渡槽伸縮縫用硅烷改性聚醚密封膠制備及性能研究

摘 要：以硅烷改性聚醚為基礎(chǔ)聚合物，選擇蓖麻油作為增塑劑、乙烯基三甲氧基硅烷WD-21作為除水劑，配合酸鈣填料和其他添加劑制備，在真空條件下混合制備可用于伸縮縫止水的硅烷改性聚醚密封膠并對其性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明，密封膠24 h的固化厚度為3.6 mm，固化3 d后基本力學(xué)性能穩(wěn)定，拉伸長度和斷裂伸長率分別保持在1.74 MPa、208%。固化時間為4 d時界面破壞幾乎消失，粘接性能呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)。在測試溫度從0 ℃持續(xù)上升到900 ℃的情況下，密封膠最終熱失重為34%。隨著浸泡時間不斷增長，拉伸強(qiáng)度會降低但斷裂伸長率會上升，但整體符合施工要求。

關(guān)鍵詞：硅烷改性聚醚密封膠；制備；止水；性能分析；粘接強(qiáng)度

中圖分類號：TQ436+ .6" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " 文章編號：1001-5922（2024）07-0050-04

Preparation and performance study of silane modified

polyether sealant for aqueduct expansion joints

XU Jianhui

（Binzhou Yellow River Diversion Irrigation Service Center， Binzhou 256600，Shandong China）

當(dāng)前水利施工過程中，面臨的最大問題就是混凝土結(jié)構(gòu)開裂，一旦發(fā)生會促進(jìn)建筑內(nèi)部鋼筋材料腐蝕，最終影響建筑的承載能力和使用年限［1］。渡槽混凝土結(jié)構(gòu)搭建時，如何實現(xiàn)伸縮縫止水成為人們關(guān)注的重點，而硅烷改性聚醚密封膠作為一種新型環(huán)保密封膠，將其覆蓋到伸縮縫上，可以達(dá)到渡槽混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫止水的目的［2］。以提升密封膠表干速率和固化速度為目標(biāo)進(jìn)行測試考察，確定除水劑、增塑劑等添加劑材料的最佳用量，得到最優(yōu)材料制備配方［3］。將端硅烷基聚醚看做密封膠的基礎(chǔ)聚合物，與適量的填料和助劑混合，制備出改性聚醚密封膠［4］。在乙烯基三乙氧基硅烷材料的輔助下，制備出可用于混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫止水的硅烷改性聚醚密封膠［5］。基于此，需要對渡槽混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫止水用硅烷改性聚醚密封膠的制備與性能進(jìn)一步研究。

1" "實驗材料與方法

1.1" "實驗材料

主要實驗儀器設(shè)備：TXJ-2行星攪拌機(jī)、DHG-9140電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、JSB6-02電子天平、KT-PSA-1058萬能拉力試驗機(jī)、LX-A邵氏硬度計、Nicolet 6700傅立葉變換紅外光譜儀、TGAR5000IR熱重分析儀、NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計。

渡槽混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫止水用硅烷改性聚醚密封膠的主要成分：基礎(chǔ)聚合物、填料、增塑劑、除濕劑和其他添加劑。在準(zhǔn)備密封膠制備材料時，選用硅烷改性聚醚、碳酸鈣作為基礎(chǔ)聚合物和填料。當(dāng)前可以應(yīng)用到硅烷改性聚醚密封膠中的增塑劑類型很多［6］，選擇蓖麻油、聚醚硅油和PPG3000這3種增塑劑原料，分別與MS樹脂（端硅烷基聚醚預(yù)聚體）混合靜置。

蓖麻油與MS樹脂混合后，經(jīng)過7 d的靜置沉淀并未出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，且相比PPG3000混合靜置結(jié)果也更加清澈，證明其與MS樹脂之間的相容性更高。最終選擇蓖麻油作為密封膠制備所需的增塑劑。

除濕劑是一個關(guān)鍵的添加劑，負(fù)責(zé)吸收密封膠內(nèi)包含的水分子，避免膠體出現(xiàn)變質(zhì)［7］。選擇分子結(jié)構(gòu)為WD-21、WD-20、WD-27的3種不同乙烯基硅烷，分別探究其除水效果。選擇最優(yōu)乙烯基硅烷材料作為除水劑。

應(yīng)用100份基膠預(yù)聚體、100份碳酸鈣填料、50份增塑劑，配合不同除水劑分別制備密封膠，觀察每種除水劑的實際除水效率，得到表1所示的統(tǒng)計結(jié)果。

由表1可知，分子結(jié)構(gòu)為WD-21的除水劑應(yīng)用后，膠體的表干時間需要21 min，相比其他2類明顯更長，且固化速度也最慢。這代表密封膠制備過程中被消耗了更多水分。因此，可以選擇WD-21作為除水劑材料。

除了上述主要材料外，在硅烷改性聚醚密封膠制備過程中，選擇錫和胺化合物作為催化劑，加快密封膠的固化反應(yīng)速度。并準(zhǔn)備了硅烷類材料作為附著力促進(jìn)劑，受阻胺作為光穩(wěn)定劑［8］，氣相二氧化硅作為觸變劑，以及欽白粉、炭黑2種顏料。經(jīng)過不斷調(diào)配，最終確定表2所示的硅烷改性聚醚密封膠制備配方。

1.2" "制備工藝

實際密封膠制備過程中，采用的制備工藝與粘合劑的配方工藝相仿，在真空環(huán)境下進(jìn)行各種材料的混合處理。需要注意的是，硅烷改性聚醚密封膠制備過程中，原料水分含量要始終低于0.08%［9］。為了滿足這一要求，結(jié)合了2種干燥工藝，形成完整的密封膠干燥工藝，如圖1所示。

密封膠制備時，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景與當(dāng)前材料的特征，任選一種干燥工藝在不影響成品粘接性能與耐久性的情況下，去除材料中存在的水分。所有材料在容器中混合，倒入行星攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，等?2 h后即可得到止水用硅烷改性聚醚密封膠。

1.3" "性能測定

固化性能測試：應(yīng)用圖2所示的楔形凹槽作為固化速度測試工具，在凹槽內(nèi)噴灑一層脫模劑后，將制備完成的密封膠注入其中，等待24 h后，從最高處開始將固化的密封膠從凹槽中取出，測量凹槽頂端與未固化密封膠之間的距離，從而計算出固化速度［10］。

力學(xué)性能測定：準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)尺寸的啞鈴型模具，將密封膠倒入其中后放在真空烘箱中處理1 h，再置于常溫環(huán)境中固化7 d，得到不同固化時間的試驗樣品。利用萬能拉力機(jī)分別進(jìn)行拉伸測試，記錄密封膠拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率變化。

粘接性能測定：準(zhǔn)備2個100 mm×25 mm×25 mm的金屬片作為測試工具，按照（12.5±0.5） mm的長度完成2個金屬片的搭接處理，并將密封膠涂抹到搭接區(qū)域。之后將測試樣品放置到萬能試驗機(jī)上，進(jìn)行拉剪試驗，觀察密封膠抗剪強(qiáng)度、膠體與金屬片間界面破壞的面積百分比，以此來評估渡槽混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫止水用硅烷改性聚醚密封膠的粘接強(qiáng)度。

耐熱性能測定：將質(zhì)量為10 mg的實驗樣品放置到氮氣環(huán)境中，設(shè)置升溫速率為20 ℃/min，從0 ℃增長到900 ℃，對密封膠進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

耐水性能測定：將固化后的密封膠樣品浸入到離子水中，分別浸泡0、14、28、42、56、70 d，觀察密封膠的力學(xué)性能變化，間接體現(xiàn)出其耐水性能。

2" "實驗結(jié)果分析

2.1" "固化性能

針對硅烷改性聚醚密封膠完成固化性能測試后，得到圖3所示的固化厚度變化曲線。

由圖3可知，隨著固化時間的延長，密封膠固化厚度不斷增長，在增長趨勢越來越緩慢。當(dāng)施工24 h后，制備后密封膠的固化厚度就達(dá)到了3.6 mm，滿足渡槽混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫止水施工基本要求。當(dāng)固化時間為7 d后，固化厚度超過了7 mm，可以發(fā)揮更優(yōu)的止水性能。

2.2" "力學(xué)性能

在一系列拉伸試驗結(jié)束后，記錄不同固化時間下密封膠樣品的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，并繪制力學(xué)性能變化圖像，如圖4所示。

由圖4可知，固化時間從1 d增長到7 d后，硅烷改性聚醚密封膠的拉伸強(qiáng)度不斷增長; 在3 d后基本穩(wěn)定在1.74 MPa。斷裂伸長率呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，從第4 d開始也趨于穩(wěn)定狀態(tài)，保持在208%左右。由此可知，在密封膠膠體交聯(lián)程度不斷增強(qiáng)的環(huán)境下，膠體力學(xué)性能得到提高。

2.3" "粘接強(qiáng)度

不同固化時間下密封膠粘接性能變化如圖5所示。

由圖5可知，固化時間是導(dǎo)致拉剪強(qiáng)度、界面破壞的面積百分比變化的主要因素，在密封膠固化時間變長后，膠體表現(xiàn)出越來越高的拉剪強(qiáng)度，相對應(yīng)的界面破壞面積百分比越來越低，尤其在固化時間為4 d后，界面破壞面積基本消失。此時，密封膠具有最佳的固化狀態(tài)和粘接性能。

2.4" "耐熱性能

根據(jù)不同溫度條件下密封膠質(zhì)量保留情況進(jìn)行統(tǒng)計，得出圖6所示的樣品質(zhì)量對溫度/時間的曲線（TG曲線），直觀評價硅烷改性聚醚密封膠的熱穩(wěn)定性。

由圖6可知，密封膠的熱分解主要分為2個階段，第1階段的熱失重結(jié)果為98%；而第2階段熱分解結(jié)束后，表現(xiàn)出的最終熱失重結(jié)果為34%。

為了進(jìn)一步分析密封膠耐熱性能，統(tǒng)計密封膠熱分解數(shù)據(jù)，得到表3所示的記錄結(jié)果。

由表3可知，第1階段和第2階段的熱分解初始溫度分別為380.1、710.5 ℃；當(dāng)分解溫度達(dá)到550 ℃和800 ℃后，硅烷改性聚醚密封膠的剩余質(zhì)量分別為58.04%、38.23%。整體來看，制備出的止水用密封膠需要非常高的溫度才能破壞膠體內(nèi)的化學(xué)鍵，而正常渡槽混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫止水工作環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該溫度，證明密封膠的耐熱性能是優(yōu)越的。

2.5" "耐水性能

對不同浸泡時間下的密封膠樣品進(jìn)行拉伸測試，得到不同浸泡時間下密封膠力學(xué)性能變化曲線，如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)密封膠長時間浸泡到離子水中后，膠體拉伸測試結(jié)果顯示，其斷裂伸長率不斷增大，拉伸強(qiáng)度先上升后下降。但直到浸泡時間達(dá)到70 d，密封膠拉伸強(qiáng)度依舊在1.47 MPa以上，斷裂伸長率為264%，還是滿足混凝土伸縮縫止水要求的。

3" "討論

通過相容性測試和除水效率測試，性能測試結(jié)果顯示，硅烷改性聚醚密封膠固化厚度可以在24 h內(nèi)滿足施工要求。且固化程度增加后，膠體的拉伸強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度不斷增加，斷裂伸長率也表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。在固化時間達(dá)到4 d后，力學(xué)性能和粘接性能穩(wěn)定在最優(yōu)狀態(tài)。

密封膠放置在高溫環(huán)境和離子水環(huán)境中進(jìn)行測試，結(jié)果顯示溫度的增加會促進(jìn)膠體固化交聯(lián)，同時也會引起膠體老化，整體來看耐熱性能較好。浸泡時間延長后，膠體中滲入的水分會在促進(jìn)交聯(lián)固化的同時降低膠體穩(wěn)定，對力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響，對比施工要求可知該密封膠的耐水性能尚可。

4" "結(jié)語

為了更好地處理渡槽混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫，避免水分通過縫隙侵蝕內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)，以硅烷改性聚醚為基礎(chǔ)，制備止水用密封膠，并進(jìn)行一系列性能研究測試。測試結(jié)果顯示，硅烷改性聚醚密封膠整體性能優(yōu)越，將其應(yīng)用到渡槽混凝土結(jié)構(gòu)施工中，應(yīng)對建筑領(lǐng)域的潛在威脅。

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