裝飾用膠干濕狀剪切強(qiáng)度分析及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：為了提升室內(nèi)藝術(shù)設(shè)計(jì)用膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度，研究了膠粘材料中OH-與NCO-摩爾比R1值、腰果二酚含量和二月桂酸二丁基錫用量對(duì)膠粘材料干狀和濕狀剪切強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，隨著R1值從2.5增至7，PU-a和PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，分別在R1值為6和R1值為6.5時(shí)取得最大值。隨著腰果二酚含量從0%增至30%，PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度先減小后增加而后又減小，在加入腰果二酚后膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都低于未添加腰果二酚的膠粘材料。隨著二月桂酸二丁基錫用量從0%增至0.3%，PU-a和PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小特征，分別在二月桂酸二丁基錫用量為0.15%和0.1%時(shí)取得最大值。

關(guān)鍵詞：膠粘材料；OH-與NCO-摩爾比；藝術(shù)設(shè)計(jì)；剪切強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TQ437+.1" " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）07-0057-04

Analysis of dry and wet shear strength of decorative glue

and its application in structural design

YANG Wenxin

（Guangzhou University of Science and Technology，Guangzhou 510550，China）

Abstract： In order to enhance the dry and wet shear strength of adhesive materials used in interior art design and better meet application requirements. The effects of OH-/NCO- molar ratio R1 value， cashew polyphenol content， and the amount of dibutyltin dilaurate on the dry and wet shear strength of adhesive materials were studied. The results showed that as the R1 value increased from 2.5 to 7， the dry and wet shear strengths of PU-a and PU-b adhesive materials showed a trend of first increasing and then decreasing， reaching their maximum values at R1 value=6 and R1 value=6.5， respectively. As the content of cashew bisphenol increased from 0 to 30%， the dry and wet shear strength of PU-a adhesive material first decreased， then increased， and then decreased. After adding cashew bisphenol， the dry and wet shear strength of the adhesive material was lower than that of the adhesive material without adding cashew bisphenol. As the amount of dibutyltin dilaurate increased from 0 to 0.3%， the dry and wet shear strengths of PU-a and PU-b adhesive materials showed a first increase and then a decrease， reaching their maximum values at 0.15% and 0.1% of dibutyltin dilaurate， respectively.

Key words： adhesive materials；OH-/NCO- molar ratio；art design；shear strength

膠粘材料在室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝修等工程中都有著廣泛應(yīng)用。在所有的膠粘材料中，聚氨酯膠粘劑以其膠接性能優(yōu)異、固化方式靈活、可耐低溫、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)與性能可調(diào)控等特點(diǎn)［1］，被稱為是“萬(wàn)能膠”而在室內(nèi)藝術(shù)設(shè)計(jì)中備受青睞。在制備聚氨酯膠粘劑時(shí)，主要是通過(guò)配方調(diào)節(jié)，使得固化過(guò)程中—NCO基團(tuán)與膠粘體系中的活潑H物質(zhì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成具有韌性可調(diào)、力學(xué)性能優(yōu)良的膠粘材料［2?3］。對(duì)于室內(nèi)裝飾藝術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用膠粘材料而言，除了傳統(tǒng)膠粘材料所需要具有的可耐低溫和固化性能外，尤其需要良好的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度［4］，而目前關(guān)于添加劑改性聚氨酯膠粘劑膠粘材料剪切強(qiáng)度方面的報(bào)道較少，具體影響因素和作用機(jī)理尚不清楚［5?7］。為了提升室內(nèi)藝術(shù)設(shè)計(jì)用膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度，更好的滿足應(yīng)用需求。研究了膠粘材料中—OH與—NCO摩爾比（R1值）、腰果二酚含量和二月桂酸二丁基錫用量對(duì)膠粘材料干狀和濕狀剪切強(qiáng)度的影響，結(jié)果將有助于新型高性能膠粘材料的開(kāi)發(fā)并推動(dòng)其在室內(nèi)藝術(shù)設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

1" "試驗(yàn)材料與方法

1.1" "試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料包括工業(yè)級(jí)PMDI（—NCO含量為31%）、工業(yè)級(jí)PPG-1000、含量70%的腰果二酚、分析純二正丁胺、分析純乙酸乙酯、分析純丙酮、分析純甲苯、分析純溴甲酚綠、分析純二月桂酸二丁基錫（T12，催化劑）和高純氮?dú)猓?9.99%）。

1.2" "試樣制備

氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境下在燒杯中加入PMDI、PPG-1000和一定量的乙酸乙酯，充分?jǐn)嚢璨⒒旌暇鶆蚝笥驮∩郎刂?8 ℃，保持溫度30 min之后加入T12，并繼續(xù)升溫至78 ℃，保溫1.5 h后降溫至38 ℃，靜置15 min后得到不加腰果二酚時(shí)的膠粘劑（PU）。在氮?dú)獗Ｗo(hù)作用下在燒杯中加入PMDI、腰果二酚、T12和乙酸乙酯，混合均勻后油浴升溫至68 ℃，保持溫度2 h后降溫至38 ℃，然后加入PPG-1000和乙酸乙酯，升溫至68 ℃反應(yīng)2 h，降溫至38 ℃，在膠粘體系中—NCO含量恒定時(shí)裝瓶，得到添加腰果二酚的聚合改性膠粘劑PU-a。在氮?dú)獗Ｗo(hù)作用下在燒杯中加入PMDI、PPG-1000T12和乙酸乙酯，混合均勻后油浴升溫至38 ℃，反應(yīng)1.5 h后繼續(xù)升溫至68 ℃，保持溫度2 h后降溫至38 ℃，加入計(jì)量好的腰果二酚并攪拌25 min后，在膠粘體系中—NCO含量恒定時(shí)裝瓶，得到添加腰果二酚的共混改性膠粘劑PU-b。

1.3" "測(cè)試與表征

根據(jù)BSISO—63828—2018標(biāo)準(zhǔn)，將膠粘材料加工成30 mm×25 mm×10 mm，以樺木為基材進(jìn)行膠粘，采用旋涂的方法將面積為25 mm×25 mm的區(qū)域進(jìn)行搭接，涂膠量控制為98 g/m2，旋涂完成后，對(duì)搭接試樣進(jìn)行熱壓處理［8］：熱壓溫度、時(shí)間、壓力分別為120 ℃、60 min和1.5 MPa，接觸壓力后室溫放置3 d后測(cè)試干狀剪切強(qiáng)度［9］，并以三組試樣均值當(dāng)作測(cè)試結(jié)果；將室溫放置3 d后的試樣進(jìn)行沸水中煮3 h+58 ℃空氣對(duì)流18 h+沸水煮3 h+室溫水冷卻15 min的處理后測(cè)試濕狀剪切強(qiáng)度，并以3組試樣均值當(dāng)作測(cè)試結(jié)果。

2" "試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1" "R1值

圖1為不同R1值的PU膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度變化曲線。

由圖1可知，當(dāng)R1值為2.5時(shí)，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度分別為10.2 MPa和4.1 MPa；隨著R1值從2.5增加至7，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在R1值為5.5時(shí)取得最大值，繼續(xù)增加R1值會(huì)使得膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度降低。這主要是因?yàn)镽1值在5.5及以下時(shí)，膠粘劑中異氰酸酯含量相對(duì)較高，膠粘劑的粘性較小并有利于滲透，且相互反應(yīng)時(shí)的交聯(lián)反應(yīng)程度會(huì)加?。?0?11］，鍵合作用增強(qiáng)而使得膠粘劑強(qiáng)度會(huì)隨著R1值增加而增大，但是當(dāng)R1值超過(guò)5.5時(shí)，繼續(xù)增大R1值會(huì)使得膠粘劑中—NCO含量相對(duì)較多，交聯(lián)反應(yīng)增強(qiáng)的同時(shí)膠粘劑發(fā)生硬化并在局部形成裂紋等缺陷而降低強(qiáng)度［12］。

圖2為不同R1值的PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度變化曲線。

由圖2可知，當(dāng)R1值為2.5時(shí)，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度分別為6.1 MPa和3.5 MPa；隨著R1值從2.5增至7，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在R1值為6時(shí)取得最大值，繼續(xù)增加R1值會(huì)使得膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度降低。與未添加腰果二酚時(shí)的膠粘劑（PU）相比，不同R1值的PU-a膠粘材料的干狀剪切強(qiáng)度都有所減小，而濕狀剪切強(qiáng)度有所提高，這主要是因?yàn)樵谀z粘材料中加入腰果二酚后，—NCO基團(tuán)會(huì)與酚羥基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而起到增韌作用［13］，膠粘材料的干狀剪切強(qiáng)度會(huì)有所減小，且由于加入的腰果二酚自身具有不溶于水的特性，因此在加入后會(huì)改善膠粘材料的濕狀剪切強(qiáng)度。此外，如果R1值過(guò)大，膠粘材料中—NCO基團(tuán)含量會(huì)過(guò)大，固化過(guò)程中的交聯(lián)密度增加的同時(shí)會(huì)使得材料變硬，同時(shí)在膠粘材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或者孔隙等缺陷［14］，造成強(qiáng)度降低。

圖3為不同R1值的PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度變化曲線。

由圖3可知，當(dāng)R1值為2.5時(shí)，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度分別為7.9 MPa和4.1 MPa；隨著R1值從2.5增至7，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在R1值為6.5時(shí)取得最大值，繼續(xù)增加R1值會(huì)使得膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度降低。與未添加腰果二酚時(shí)的膠粘劑（PU）相比，R1

值在4以下時(shí)膠粘材料仍然具有較高的強(qiáng)度，這主要是因?yàn)楣不旆ㄖ苽涞哪z粘材料受加入腰果二酚（物理分散在膠粘體系中）的影響較?。?5］，而當(dāng)R1值較高時(shí)才會(huì)由于結(jié)構(gòu)變化而對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。整體而言，共混法制備的膠粘材料中適宜的R1值為6.5，膠粘材料具有最大的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度，分別為14.1和6.3 MPa。

2.2 腰果二酚用量

圖4為不同腰果二酚用量的PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度變化曲線，其他條件不變，R1值為6。

由圖 4可知，隨著腰果二酚含量從0增加至30%，PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度先減小后增加而后又減小，在加入腰果二酚后膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都低于未添加腰果二酚的膠粘材料，且在相同腰果二酚加入量時(shí)，膠粘材料的干狀剪切強(qiáng)度要大于濕狀剪切強(qiáng)度。對(duì)于加入腰果二酚改性的膠粘材料而言，當(dāng)腰果二酚添加量為15%時(shí)，膠粘材料具有最大的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度。

圖5為不同腰果二酚用量的PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度變化曲線，其他條件不變，R1值為6.5。

由圖5可知，隨著腰果二酚含量從0%增至30%，PU-a膠粘材料的干狀剪切強(qiáng)度整體逐漸減小，而濕狀剪切強(qiáng)度先減小后增加而后又減小。在相同腰果二酚加入量時(shí)，膠粘材料的干狀剪切強(qiáng)度要大于濕狀剪切強(qiáng)度。對(duì)于加入腰果二酚改性的膠粘材料而言，當(dāng)腰果二酚添加量為15%時(shí)，膠粘材料具有最大的濕狀剪切強(qiáng)度和較高的干狀剪切強(qiáng)度。

2.3" "二月桂酸二丁基錫用量

圖6為不同二月桂酸二丁基錫用量的PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度變化曲線，固定腰果二酚用量為15%不變。

由圖6可知，對(duì)于PU-a材料和PU-b材料，R1值分別為6和6.5?？梢?jiàn)，隨著二月桂酸二丁基錫用量從0%增至0.3%，PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小特征，在二月桂酸二丁基錫用量為0.15%時(shí)取得最大值，分別為14.2和6.1 MPa。這主要是因?yàn)楫?dāng)二月桂酸二丁基錫用量較少時(shí)，膠粘材料中的—NCO基團(tuán)可以與其發(fā)生反應(yīng)而形成聚氨酯-聚脲結(jié)構(gòu)［16］，有利于增強(qiáng)膠粘材料的強(qiáng)度，但是隨著二月桂酸二丁基錫用量增多，過(guò)多的催化劑會(huì)加快膠粘劑的固化速度［17］，使得膠粘材料的致密性降低而在局部產(chǎn)生氣泡等缺陷，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度會(huì)減小。

2.4" "在室內(nèi)藝術(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

結(jié)合室內(nèi)藝術(shù)設(shè)計(jì)中對(duì)膠粘材料的應(yīng)用需求可知，要想連接材料在使用膠粘材料后具有較高的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度，適宜的R1值為5.5、腰果二酚含量為15%、二月桂酸二丁基錫用量為0.15%，此時(shí)膠粘材料具有較高的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度，在室內(nèi)藝術(shù)設(shè)計(jì)用膠粘材料中具有良好應(yīng)用前景。

3" "結(jié)語(yǔ)

（1）隨著R1值從2.5增至7，PU膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在R1值為5.5時(shí)取得最大值，繼續(xù)增加R1值會(huì)使得膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度降低。隨著R1值從2.5增至7，PU-a和PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，分別在R1值為6和R1值為6.5時(shí)取得最大值；

（2）隨著腰果二酚含量從0%增至30%，PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度先減小后增加而后又減小，在加入腰果二酚后膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都低于未添加腰果二酚的膠粘材料，且在相同腰果二酚加入量時(shí)，膠粘材料的干狀剪切強(qiáng)度要大于濕狀剪切強(qiáng)度；

（3）隨著二月桂酸二丁基錫用量從0%增至0.3%，PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小特征，在二月桂酸二丁基錫用量為0.15%時(shí)取得最大值。隨著二月桂酸二丁基錫用量從0增加至0.3%，PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小特征，在二月桂酸二丁基錫用量為0.1%時(shí)取得最大值，分別為14.9和6.3 MPa。

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