公路擴(kuò)建拼接部位用環(huán)氧樹脂膠粘劑固化動力學(xué)研究

關(guān)鍵詞：公路擴(kuò)建工程；環(huán)氧樹脂；膠粘劑；固化動力學(xué)；黏度與流變性；表觀活化能中圖分類號： TQ433.4⁺37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）07-0029-04

Abstract：The curing kinetics analysis of epoxy resin adhesive for the reinforcement of splicing parts of highway expansion project was studied.For the constructionof the splicing part ofthe highway expansion project，different reinforcement materials were designed.E44，E44/DDMand E44/DDS adhesive samples were prepared for the construction of the splicing part of the highway expansion project，in which E44/DDM and E44/DDS used ⁴，4^， -diaminodiphenylmethane and ⁴，4^， -diaminodiphenylsulfone curing agent，respectively，and E44 was used as the epoxy resin control group sample.The application of diferent adhesive materials was analyzed by curing kinetic test，viscosity and rheology test.The test results showed thatthe E44 specimen could not maintain a good heating dynamic coefficient under diferent heating rates，and the heat flux was relativelylow，so the curing effect could notbe completed quickly. While the curing performance of the two specimens after adding curing agent was stronger，among which the E44/DDS specimen could produce the highest peak temperature and maintain good apparent activation energy during the curing test，and the samplescould also maintain high viscosity and good rheological properties，and there was no large mass loss at high temperature. The epoxy resin adhesive with ^4，4 -diaminodiphenyl sulfone curing agent is more suitable for the reinforcement of splicing parts of highway expansion projects.

Key words：highway expansion project；epoxy resin；adhesive；curing kinetics；viscosity and rheology；apparent activation energy

使用優(yōu)質(zhì)的加固材料可以增加連接點(diǎn)的穩(wěn)定性[1-]，減少接縫的開裂和移動[34]，確保道路連接處的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固[5]，提高道路的整體穩(wěn)定性[6]；還可以抵抗路面的剪切力和動態(tài)荷載。韋君等研究生物基可降解環(huán)氧樹脂體系固化反應(yīng)動力學(xué)，該方法制備了一種可降解的膠粘劑材料，并分析其固化效果[7]；但該方法制備的材料在高溫狀態(tài)下質(zhì)量損失較大。李秉海等研究甲基納迪克酸酐固化環(huán)氧樹脂的動力學(xué)，該方法深度測試了材料在不同溫度下的固化效果[8]。環(huán)氧樹脂膠粘劑是一種常用的膠粘劑，其具有出色的粘接強(qiáng)度，能夠在多種材料之間形成堅(jiān)固的連接。本文通過在環(huán)氧樹脂中加入固化劑，設(shè)計(jì)公路擴(kuò)建工程拼接部位加固用，并測試其固化動力學(xué)特性，從而獲取最佳加固材料。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料制備

制備不同類型的加固用環(huán)氧樹脂膠粘劑[9-10]，并測試每種膠粘劑的固化動力學(xué)。在制備膠粘劑時，主要采用以下試驗(yàn)原料[]

E-44雙酚A型環(huán)氧樹脂（EP），工業(yè)級；^4，4， -二氨基二苯甲烷（DDM），分析純; 4，4^′ -二氨基二苯砜（DDS），分析純。其中，DDS與DDM為固化劑，分別按照 m（E44）：m（DDM）=1：0.218 質(zhì)量比進(jìn)行混合，制備出E44/DDM、E44/DDS膠粘劑試樣，并將未添加固化劑的E44作為對照組進(jìn)行測試，分析每組試樣的性能變化。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣固化動力學(xué)測試

通過差示掃描量熱儀進(jìn)行試樣性能測試，并通過DSC法分析試樣的固化動力學(xué)特性，設(shè)定初始溫度為 5% ，設(shè)置4個升溫速率等級，分別為5、10、15.20K/min 。在測試過程中，需要對以下指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

（1）反應(yīng)活化能計(jì)算：當(dāng)通過DSC法測試試樣固化動力學(xué)時，需要進(jìn)行以下假設(shè)：一是出現(xiàn)固化反應(yīng)時生成的總放熱量與放熱時包含的面積為正比例關(guān)系[12-14]；二是試樣的熱流速率與固化反應(yīng)速率可通過式（1）表示為：

到試樣固化反應(yīng)時的反應(yīng)級數(shù) n ，具體如下：

式中： 為峰值溫度; s 為理想氣體指，通過差示掃描量熱分析即可獲取 的值。

（3）峰溫時反應(yīng)速率常數(shù)計(jì)算：利用上述計(jì)算的反應(yīng)活化能值，通過式（3）計(jì)算得到前因子 c ，峰溫時反應(yīng)速率常數(shù) L ，具體如下：

式中：A為頻率因子，同樣表示表示升溫動力系數(shù)。

1.2.2 黏度與流變性測試

將試樣放置在 25mm 的平行板內(nèi)，并設(shè)置試驗(yàn)初始溫度為 25^°C ，在震蕩模式下對試樣進(jìn)行測試[15]，試驗(yàn)過程中，動態(tài)掃描頻率范圍為 1～100s^-1 。

1.2.3 試樣熱穩(wěn)定性測試

根據(jù)GB/T1634.3—2004標(biāo)準(zhǔn)，通過熱變形維卡溫度測定儀分析試樣在高溫狀態(tài)下的熱穩(wěn)定性。

1.2.4 試樣硬度測試

采用HS-19GDV型D型肖氏硬度計(jì)測試試樣的硬度，取3種試樣樣品，將不同試樣放置在圓形器Ⅲ中[16-18]，放置在 60^°C 恒溫箱內(nèi) 24h ，取出后測試樣品性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣固化動力學(xué)測試

2.1.1不同升溫速率下的差示掃描量熱分析

測試試樣在不同升溫速率下的DSC曲線變化，測試結(jié)果如圖1所示。

為熱流速率； B_G 為試樣固化反應(yīng)放熱量。

（2）反應(yīng)級數(shù)計(jì)算：利用Crane方程即可計(jì)算得

由圖1可知，在不同的升溫速率下，每組試樣的放熱曲線均會呈現(xiàn)不同變化，隨著升溫速率的加大，試樣放熱程度也會加大，而試樣的熱流指數(shù)越大，通常意味著這種材料具有更好的導(dǎo)熱性能，熱流指數(shù)是一個描述材料傳導(dǎo)熱量能力的參數(shù)。當(dāng)測試溫度達(dá)到 100°C 以上時，每組試樣的熱流均會迅速增加，在3個組試樣中，E44試樣的熱流在不同升溫速率下明顯低于其他兩組添加固化劑的試樣，且E44/DDS試樣熱流最高要高于E44/DDM試樣。由此可以看出，E44/DDS試樣在固化過程中的熱峰形成時間更短，可以盡快完成固化效果，從而實(shí)現(xiàn)良好的加固能力。

2.1.2不同升溫速率狀態(tài)下的固化動力學(xué)分析

分析3個組試樣在不同升溫速率狀態(tài)下的峰頂溫度以及升溫動力系數(shù)變化，以此驗(yàn)證試樣的固化性能，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在不同試樣固化過程中，E44/DDS的升溫動力系數(shù)最高達(dá)到5.38，且峰頂溫度最高達(dá)到 546.43°C 。

2.1.3 固化度-活化能演變規(guī)律

由于試樣在試驗(yàn)過程中的固化度會對其固化性能造成影響，為獲取不同固化度下試樣的性能變化，統(tǒng)一設(shè)置升溫速率為 20^qC/min ，分析3個組試樣隨著固化度增長時的表觀活化能，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著固化度的加大，每組試樣的表觀活化能均有所增加，但增加幅度并不明顯，未添加固化劑的E44試樣表觀活化能始終較低，說明該組試樣在固化試驗(yàn)過程中無法保持穩(wěn)定的固化速率，影響材料加固效果；添加不同固化劑的E44/DDS、E44/DDM試樣表觀活化能略微高于E44試樣，其中，E44/DDS試樣表觀活化能明顯更高。因此，在高溫狀態(tài)下，E44/DDS試樣的固化效果更為穩(wěn)定。

2.2 試樣黏度與流變性分析

分析試樣在不同剪切速率下的黏度變化情況，從而驗(yàn)證試樣的質(zhì)量變化，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在不同剪切速率下，每組試樣的黏度均保持穩(wěn)定狀態(tài)；但對比不同試樣可以看出，每組試樣的黏度存在較大差距，其中，E44試樣黏度始終保持在 50Pa?s 以下，E44/DDM試樣黏度則處于200Pa ·s左右，E44/DDS試樣黏度則達(dá)到250Pa ·s以上?？梢钥闯?，E44/DDS試樣黏度明顯更大，黏度更高，說明試樣的流動速度越慢，其在施加到建筑工程拼接部位的粘附力與抗流失效果越強(qiáng)，E44/DDS材料的粘合強(qiáng)度就越強(qiáng)。

通過試樣的復(fù)數(shù)黏度評估試樣的流變性，分析試樣在不同溫度下的復(fù)數(shù)黏度情況，分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，E44/DDS試樣可以保持最小的固化溫度區(qū)間，該組試樣具有最佳的流變特性。

2.3 試樣熱穩(wěn)定性分析

分析試樣在 0～900^°C 狀態(tài)下的熱穩(wěn)定性，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)3個組試樣處于 300^°C 以下時，每組試樣的質(zhì)量并未出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷；當(dāng)試驗(yàn)溫度超出 300^qC 時，E44、E44/DDM試樣的質(zhì)量開始有所變化，E44/DDS試樣質(zhì)量仍然保持良好狀態(tài)；當(dāng)溫度達(dá)到 500^°C 以上后，3個組試樣質(zhì)量均出現(xiàn)大幅度變化，受溫度影響質(zhì)量發(fā)生損失，E44/DDS試樣的質(zhì)量損失明顯最??；當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到 800^qC 時，其殘余質(zhì)量仍然能保持在 50% 左右，說明這一試樣的耐高溫性能更強(qiáng)。

2.4 試樣硬度分析

通過對不同試樣進(jìn)行10次肖氏硬度測試，取10次測試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)指標(biāo)，評估不同試樣的硬度，具體如表2所示。

由表2可知，在不同測試次數(shù)下，E44試樣的硬度始終保持在 12～16HS ，平均測得結(jié)果為13.8HS，而其他兩組試樣硬度明顯較高，其中，E44/DDS試樣的硬度平均值為 22.6HS 。為此，該組試樣可以為建筑擴(kuò)建工程提供優(yōu)質(zhì)的膠粘劑材料。

3結(jié)語

本試驗(yàn)為設(shè)計(jì)公路擴(kuò)建工程拼接部位加固所使用的環(huán)氧樹脂膠粘劑固化動力學(xué)研究，結(jié)果顯示，環(huán)氧樹脂膠粘劑的固化時間取決于溫度和固化劑的選擇。同時，不同類型的固化劑可能會產(chǎn)生不同的固化時間。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)工程需要選擇固化時間較短的膠粘劑?？梢杂糜趦?yōu)化公路擴(kuò)建工程拼接部位加固的膠粘劑選擇和施工控制，確保工程質(zhì)量和持久性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王迎芬，潘翠紅，周洪飛，等.國產(chǎn)CCF800H碳纖維增強(qiáng)耐高溫雙馬樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2022（11）：114-119.

[2]李帥，汪澤幸，吳璠，等.聚酰亞胺耐高溫過濾材料的研究現(xiàn)狀[J].棉紡織技術(shù)，2022，50（z1）：43-47.

［3］梁恒亮，周洪飛，陳靜.耐高溫聚酰亞胺樹脂復(fù)合材料固化封裝技術(shù)研究[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2022（1）：112-116.

[4]高騰龍，余建虎，許英杰.碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料固化動力學(xué)建模研究［J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2022，41（7） ：1128-1135.

[5]張雨晴，張鋒鋒，王錦艷，等.非等溫DSC法研究TSPZ-EP環(huán)氧樹脂的固化動力學(xué)［J].高分子材料科學(xué)與工程，2021，37（11）：77-85.

[6]彭新龍，曾宇清，梁卓恩，等.環(huán)氧樹脂/玻璃纖維模壓預(yù)浸料固化反應(yīng)動力學(xué)研究［J].中國塑料，2021，35（12） ：81-87.

[7］韋君，顏春，祝穎丹，等.生物基可降解環(huán)氧樹脂體系固化反應(yīng)動力學(xué)研究[J].熱固性樹脂，2021，36（5）：25-30.

［8］李秉海.甲基納迪克酸酐固化環(huán)氧樹脂的動力學(xué)研究[J].塑料科技，2023，51（1）：65-68.

[9]李筱暄，付前剛，胡逗.碳/碳復(fù)合材料表面等離子噴涂高溫抗氧化涂層研究進(jìn)展［J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2022，40（3） ：465-475.

[10]鹿海軍，劉曉麗，李學(xué)山，等.石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺透波復(fù)合材料的高溫?zé)嵫趵匣阅躘J].航空材料學(xué)報，2022，42（5）：127-134.

［11］萬愛國.環(huán)氧樹脂膠粘劑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].粘接，2022，49（7）：41-44.

［12］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.

［13］紀(jì)懷旺，李增亮.基于內(nèi)聚力模型的纖維復(fù)合材料細(xì)觀損傷模擬[J].計(jì)算機(jī)仿真，2023，40（2）：309-313.

[14]DONALD HERR，ROBERT WIGDORSKI. UV - Activa-ted reactive film adhesives[J].UV + EB technology，2015，1（3） ：39-44.

[15]DEEPAK HARIHARAN，BRIAN HARKINS，BENJA-MINWAGNER.Device manufacturers embrace electri-cally conductive adhesives [J].Design News，2013，68（2） ：M1 -M4.

[16]肖遠(yuǎn)航，嚴(yán)懷俊，王春華，等.納米粘土與改性戊二醛結(jié)合鞣簡易工藝研究[J].中國皮革，2022，51（4）：9-15.

[17]張文韜，夏池，黃志高，等.VARTM用環(huán)氧樹脂固化動力學(xué)行為及力學(xué)性能分析[J].塑料，2022，51（1）：78-83.

[18]王哲，祖愿，胡方圓，等.含雜萘聯(lián)苯結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂固化動力學(xué)分析[J].化工學(xué)報，2022，73（2）：681-688.