涂抹在搭接接頭上，涂抹均勻后搭接在一起。將搭接試樣置于干燥箱中，在設定溫度下進行固化，固化一定時間后取出，空冷至室溫。采用ASTM D1002-2001標準進行粘接強度測試[11]，拉伸速率為2 mm/min；斷口形貌采用徠卡數(shù)碼相機拍攝。

2結(jié)果與分析

圖2為建筑結(jié)構(gòu)膠改性前后的粘接強度隨空氣中暴露時間的變化，其中時間為0表示改性后立即進行粘接。對于原始膠粘劑試樣，隨著空氣中暴露時間的延長，試樣的粘接強度變化不大，在空氣中暴露5 h時仍然能夠粘接；對于改性膠粘劑1，在空氣中暴露時間為3 h以上時，由于改性膠粘劑的黏度上升、流動性下降而無法涂抹，其適用期為3 h；對于改性膠粘劑2，在空氣中暴露時間為5 h以上時，由于改性膠粘劑的黏度上升、流動性下降而無法涂抹，其適用期為5 h。此外，隨著空氣中暴露時間的延長，原始膠粘劑和改性膠粘劑的粘接強度都不會發(fā)生明顯變化，這也就說明只要膠粘劑能夠涂抹上，試樣的粘接強度就不會受到明顯影響。

圖3為建筑結(jié)構(gòu)膠改性前后的粘接強度隨固化溫度和時間的變化，對于改性膠粘劑1，隨著固化溫度逐漸上升，固化時間為20 min和固化時間為10 min的膠粘劑試樣的粘接強度都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。對于改性膠粘劑2，隨著固化溫度逐漸上升，固化時間為20 min時的膠粘劑試樣的粘接強度先減小后增加，固化時間為10 min的膠粘劑試樣的粘接強度逐漸上升，且在相同固化溫度下，固化時間為20 min的膠粘劑試樣的粘接強度大于固化時間為10 min的膠粘劑試樣；此外，固化時間為10 min時，原始膠粘劑試樣的粘接強度與改性膠粘劑2的粘接強度相當，而固化時間為20 min時原始膠粘劑試樣的粘接強度仍然大于改性膠粘劑2的膠粘劑試樣。雖然不同固化溫度下，改性膠粘劑試樣的粘接強度略小于或者相當于原始膠粘劑試樣，但是其粘接強度仍然滿足建筑結(jié)構(gòu)膠對粘接強度的使用要求[12]，且改性膠粘劑的固化溫度都相較原始膠粘劑有明顯降低。此外，相較而言，固化時間對改性膠粘劑1的影響相對改性膠粘劑2更小，且改性膠粘劑2的粘接強度的波動性較大，穩(wěn)定性較小。

圖4為濕熱環(huán)境對建筑結(jié)構(gòu)膠改性后的粘接強度的影響，對比分析了無濕熱環(huán)境暴露和濕熱環(huán)境38 ℃、相對濕度96%暴露12 h條件下改性膠粘劑的粘接強度變化。對于改性膠粘劑1，無濕熱環(huán)境暴露條件下膠粘劑試樣的粘接強度高于濕熱環(huán)境暴露條件下的試樣；對于改性膠粘劑2，無濕熱環(huán)境暴露條件下膠粘劑試樣的粘接強度低于濕熱環(huán)境暴露條件下的試樣。此外，在相同環(huán)境暴露條件下，改性膠粘劑2試樣的粘接強度都高于改性膠粘劑1，且整體而言，濕熱環(huán)境對改性膠粘劑1和改性膠粘劑2試樣的粘接強度影響不大，這主要是因為濕熱環(huán)境不會改變鋁基體與改性膠粘劑的成鍵能力的緣故[13-15]。

圖5為水浸對建筑結(jié)構(gòu)膠改性前后粘接強度的影響，分別列出了無水浸、水浸5 min以及室溫24 h后改性膠粘劑的粘接強度測試結(jié)果。對于無水浸試樣，改性膠粘劑1試樣的粘接強度明顯小于改性膠粘劑2試樣；對于水浸5 min試樣，改性膠粘劑1試樣的粘接強度明顯小于改性膠粘劑2試樣；對于室溫24 h處理后的試樣，改性膠粘劑1試樣的粘接強度明顯小于改性膠粘劑2試樣。可見，無論是無水浸、水浸5 min還是室溫24 h后改性膠粘劑試樣，改性膠粘劑2試樣的粘接強度都高于改性膠粘劑1，可見，改性膠粘劑2試樣的耐水性能優(yōu)于改性膠粘劑1。

圖6為溫度對建筑結(jié)構(gòu)膠改性前后粘接強度的影響，分別列出了室溫和82 ℃加熱0.5 h條件下膠粘劑的粘接強度變化。對于原始膠粘劑和改性膠粘劑1試樣，加熱后的粘接強度明顯低于室溫，而改性膠粘劑2試樣在加熱后的粘接強度略低于室溫試樣，且其在82 ℃加熱0.5 h后的粘接強度明顯高于原始膠粘劑試樣和改性膠粘劑1試樣。由此可見，高溫會對膠粘劑試樣的粘接強度造成明顯影響，這主要是因為高溫下膠粘劑內(nèi)部的分子交聯(lián)作用會受到破壞[16]，而改性膠粘劑2的耐高溫性能要優(yōu)于改性膠粘劑1和原始膠粘劑試樣。

對于原始膠粘劑試樣，室溫斷口形貌中可見其破壞形式為內(nèi)聚破壞，而高溫斷口形貌中可見破壞形式為內(nèi)聚破壞+界面破壞，這主要是因為高溫環(huán)境會破壞結(jié)構(gòu)膠的內(nèi)部分子交聯(lián)結(jié)構(gòu)所致[17]；對于改性膠粘劑1試樣，室溫斷口形貌中可見其破壞形式為內(nèi)聚破壞，而高溫斷口形貌中可見破壞形式為界面破壞，這主要是因為高溫環(huán)境下改性膠粘劑發(fā)生了軟化，膠粘劑雖然粘附在鋁基體上，但是耐高溫性能較差[18-19]；對于改性膠粘劑2試樣，室溫斷口形貌中可見其破壞形式為內(nèi)聚破壞，而高溫斷口形貌中可見破壞形式為內(nèi)聚破壞，這主要是因為高溫環(huán)境下改性膠粘劑2的耐高溫性能較好，仍然可以與鋁基體具有較好的結(jié)合力[20]。斷口形貌的觀察結(jié)果與圖6的粘接強度測試結(jié)果相吻合。

3結(jié)語

（1）隨著空氣中暴露時間的延長，原始膠粘劑和改性膠粘劑的粘接強度都不會發(fā)生明顯變化，試樣的粘接強度就不會受到空氣中暴露時間的明顯影響;

（2）不同固化溫度下，改性膠粘劑試樣的粘接強度略小于或者相當于原始膠粘劑試樣，但是其粘接強度仍然滿足建筑結(jié)構(gòu)膠對粘接強度的使用要求，且改性膠粘劑的固化溫度都相較原始膠粘劑有明顯降低;

（3）無論是無水浸、水浸5 min，還是室溫24 h后改性膠粘劑試樣、改性膠粘劑2試樣的粘接強度都高于改性膠粘劑1。由此可知，改性膠粘劑2試樣的耐水性能優(yōu)于改性膠粘劑1。改性膠粘劑2試樣在加熱后的粘接強度略低于室溫試樣，且其在82 ℃加熱0.5 h后的粘接強度明顯高于原始膠粘劑試樣和改性膠粘劑1試樣。

【參考文獻】

［1］崔晨華.基于施工造價管理的改性建筑密封膠粘劑性能影響分析[J].粘接，2022，49（10）：32-35.

[2]范兆榮，羅超，谷亞新，等.硫酸鈣晶須改性環(huán)氧建筑結(jié)構(gòu)膠的研究[J].中國膠粘劑，2020，29（10）：6-9.

[3]段紅莉.硅酮結(jié)構(gòu)密封膠在建筑外墻防水密封工程中的運用[J].居舍，2021（36）：31-33.

[4]喬易飛.組合填料對建筑結(jié)構(gòu)膠力學性能的影響[J].合成材料老化與應用，2022，51（2）：70-72.

[5]ABAB A，DONG W，Hl A.Investigation of the dynamic characteristics of a carbon-fiber-reinforced epoxy with adhesive-jointed structure[J].Composite Structures，2020，247：1-16.

[6]史寧，郭鳳南，王西亭，等.CB-FC復合材料的制備及其對甲苯吸附性能研究[J].化工新型材料，2019，47（2）：98-102.

[7]邢紅梅.結(jié)構(gòu)膠粘接厚度對建筑幕墻抗形變能力影響分析[J].化學與粘合，2020，42（4）：299-303.

[8]陸曉慧，史寧，王西亭，等.PC-CS復合材料對甲苯增溶廢水的吸附[J].工業(yè)水處理，2019，39（11）：36-40.

[9]WANG C.Development of All-Solid-State Mediator Structural Supercapacitor Using an Epoxy Based Adhesive Polymer Electrolyte[J].ECS transactions，2016，72（8）：31-44.

[10]胡海霞，王金鋒，馮曉陽.聚芳醚酮改性環(huán)氧樹脂基復合材料的熱穩(wěn)定性[J].塑料，2022，51（6）：30-34.

[11]肖晨琛.真空熱壓法制備連續(xù)單向碳纖維增強鋁基層板復合材料組織及性能研究[D].南昌：南昌航空大學，2017.

[12]WANG Y，ZHANG C，QIAO X，et al.Three-dimensional modeling of mediator-enhanced solid-state supercapacitors[J].Journal of Power Sources，2019，423：18-25.

[13]萬愛國.環(huán)氧樹脂膠粘劑在建筑結(jié)構(gòu)設計中的應用[J].粘接，2022，49（7）：41-44.

[14]WANG Y，QIAO X，ZHANG C，et al.Development of structural supercapacitors with epoxy based adhesive polymer electrolyte[J].Journal of Energy Storage，2019，26（12）：1-9.

[15]宋少波，杜瑞環(huán)，周洪芝，等.稀釋劑對環(huán)氧膠粘劑耐熱性的影響[J].粘接，2021，46（5）：5-8.

[16]閆申.環(huán)氧乙烯基酯建筑結(jié)構(gòu)膠的改性及老化性能研究[J].熱固性樹脂，2020，35（5）：51-55.

[17]肖智安.橋梁填料工藝下的橋梁加固用環(huán)氧樹脂膠粘劑性能研究[J].粘接，2021，47（7）：26-28.

[18]JINISHA B，ANIKUMAR K M，MANOJ M，et al.Solid-state supercapacitor with impressive performance characteristics，assembled using redox-mediated gel polymer electrolyte[J].Journal of Solid State Electrochemistry，2019，23（79）：1-11.

[19]MA G，DONG M，SUN K，et al.A redox mediator doped gel polymer as an electrolyte and separator for a high performance solid state supercapacitor[J].Journal of Materials Chemistry A，2015，3（7）：4035-4041.

[20]杜明哲，王杰芳，張云杰，等.碳纖維長度對Cf/2024Sc鋁基復合材料蠕變性能的影響[J].特種鑄造及有色合金，2020，40（10）：1121-1126.