不同類型改性劑對環(huán)氧砂漿性能的影響

宋鴿　李光輝

摘 要：試驗研究了5種不同類型改性劑對環(huán)氧樹脂固化體性能的影響，測試了改性后環(huán)氧砂漿的力學性能。結果表明，不同類型改性劑對環(huán)氧樹脂固化體力學性能存在顯著影響，改性劑可以有效降低環(huán)氧樹脂膠黏體系粘度，顯著改善環(huán)氧砂漿的工作性能，在一定程度上提高環(huán)氧砂漿的韌性。

關鍵詞：環(huán)氧砂漿;改性劑;工作性能;力學性能

中圖分類號：U444文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2022）08-0050-03

1 試驗

1.1 原材料

膠結體系：基礎樹脂為E-51環(huán)氧樹脂;固化劑選用二乙烯三胺;改性劑選擇丙三醇三縮水甘油醚（簡稱GGE）、乙二醇二縮水甘油醚（簡稱EDGE）、正丁基縮水甘油醚（簡稱BGE）、丙酮及改性劑A等五種改性劑，其中改性劑A為武漢某公司研發(fā)產品，為含有聚丙二醇二縮水甘油醚的長鏈脂肪族化合物。

填料：一級粉煤灰，石英砂細度模數為2.6，石英粉細度400目。

1.2 測試方法

環(huán)氧樹脂性能試驗按照《樹脂澆鑄體性能試驗方法》（GB/T 2567-2008）、《膠黏劑黏度的測定》（GB/T 2794-2013）等規(guī)范要求進行;環(huán)氧砂漿力學性能試驗按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671-2021）標準規(guī)定進行。

2結果與討論

2.1 改性劑對環(huán)氧固化體系性能的影響

2.1.1 改性劑對環(huán)氧固化體系力學性能的影響

在環(huán)氧固化體系中分別加入等質量的不同類型改性劑，測試改性后環(huán)氧固化膠體的拉伸強度及模量、壓縮強度、彎曲強度及模量。材料用量及28 d齡期力學性能測試結果見表1。

由表1可以得到：不同類型改性劑對環(huán)氧固化體系的力學性能影響顯著，摻加改性劑A的環(huán)氧樹脂的各項力學性能指標最優(yōu)。改性劑A的拉伸強度為70 MPa，比其他四種提高了7.7%～20.7%;拉伸模量為3.3 GPa，提高了26.9%～43.5%;壓縮強度為108 MPa，提高了13.7%～35.0%;彎曲強度為98 MPa，提高了11.0%～30.7%;彎曲模量為3.3 GPa，提高了22.2%～37.5%。

分析原因，丙酮為非活性稀釋劑，屬于稀釋性溶劑，分子結構中沒有活性環(huán)氧基團，自身沒有反應活性，只起物理稀釋降黏的作用，且易揮發(fā)，固化反應時容易在固結體中留下空隙，造成固化體內部產生缺陷，進而影響力學性能。GGE、EDGE、BGE和改性劑A等4種屬于活性改性劑，具有1個以上帶反應活性官能團的化合物，與環(huán)氧樹脂具有良好的相容性，不易發(fā)生分離現(xiàn)象，并且可以參與固化交聯(lián)反應，成為樹脂膠結體交聯(lián)網絡結構中的一部分，對固化產物的性能幾乎無不利影響，甚至還能增加固化體系的韌性[1]。鑒于改性劑A比GGE、EDGE、BGE三種改性劑對環(huán)氧樹脂的力學性能改善更顯著，下步試驗中，僅測試改性劑A的固化體系粘度。

2.1.2 改性劑A對環(huán)氧固化體系粘度的影響

改性劑A的粘度很低，添加到環(huán)氧體系中可極大降低體系粘度，改善施工性能。加改性劑A的體系凝結時間延長，固化反應平穩(wěn)，利于浸潤、滲透結合面并與之緊密連接。由圖1可看出，改性劑A可以顯著降低環(huán)氧樹脂的粘度，最高降幅達85%以上。在0%～40%的范圍內，隨著摻量的增加，體系粘度成指數下降趨勢;當改性劑A摻量大于40%時，隨著摻量的增加體系粘度變化趨于平緩。

改性劑A既是環(huán)氧樹脂良好的稀釋劑，又是高性能增韌改性劑。改性劑A為支化、帶有多個活性端基的低粘度液態(tài)聚合物，分子內部空穴導致固化物產生大量剪切形變而耗散沖擊能量，因而具有良好的增韌性能和反應活性，可大幅度改善環(huán)氧樹脂固化物的耐沖擊、耐壓縮等機械性能[2]。添加于環(huán)氧樹脂固化體系中，可顯著延長其可使用時間和降低固化放熱峰值，使環(huán)氧樹脂固化反應平穩(wěn)，最終使固化膠體具有良好的使用性能。具體結果見表2及圖1。

2.1.3 改性劑A對環(huán)氧固化體性能的影響

從圖2可看出，隨著改性劑A摻量的增加，環(huán)氧固化體的壓縮強度呈現(xiàn)明顯的先增加后降低趨勢，當改性劑摻量為20%時，壓縮強度達到峰值。從圖3可以得到，隨著改性劑A摻量的增加，環(huán)氧固化體的沖擊韌性逐漸提高，當改性劑摻量為30%時，抗沖擊韌性達到峰值。改性劑A并不是摻量越高對環(huán)氧固化體改性效果越好，而是在適當摻量比例范圍內，改性效果達到最優(yōu)。因此，在選擇改性劑A摻量時，應綜合協(xié)調體系粘度和力學性能的關系，根據目標性能合理選擇摻量。具體結果見表3及圖2、圖3。

2.2 環(huán)氧砂漿的力學性能

環(huán)氧砂漿中添加石英砂等填料，可以降低砂漿的收縮率和熱膨脹系數，增加導熱率和物理強度，提高材料的粘結力、耐磨性，改善材料的老化性能等;還可以降低環(huán)氧樹脂的用量，降低環(huán)氧砂漿的使用成本，環(huán)氧砂漿配合比與砂漿稠度見表4。按表4配比制作試件，尺寸為40 mm×40 mm×160 mm ，每組3個，測試稠度后裝模，砂漿終凝后拆模，標準條件下養(yǎng)護1 d、3 d、7 d 、28 d 后，抗折和抗壓強度[3]測試結果見表5、表6。

由表4、表5和表6可得到：丙酮和改性劑A加入環(huán)氧砂漿后可提高其工作性能，環(huán)氧砂漿稠度分別增大25 mm和20 mm;添加丙酮改性劑與未加改性劑環(huán)氧砂漿相比各齡期抗壓強、抗折強度均有所下降，抗壓強度最大下降8 MPa，抗折強度最大下降5.5 MPa;添加改性劑A前后的環(huán)氧砂漿各齡期抗壓強度基本相當，抗折強度大于23 MPa，28 d抗壓強度達90 MPa以上，且3 d和7 d的抗壓、抗折強度均高于不加改性劑環(huán)氧砂漿，具有早強特性?？梢?，改性劑A的加入不會降低環(huán)氧砂漿抗壓和抗折強度。主要因改性劑A分子鏈中含有多個極性鍵，與環(huán)氧樹脂、環(huán)氧固化劑及助劑都有良好的相容性，不分層、不析出、基本不分相，且對粉煤灰、石英砂和石英粉等各種無機填料具有良好的表面浸潤性，能很大程度上緩解其沉降問題。因此改性劑在改善拌合物和易性的同時參與固化反應，最終成為結構的組成部分。而丙酮作為稀釋性溶劑，具有較高的飽和蒸氣壓，揮發(fā)性和遷移性決定其在環(huán)氧砂漿固化過程中會逐漸溢出，導致膠體致密性降低，有較高的孔隙率，進而毛細孔缺陷引起宏觀上力學性能的衰減，抗折和抗壓強度均低于未加改性劑環(huán)氧砂漿。

3改性機理分析

高交聯(lián)密度的環(huán)氧樹脂基體三維網絡結構可視為“均相結構”，致密度高，脆性較大，沖擊韌度和延伸率較低，其特有的形態(tài)特點決定了在吸收沖擊能量和抵抗裂紋擴展能力的欠缺。采用含端活性基的改性劑來改性，使基體的屈服變形潛力變大，降低其玻璃化溫度和模量，可取得較好的增韌效果。與在交聯(lián)后形成分子量呈雙峰分布的環(huán)氧樹脂交聯(lián)網絡的增韌機理不同，通過引入分子鏈中含有多個活性端基的分子結構參與環(huán)氧樹脂的固化反應，形成穩(wěn)固的交聯(lián)網狀結構，并利用其分子中的支化結構和特殊的物理化學機理產生非致密有序結構，當基體受到外力作用時，非致密結構中的“缺陷”誘發(fā)應力集中，使環(huán)氧樹脂固化物內部產生大量的剪切形變，從而吸收并耗散沖擊能量，達到提高環(huán)氧樹脂固化物韌性的目的，改善綜合性能[4]。通過改性劑引入分布均勻的增韌結構能夠顯著地分散和吸收破壞能量，可以緩解裂紋尖端累積的三向應力，誘發(fā)基體樹脂局部剪切屈服，使主裂紋擴展阻力增大，從而提高環(huán)氧固化體韌性。

4結語

首先，多活性端基類改性劑對環(huán)氧樹脂固化體系的拉伸強度、壓縮強度和彎曲強度等力學性能具有顯著改善作用。

其次，多活性端基類改性劑可以顯著降低環(huán)氧樹脂的粘度，且在一定范圍內，隨著摻量的增加粘度逐漸降低，最高降幅達到85%。

最后，多活性端基改性劑可以改善環(huán)氧砂漿的稠度，提高工作性能，且能夠保持優(yōu)異的力學性能。

參考文獻

[1] 肖揚國，陳海生.新型增韌固化劑固化環(huán)氧結構膠的性能及應用研究[J].新型建筑材料，2010（3）：71-74+87.

[2] 胡玉明.環(huán)氧固化劑及添加劑[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[3] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5193-2004環(huán)氧樹脂砂漿技術規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2004.

[4] 買淑芳，方文時，楊偉才，等.海島結構環(huán)氧樹脂材料的抗沖磨試驗研究[J].水利學報，2005，36（12）：1498-1502.