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环氧树脂建筑结构胶粘剂增韧改性研究
发布时间: 2014-09-15
  建筑胶粘剂的普遍应用,使人们对这一类型的化学建材给予了高度的关注,在我国,经过几十年来的研究与实践,综合化学、力学、材料、结构等先进技术的成果,将其应用于建筑结构粘钢补强加固、锚栓植筋、现场灌注施工中,更加突显了其优点与重要的作用。
  然而,由于固化后的环氧树脂内应力大,因而存在质脆、耐疲劳性、耐热性、抗冲击韧性差等缺点,难以满足工程技术的要求,使其应用受到一定的限制。为此对环氧树脂的增韧,改善它的脆性及力学性能是重要的课题之一。本文用小分子聚酸胺650#为增韧剂,分别以滑石粉、砂子粉、玻璃纤维为填料,对环氧树脂建筑结构胶进行改性。
  1、胶接内应力分析
  在建筑结构的连接中,胶接获得了广泛的应用,它具有简化结构、优化性能等优点,但是胶接接头中的内应力会对胶接强度和耐久性产生很大的影响,限制了胶接在一些重要场合的应用。通常内应力主要有两个来源川:①胶粘剂在固化过程中由于溶剂挥发、缩聚反应时小分子产物逸出或加聚反应时原子间距离缩短等原因,胶层体积收缩,产生收缩内应力;②胶粘剂和被胶接体的热膨胀系数不同,在温度变化时会产生热应力。接头上内应力的存在通常导致接头强度大大下降,有时甚至使得接头自动破裂。
  1.1、收缩应力
  胶粘剂不管用什么方法固化,都难免发生一定的体积收缩。当胶粘剂处于流动状态时,体积收缩可以得到补偿;如果在失去流动性之后体积还没有达到平衡的数值,进一步固化就会产生内应力。胶接接头中的收缩应力受到许多因素的作用,当采用简便方法测定收缩应力时,可将胶粘剂涂于金属锡箔上,固化之后由于收缩应力的作用箔片就会发生弯曲,测定曲率半径p,胶层厚度h1和箔片厚度h2,即可由下式计算收缩应力P的大小:
  式中E1为胶粘剂的弹性模量,E2为金属箔的弹性模量,m=E1/E2,n二h1/h2。
  1.2、热应力
  热膨胀系数不同的材料胶接在一起,温度会在界面中造成热应力。在胶接两种膨胀系数相差很大的材料时,热应力的影响尤其显著I4]。为了避免热应力,胶接热膨胀系数相差很大的材料一般宁可选择比较低的固化温度,最好采用室温固化的胶粘剂。例如,不锈钢与尼龙之间的粘接,如果采用高温固化的环氧树脂胶粘剂只能得到很低的粘接强度,而采用室温固化的环氧一聚酞胺胶粘剂就能得到满意的胶接强度。
  对于胶接膨胀系数不能匹配的材料,为使之在温度改变时不发生破裂,一般采用模量低,延伸率高的胶粘剂,使热应力能通过胶粘剂的变形释放出来。
  由于金属被粘物的刚性比胶粘剂大得多,若设胶粘剂因温度上升而产生的热膨胀全部被约束,热膨胀将导致胶层内产生压缩应力。若取胶粘剂的弹性模量为2.sxl03MPa,屈服极限为20MPa,线膨胀系数为110xl0一6/℃在胶粘剂的升温为T时,所受压缩应力可由下式计算:
  由上述计算结果可知,只要温升达72.7℃,即会出现不可逆转的塑性压缩变形,而温度回复时,这部分塑性应变将导致收缩,温度复为初始值时,胶层中将存在拉伸弹性变形,也就是说出现了热拉伸应力,残存于胶层内。
  1.3、减小内应力的措施
  胶接接头中不可避免的要存在内应力,除了采用合适的工艺措施以减小内应力以外,研究接头中内应力的大小及分布规律从而减小其有害影响是十分有意义的。为降低结构胶粘剂固化过程中产生的内应力,本文采用的是加入特定的无机填料的方法。
  由于无机填料不参与化学反应,加入无机填料能使固化收缩按比例下降.加入无机填料还能降低热膨胀系数,因此加入适量填料能使某些胶粘剂的强度显著提高。
  对填料进行超细加工或纤维化加工,再加入胶粘剂中,是近年来才开发的新技术。它们的加入,一改过去加入填料降低冲击强度的传统,反而可增加韧性,提高胶体的力学性能,这种方法已成为环氧树脂等热固性胶粘剂提高韧性的一项新技术。
  2、试验部分
  2.1、主要原料
  主体粘料:E一44环氧树脂( 蓝星化工 新材料股份有限公司无锡树脂厂);E一51环氧树脂( 蓝星化工 新材料股份有限公司无锡树脂厂);固化体系:T一31固化剂(无锡市树脂厂);聚酞胺650林( 蓝星化工 无锡树脂厂精细化工研究所);活性稀释剂:EPG一660(吉林化学工业股份有限公司):增塑剂:邻苯二甲酸二乙醋(沈阳市新西试剂厂):固化促进剂:间苯二酚(天津市科密欧化学试剂开发中心);增韧剂:聚酞胺65叫( 蓝星化工 无锡树脂厂精细化工研究所)填料:滑石粉,400一600目(工业级):砂子粉,325目(过筛);玻璃纤维,耐碱玻纤短切纱。
  2.2、增韧机理
  2.2.1、玻璃纤维改性胶粘剂
  玻璃纤维作为一种性能优异的无机非金属材料,主要成分包括5102、A1203、Cao、B203、Mgo、Nao等。此填料在提高胶粘剂的强度方面效果非常显著.
  它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱等工艺,最后形成纤维状材料,其强度大为增加且具有柔软性,配合树脂使用已成为优良的结构用材。其增韧机理【8〕为:不连续纤维的增强理论假定,负荷或应力能通过基体从纤维传递到纤维,纤维比基体强度大、模量高,因此当复合材料受到外应力时,纤维局部抵抗形变,在纤维中产生了比其周围基体高得多的应力。当两界面结合很好时,这种增强效果尤为明显。
  2.2.2、界面作用机理
  大量研究表明,复合材料的界面粘结越好,其层间剪切强度越高,但冲击韧性往往有所下降。因为通常冲击能量的吸收和耗散是通过填料,尤其是纤维填料与树脂基体之间的界面脱粘、填料被拔出来实现的。填料与树脂的韧性不很好时,则在应力作用下,破坏过程中增长的裂缝将容易扩展到界面,呈现脆性破坏【9、101。若界面粘结太弱,在应力作用下,填料会在裂缝增长之前呈现界面脱粘而破坏。此外,界面缺乏粘结力易存在空隙,则水分很容易渗透进其界面层导致强度大大下降。因此根据填料界面作用机理的变形层理论,在提高填料尤其是纤维填料与树脂基体之间界面粘结力同时又引入容易变形的界面层,则有可能同时提高填料的层间剪切强度、抗冲击韧性及抗湿性能。也就是说,只有当界面层具有较低的模量利于界面应力松弛时,才能协调平衡各项性能。
  2.3、试验方法
  环氧胶粘剂分为A、B两组分。在A组分中,包括粘料和填料,粘料选用E一51、E一44,按质童比4:6混合,填料分别选用滑石粉、砂子粉和玻璃纤维。B组分为固化剂和促进剂的混合物.胶粘剂各成分的质量比为粘料:填料二l:x
  2.4、试样制备和表面处理
  拉伸剪切强度试样为单搭接结构,金属片搭接长度为12.5士0.smm,金属片主要尺寸为100X25XZnun3。
  表面处理方法:首先用丙酮对表面进行脱脂处理,然后进行粗化处理,最后对试样进行清洗烘干。
  2.5、性能测试
  拉伸剪切强度测试参考GB/T7124一1986进行试验,拉伸速度为snun/min。
  树脂浇铸体拉伸性能测试参考GB/T2568一1995进行试验,拉伸速度为2mm/min。
  3、试验结果与分析
  环氧树脂胶粘剂的韧性(最大伸长率)指标是防止脆性破坏的重要保证,在环氧树脂胶粘剂加入填料可以改善环氧树脂胶粘剂的韧性,选用合理的掺量能调配出适宜的环氧树脂胶粘剂,匹配良好的固化剂,环氧树脂不仅具有较好的韧性,而且还能有较高的强度。
  3.1、玻璃纤维掺量的确定及其性能
  本文研究中采用耐碱短切玻璃纤维,其各项指标如表1所示。玻璃纤维不同用量时自配胶与对比试样剪切强度对比数值如表2和图l所示。从试验结果可以看出,在环氧树脂胶粘剂中加入,玻璃纤维可以显著增加其剪切强度,选用合理的掺量能够调配出强度较高的环氧结构胶粘剂。
  通过试验可知自配胶粘剂中的玻璃纤维与基体两界面结合较好,试胶粘剂的断裂伸长率有了显著的提高.因此,掺加了玻璃纤维的环氧树脂结构中,固化产物被赋予了良好的柔韧性。
  4、结论
  本试验研究主要观察胶粘剂的强度及韧性,分别通过剪切强度和断裂伸长率来表征,强度越高,柔韧性越好,粘接越牢。
  (1)在胶粘剂中加入玻璃纤维作为填料,改善了树脂之间的堆砌性,充分了发挥纤维材料的优异性能和协同效应,通过玻璃纤维改性的环氧树脂胶粘剂强度有很明显的提高。
  (2)环氧树脂胶粘剂的韧性(最大伸长率)指标是防止脆性破坏的重要保证,改善韧性一直是研究的热点。本文通过试验研究确定了改善胶粘剂韧性的玻璃纤维的合理掺量,加以良好的固化,不仅韧性有较好的提高,而且也有较高的强度。
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