水下快速定位胶粘剂的研制进展

水下快速定位胶粘剂的研制进展
　　
王灿 刘秀生 高万振
   (武汉材料保护研究所,湖北武汉430030)
   摘要:以自制的不饱和聚酯为主体材料,质量分数为70%;以水泥作为填料,质量分数为20%;加入10%的自制反应型表面活性剂,制备的水下快速定位胶性能最佳。在水下30s可定位,固化1h后强度达5.1MPa。
   关键词:胶粘剂;水中;快速定位
   中图分类号:TQ323.4+2;TQ437+.1文献标识码:A文章编号:1001-5922(2008)06-0021-04
   1前言
   随着经济建设的迅速发展,水工建筑工程日益增多,越来越需要一种能在水下或潮湿界面粘接和固化的特殊胶粘剂———水下胶粘剂。通常为保证粘接的成功,被粘物体的表面要求清洁、干燥、无污染,但在水利工程和环境治理工程中,往往施工环境中存在大量的水,此外,各种建筑物的地下混凝土设施和管道的修理也往往要求带水操作或在水中施工。因此,近20多年来国内外已研究开发了许多水下粘接技术和水下施工用的胶粘剂,但在水中能快速定位且方便使用的胶粘剂还很少见[1,2]。
   目前国内外比较成熟的水下胶粘剂主要有:环氧胶、氰基丙烯酸酯胶、聚氨酯胶等,但这些产品都有不可克服的缺点。如环氧胶固化慢而且受环境温度影响很大,在0℃的水下要在30s内固化难度极大。因氰基丙烯酸酯胶遇水固化,对粘接工艺和设备有较高要求。聚氨酯胶欲要快速定位,就要求异氰酸酯活性很大,这样就可能和水反应放出气体,从而影响粘接强度。
   在水中能快速定位且方便使用的胶粘剂有利于水下施工。本文主要研究了树脂、填料、固化剂、固化时间等因素对水中快速定位胶强度的影响。
   2水下快速定位胶粘剂设计要求和工作原理
   2.1设计要求
   2.1.1水下胶粘剂的技术要求[3~12]
   (1)遇水后能在固化前保持稳定,不被水破坏,不与水混溶;
   (2)能在水中对被粘物表面进行有效地润湿和固化;
   (3)具有一定的表面活性作用,能把被粘物表面上的水分置换(或混溶)掉;
   (4)具有适当的黏度,以保持良好的初粘性;
   (5)固化后有较高的强度及良好的耐水稳定性;
   (6)能适应水下各种几何形状构造物的粘接,操作简便,不污染环境等。
   2.1.2水下胶粘剂的工艺要求
   (1)在30s内有初粘力,能定位;
   (2)在-5~50℃使用;
   (3)在1h内粘接强度达5MPa;
   (4)使用方便且稳定可靠;
   (5)对不同的材料都有良好的粘接效果。
   2.2工作原理
   本胶粘剂的组成:不饱和聚酯(主体材料)、水泥(填料)、三乙基硼和哌啶络合物(引发剂)、反应型表面活性剂(粘接促进剂)、甲基丙烯酸甲酯(稀释剂和交联剂)、增稠剂。
   在水中粘接固化机理[13,14]:
   (1)反应型表面活性剂的极性基团和聚酯树脂分子中的羟基、醚键、酯键等各种亲水性官能团,把被粘物表面上的水分子置换出来,与金属氢氧化合物中的氧及羟基形成牢固的氢键。同时,反应型表面活性剂和聚酯树脂反应交联,不会影响粘接强度。
   (2)在水下施工时,混入胶中的水滴,因胶的凝聚力而发生分离并从胶中排出。
   (3)被粘表面的水分子被胶粘剂中的某些成分置换后形成牢固的粘接。
   3实验部分
   3.1原材料
   环氧树脂,E-44,上海新华树脂厂;水泥,525,华新水泥厂;丙烯酸、丙二醇、顺丁烯二酸酐、甲基丙烯酸甲酯,均为分析纯,国药集团上海化学试剂公司;三乙基硼,进口;反应型表面活性剂、增稠剂,自制。
   3.2胶粘剂中树脂和引发剂的合成
   1)聚酯的合成
   将丙二醇、顺酐、环氧E-44、丙烯酸按一定的比例在160~195℃下开环和缩聚。在酸值30~40时缩聚结束,成品为淡黄色黏稠液体。
   2)引发剂的合成
   在摄氏度下和氩气保护下,将三乙基硼滴加到哌啶中反应3h,形成三乙基硼与哌啶的络合物。
   3.3胶粘剂的制备
   A组分:将不饱和聚酯、水泥、反应型表面活性剂按一定的比例碾磨搅拌混合均匀。
   B组分:将引发剂、增稠剂和甲基丙烯酸甲酯按一定的比例搅拌混合均匀。
   3.4粘接工艺
   在粘合前将2个试片表面划格,分别分开涂上A、B组分。在水下将涂好胶的试片迭合并来回移动或旋转1~2s使A、B组分混合。然后放置30s,观察2试片是否定位(拉伸强度应大于0.01MPa),于水下固化1h后测其剪切强度。
   4结果与讨论
   4.1不同不饱和聚酯对胶粘剂性能的影响
   不饱和聚酯是胶粘剂的主体材料,不同的不饱和聚酯由于分子结构的不同会直接影响胶粘剂在水下的粘接强度。另外,由于分子中双键的位置和数量的不同,也直接影响固化时间和胶的内聚强度。选用了通用的不饱和聚酯191#(1)、乙烯基树脂(2)和自制的不饱和聚酯(3)进行实验,实验结果见表1。
   由表1可以看出,自制的不饱和聚酯粘接强度最高,固化速度最快。其用量在组分中占70%较好。
   4.2不同填料的影响
   在胶粘剂中加入填料可降低成本,同时改善物理力学性能,如增加弹性模量,降低线膨胀系数,减少固化收缩率。填料的种类、形状和用量对胶的性能影响很大。水下胶粘剂使用填料是为了容纳胶粘剂与被粘物接触面之间的水膜,使水层转移,以便胶层与被粘物表面直接接触,提高粘接力。选用了滑石粉(1)、水泥(2)和氧化钙(3),测其对水下胶粘剂性能的影响,见表2。
   由表2可看出,滑石粉只充当了普通填料的作用,而氧化钙对固化有不利的影响,加入水泥可使粘接强度大幅提高,且不影响固化时间,其用量在20%为佳。
   4.3不同表面活性剂的影响
   表面活性剂是水中粘接的关键因素之一,可使胶粘剂在水中对被粘物表面有效湿润,从而提高粘接强度。分别选用和OP-10(1)、乙烯基三乙氧基硅烷(A-151)(2)和反应型表面活性剂(3),测其对水下胶粘剂性能的影响,见表3。
   由表3可知,反应性表面活性剂(3)综合效果最好,加入量以10%为佳。
   4.4固化剂的影响
   固化剂用量太少不固化,用量太大固化后胶膜的交联密度高,收缩率大,内应力也大。同时,分子内部交联不均匀,内部缺陷多,造成内聚强度下降。A、B组分不同配比对水下胶粘剂性能的影响见表4。
   由表4可看出,当A、B组分质量比为1∶1时胶粘剂的性能最好。
   4.5水下固化时间的影响
   水下快速定位胶粘剂在水下固化1h、5h、24h和3个月后的粘接剪切强度分别为5.1MPa、10.5MPa、12.4MPa、12.2MPa。
   5结论
   1)水下快速定位胶粘剂可在水下30s中定位,1h后胶粘剂的粘接剪切强度可达到5.1MPa,5h后剪切强度可达到10.5MPa。
   2)以自制的不饱和聚酯作为主体材料,使水下快速定位胶具有较好的固化速度和粘接强度,其用量在组分中占70%较好。
   3)水泥作填料可使粘接强度大幅提高,同时不影响固化时间,用量20%为佳。
   4)反应型表面活性剂用量为10%时,粘接效果较佳。
   5)当A、B组分质量为1∶1时,胶粘剂的性能较好。

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