一種新型粘鋼結(jié)構(gòu)膠固化劑的研發(fā)及應(yīng)用-兼論粘鋼膠固化劑的選擇
發(fā)布時間：2017-05-27
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來源： 原創(chuàng)
作者： 盧學(xué)軍
摘要：降低成本、提升性能，這是制膠企業(yè)的共同目標(biāo)。要設(shè)計一個高性價比的粘鋼膠配方，固化劑的選擇是關(guān)鍵因素。結(jié)合基材特征及國標(biāo)GB50728-2011對粘鋼膠的要求，選擇一個合適的固化劑，它需具有表面活性特征、活化能比較低、熱變形溫度比較高、對基材粘接強度比較好、具有合適的彈性模量和較大的填充料加量等特點，即能設(shè)計出既能滿足國標(biāo)要求，又具備較高性價比的粘鋼膠配方。本文對新型粘鋼膠固化劑H-2152的研發(fā)和應(yīng)用進行了詳細撰述。
關(guān)鍵詞：粘鋼膠，固化劑，表面活性，熱變形溫度
建筑結(jié)構(gòu)膠黏劑以其極佳的粘接強度和良好的耐老化性在建筑加固行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。將鋼板用粘鋼膠粘接于混凝土構(gòu)件的表面，形成一個堅固的整體結(jié)構(gòu)，利用鋼板的綜合強度以提高構(gòu)件的承載能力，這就是粘鋼膠的作用。而建筑加固的效果、承載能力的提高幅度由粘鋼膠的粘接強度和材料強度決定，同時粘接接頭要承受溫度、濕度、溫差變化、風(fēng)化、機械應(yīng)力等各種外部因素的常年侵蝕，建筑乃百年大計，對粘鋼膠的耐久性提出了更高的要求。 因此，粘鋼膠不同于一般的膠黏劑，其對固化劑的要求自然有其獨特性。
一、 國家標(biāo)準(zhǔn)GB50728-2011對粘鋼膠的要求
1、 對鋼板和混凝土需具備極佳的附著力。
2、 適應(yīng)一定濕度的固化環(huán)境和混凝土表面。
3、 足夠的韌性，能承受機械應(yīng)力和溫差應(yīng)力。
4、 耐久性、耐老化性滿足建筑使用要求。
5、 因無法加溫固化，即使冬季也要常溫固化。
6、 需通過添加較多的填充料降低收縮，減小應(yīng)力，有針對性的提高某些性能。 配方的設(shè)計是多方面材料的有機配合，既可以通過環(huán)氧或者固化劑改性達到目標(biāo)，也能通過不同原材料的組合達到效果，但是選擇一種合適的固化劑應(yīng)該是最直接、最具性價比的方案。
二、 對粘鋼膠固化劑的要求
1、固化劑要設(shè)計為具有表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)。
1.1金屬鐵屬于活潑金屬，極易在自然環(huán)境中氧化，表面形成一層疏松的氧化層，在粘鋼膠和鋼板之間形成隔離帶，即使在涂膠前對鋼板表面進行噴砂或者打磨處理，仍會有死角位置或者處理不到位的情況，或者處理放置后一定時間，在濕度環(huán)境下仍會繼續(xù)氧化。
1.2混凝土表面總是吸附著一層水分，在室外施工有表面潮濕甚至帶水的情況存在，尤其在南方多雨季節(jié)，施工過程中很難通過設(shè)備或者工藝烘干混凝土表面。
1.3粘鋼膠中一般會添加較多量的填充料以降低成本，減小收縮，但是填充材料的添加會對固化物的性能造成影響，如抗拉強度、伸長率、粘接強度均會體現(xiàn)為下降的趨勢，而下降的幅度取決于環(huán)氧體系同填充料的親和性。而且，填充料尤其是非活性填充料的添加極易導(dǎo)致膠水和填充料的相容性變差，膠水分布不均，易出現(xiàn)分層或沉淀現(xiàn)象，導(dǎo)致固化物性能的不穩(wěn)定。 因此，選擇一支具有表面活性的固化劑有利于解決相關(guān)的問題。
2、固化劑要具有耐濕熱、耐老化、耐久性的特點
一般的聚酰胺樹脂從建筑結(jié)構(gòu)膠領(lǐng)域的逐漸退出，是因為其耐濕熱、耐老化及熱變形溫度低等諸多性能的缺陷。粘鋼膠固化劑需具備抗水性好，長期濕熱條件下不水解、不分解、不斷鏈，一定溫度條件下老化速度慢，膠體強度下降幅度低等特點，GB50728-2011要求A類膠HDT>65°C,而一般脂肪胺經(jīng)過改性后，耐熱性難以達到65°C的熱變形溫度。因此，選擇環(huán)式脂肪胺或者芳香胺改性固化劑，有可能滿足耐熱性和耐老化性的要求。
3、常溫甚至低溫條件下的固化交聯(lián)度。
環(huán)氧的固化度跟外部環(huán)境提供的溫度和時間相關(guān)，固化度直接影響膠體強度和粘接強度：采用同種環(huán)氧樹脂，在同等環(huán)境溫度下固化，其交聯(lián)度取決于固化體系的活化能。因此，采取通用的環(huán)氧樹脂，固化劑的選擇決定了固化體系的活化能，而活化能較低的固化體系具有常溫條件下較高的固化度和機械強度。
4、固化物的韌性
環(huán)氧樹脂固化物一般偏脆性，需通過添加增韌劑或者采取增韌改性的固化劑提高固化物的抗沖擊強度和變形能力，以抵抗外部應(yīng)力或因冷熱收縮產(chǎn)生的應(yīng)力。 GB50728-2011對伸長率和鋼-鋼的T型沖擊剝離長度提出了要求。而各種增韌劑因增韌原理不同側(cè)重點也不同，有些對提高沖擊強度顯著，有些對提高伸長率更加明顯，配方設(shè)計者需要根據(jù)需要的性能選擇。在固化劑中引入長鏈的分子結(jié)構(gòu)，有利于提高斷裂伸長率和剝離強度，相當(dāng)于固化劑可以代替增韌劑的功能，從而省略增韌劑的成本，不失為提高性價比的一個優(yōu)選方案。
5、對鋼板和混凝土基材的粘接強度
5.1一定表面活性的環(huán)氧體系有利于滲透，而膠水滲透后的固化物有機械鉚合的效果，從而提高體系的粘接強度。 5.2鋼板和混凝土基材均為極性表面，固化劑分子結(jié)構(gòu)中或者反應(yīng)過程中形成的大量羥基會與粘接表面形成氫鍵合結(jié)構(gòu)，粘接強度大幅度提高；反之，若材料消耗羥基，則粘接強度大幅度下降。因此，固化劑的合理選擇是提高粘接強度的決定性因素。
6、合適的彈性模量
常溫固化物較高的交聯(lián)密度以及體系中大量剛性結(jié)構(gòu)的存在，會導(dǎo)致固化物較高的彈性模量。因此，合理控制分子中長鏈結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)的比重，既能提高伸長率，又能達到合適的彈性模量。
7、添加較多的填充料
填充料的添加量不但跟填料的種類、配合、目數(shù)、形狀、親油性等有關(guān)系，還跟體系的混合粘度、分子結(jié)構(gòu)有關(guān)系。選擇具有表面活性的固化劑組成的環(huán)氧體系，可以起到表面活性劑的效果，直接處理填充料，不但可以減慢分層沉降，還可以增加加粉量，以降低成本，并能相對提高膠體的抗拉強度、抗壓強度等指標(biāo)。
綜上所述，設(shè)計一個性價比高的粘鋼膠配方，必須選擇一個有針對性的粘鋼膠專用固化劑，這樣不但可以提高加粉量來降低成本，而且性能達到國標(biāo)要求，單純追求以低價位材料，以犧牲性能為代價的降低成本方案實不可取，也隱患極大。
三、H-2152固化劑的性能及參考配方
H-2152固化劑系淺棕色改性脂肪胺類固化劑，分子結(jié)構(gòu)中既含有剛性結(jié)構(gòu)又含長鏈結(jié)構(gòu)，因此該固化劑既具備足夠的韌性和粘接強度，又具備良好的耐溫耐濕熱老化性能，即使低溫0°C固化仍能達到較高的交聯(lián)密度。它具有氣味小、毒性低、韌性好，具有表面活性，滲透性好，對填充料親和性好，不易分層，不含游離酚，低溫潮濕面粘接強度好，對多種金屬、塑料、鋼筋混凝土等大多數(shù)材質(zhì)具有較好的粘接強度。
經(jīng)過對材料的反復(fù)篩選，和對多個配方的交叉應(yīng)證實驗和測試，我們提出了以下參考配方：
粘鋼膠主劑：
環(huán)氧128 31
活性稀釋劑692 3
400目活性硅微粉 65.8
白炭黑 0.2
合計 100份
粘鋼膠固化劑：
粘鋼膠專用固化劑H-2152 33
400目活性硅微粉 65.8
白炭黑 0.2
NP 1
合計 100份
配比：100/50(重量比)
活性硅微粉用偶聯(lián)劑處理效果比較好的準(zhǔn)球形400目粉料。
四、 用H-2152粘鋼膠專用固化劑制作的粘鋼膠測得的性能參數(shù)
粘鋼膠A類膠測試項目 國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值 測試值
固化物 強度
抗拉強度（MPa） 》30 47
彈性模量（MPa） 》3500 3980
伸長率（MPa） 》1.3 1.66
抗彎強度（MPa） 》45 55
抗壓強度（MPa） 》65 81
粘接強度
鋼-鋼對接粘接抗拉強度（MPa） 》33 41.3
鋼-鋼拉伸剪切強度（MPa） 》15 17.8
與混凝土正拉（MPa） 》2.5 2.6(混凝土破壞)
沖擊剝離長度（mm） 《20 14
濕熱老化抗剪降低率% 《10 7.2
凍融循環(huán)50次抗剪降低率% 《5 2.3
本參數(shù)依照上述配方，在常溫15-18°C下放置12小時，再進60°C 3小時固化，冷卻后測得的參數(shù)，不排除固化工藝不同測得的參數(shù)的差異。
綜上所述，針對粘鋼膠的特殊要求，我們設(shè)計研發(fā)了H-2152固化劑，它對建筑粘鋼膠耐熱、耐老化、易分層、滲透性、韌性、粘接強度等性能均有較大提高，可以提升粘鋼膠的性價比。也期待建筑膠同行能給我們提出更多的要求和建議，大家相輔相成，共同推動行業(yè)的進步和發(fā)展。
參考文獻： 1） 胡玉民 吳良義 固化劑 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004
2） 賀曼羅 王文軍 賀湘凌 建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑與施工應(yīng)用技術(shù) 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016
特別鳴謝：中科院大連物理化學(xué)研究所退休教授級高工賀曼羅老師不顧年事已高，對本文提出了不少修改意見，特此鳴謝！
關(guān)鍵詞：粘鋼膠，固化劑，表面活性，熱變形溫度
建筑結(jié)構(gòu)膠黏劑以其極佳的粘接強度和良好的耐老化性在建筑加固行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。將鋼板用粘鋼膠粘接于混凝土構(gòu)件的表面，形成一個堅固的整體結(jié)構(gòu)，利用鋼板的綜合強度以提高構(gòu)件的承載能力，這就是粘鋼膠的作用。而建筑加固的效果、承載能力的提高幅度由粘鋼膠的粘接強度和材料強度決定，同時粘接接頭要承受溫度、濕度、溫差變化、風(fēng)化、機械應(yīng)力等各種外部因素的常年侵蝕，建筑乃百年大計，對粘鋼膠的耐久性提出了更高的要求。 因此，粘鋼膠不同于一般的膠黏劑，其對固化劑的要求自然有其獨特性。
一、 國家標(biāo)準(zhǔn)GB50728-2011對粘鋼膠的要求
1、 對鋼板和混凝土需具備極佳的附著力。
2、 適應(yīng)一定濕度的固化環(huán)境和混凝土表面。
3、 足夠的韌性，能承受機械應(yīng)力和溫差應(yīng)力。
4、 耐久性、耐老化性滿足建筑使用要求。
5、 因無法加溫固化，即使冬季也要常溫固化。
6、 需通過添加較多的填充料降低收縮，減小應(yīng)力，有針對性的提高某些性能。 配方的設(shè)計是多方面材料的有機配合，既可以通過環(huán)氧或者固化劑改性達到目標(biāo)，也能通過不同原材料的組合達到效果，但是選擇一種合適的固化劑應(yīng)該是最直接、最具性價比的方案。
二、 對粘鋼膠固化劑的要求
1、固化劑要設(shè)計為具有表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)。
1.1金屬鐵屬于活潑金屬，極易在自然環(huán)境中氧化，表面形成一層疏松的氧化層，在粘鋼膠和鋼板之間形成隔離帶，即使在涂膠前對鋼板表面進行噴砂或者打磨處理，仍會有死角位置或者處理不到位的情況，或者處理放置后一定時間，在濕度環(huán)境下仍會繼續(xù)氧化。
1.2混凝土表面總是吸附著一層水分，在室外施工有表面潮濕甚至帶水的情況存在，尤其在南方多雨季節(jié)，施工過程中很難通過設(shè)備或者工藝烘干混凝土表面。
1.3粘鋼膠中一般會添加較多量的填充料以降低成本，減小收縮，但是填充材料的添加會對固化物的性能造成影響，如抗拉強度、伸長率、粘接強度均會體現(xiàn)為下降的趨勢，而下降的幅度取決于環(huán)氧體系同填充料的親和性。而且，填充料尤其是非活性填充料的添加極易導(dǎo)致膠水和填充料的相容性變差，膠水分布不均，易出現(xiàn)分層或沉淀現(xiàn)象，導(dǎo)致固化物性能的不穩(wěn)定。 因此，選擇一支具有表面活性的固化劑有利于解決相關(guān)的問題。
2、固化劑要具有耐濕熱、耐老化、耐久性的特點
一般的聚酰胺樹脂從建筑結(jié)構(gòu)膠領(lǐng)域的逐漸退出，是因為其耐濕熱、耐老化及熱變形溫度低等諸多性能的缺陷。粘鋼膠固化劑需具備抗水性好，長期濕熱條件下不水解、不分解、不斷鏈，一定溫度條件下老化速度慢，膠體強度下降幅度低等特點，GB50728-2011要求A類膠HDT>65°C,而一般脂肪胺經(jīng)過改性后，耐熱性難以達到65°C的熱變形溫度。因此，選擇環(huán)式脂肪胺或者芳香胺改性固化劑，有可能滿足耐熱性和耐老化性的要求。
3、常溫甚至低溫條件下的固化交聯(lián)度。
環(huán)氧的固化度跟外部環(huán)境提供的溫度和時間相關(guān)，固化度直接影響膠體強度和粘接強度：采用同種環(huán)氧樹脂，在同等環(huán)境溫度下固化，其交聯(lián)度取決于固化體系的活化能。因此，采取通用的環(huán)氧樹脂，固化劑的選擇決定了固化體系的活化能，而活化能較低的固化體系具有常溫條件下較高的固化度和機械強度。
4、固化物的韌性
環(huán)氧樹脂固化物一般偏脆性，需通過添加增韌劑或者采取增韌改性的固化劑提高固化物的抗沖擊強度和變形能力，以抵抗外部應(yīng)力或因冷熱收縮產(chǎn)生的應(yīng)力。 GB50728-2011對伸長率和鋼-鋼的T型沖擊剝離長度提出了要求。而各種增韌劑因增韌原理不同側(cè)重點也不同，有些對提高沖擊強度顯著，有些對提高伸長率更加明顯，配方設(shè)計者需要根據(jù)需要的性能選擇。在固化劑中引入長鏈的分子結(jié)構(gòu)，有利于提高斷裂伸長率和剝離強度，相當(dāng)于固化劑可以代替增韌劑的功能，從而省略增韌劑的成本，不失為提高性價比的一個優(yōu)選方案。
5、對鋼板和混凝土基材的粘接強度
5.1一定表面活性的環(huán)氧體系有利于滲透，而膠水滲透后的固化物有機械鉚合的效果，從而提高體系的粘接強度。 5.2鋼板和混凝土基材均為極性表面，固化劑分子結(jié)構(gòu)中或者反應(yīng)過程中形成的大量羥基會與粘接表面形成氫鍵合結(jié)構(gòu)，粘接強度大幅度提高；反之，若材料消耗羥基，則粘接強度大幅度下降。因此，固化劑的合理選擇是提高粘接強度的決定性因素。
6、合適的彈性模量
常溫固化物較高的交聯(lián)密度以及體系中大量剛性結(jié)構(gòu)的存在，會導(dǎo)致固化物較高的彈性模量。因此，合理控制分子中長鏈結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)的比重，既能提高伸長率，又能達到合適的彈性模量。
7、添加較多的填充料
填充料的添加量不但跟填料的種類、配合、目數(shù)、形狀、親油性等有關(guān)系，還跟體系的混合粘度、分子結(jié)構(gòu)有關(guān)系。選擇具有表面活性的固化劑組成的環(huán)氧體系，可以起到表面活性劑的效果，直接處理填充料，不但可以減慢分層沉降，還可以增加加粉量，以降低成本，并能相對提高膠體的抗拉強度、抗壓強度等指標(biāo)。
綜上所述，設(shè)計一個性價比高的粘鋼膠配方，必須選擇一個有針對性的粘鋼膠專用固化劑，這樣不但可以提高加粉量來降低成本，而且性能達到國標(biāo)要求，單純追求以低價位材料，以犧牲性能為代價的降低成本方案實不可取，也隱患極大。
三、H-2152固化劑的性能及參考配方
H-2152固化劑系淺棕色改性脂肪胺類固化劑，分子結(jié)構(gòu)中既含有剛性結(jié)構(gòu)又含長鏈結(jié)構(gòu)，因此該固化劑既具備足夠的韌性和粘接強度，又具備良好的耐溫耐濕熱老化性能，即使低溫0°C固化仍能達到較高的交聯(lián)密度。它具有氣味小、毒性低、韌性好，具有表面活性，滲透性好，對填充料親和性好，不易分層，不含游離酚，低溫潮濕面粘接強度好，對多種金屬、塑料、鋼筋混凝土等大多數(shù)材質(zhì)具有較好的粘接強度。
經(jīng)過對材料的反復(fù)篩選，和對多個配方的交叉應(yīng)證實驗和測試，我們提出了以下參考配方：
粘鋼膠主劑：
環(huán)氧128 31
活性稀釋劑692 3
400目活性硅微粉 65.8
白炭黑 0.2
合計 100份
粘鋼膠固化劑：
粘鋼膠專用固化劑H-2152 33
400目活性硅微粉 65.8
白炭黑 0.2
NP 1
合計 100份
配比：100/50(重量比)
活性硅微粉用偶聯(lián)劑處理效果比較好的準(zhǔn)球形400目粉料。
四、 用H-2152粘鋼膠專用固化劑制作的粘鋼膠測得的性能參數(shù)
粘鋼膠A類膠測試項目 國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值 測試值
固化物 強度
抗拉強度（MPa） 》30 47
彈性模量（MPa） 》3500 3980
伸長率（MPa） 》1.3 1.66
抗彎強度（MPa） 》45 55
抗壓強度（MPa） 》65 81
粘接強度
鋼-鋼對接粘接抗拉強度（MPa） 》33 41.3
鋼-鋼拉伸剪切強度（MPa） 》15 17.8
與混凝土正拉（MPa） 》2.5 2.6(混凝土破壞)
沖擊剝離長度（mm） 《20 14
濕熱老化抗剪降低率% 《10 7.2
凍融循環(huán)50次抗剪降低率% 《5 2.3
本參數(shù)依照上述配方，在常溫15-18°C下放置12小時，再進60°C 3小時固化，冷卻后測得的參數(shù)，不排除固化工藝不同測得的參數(shù)的差異。
綜上所述，針對粘鋼膠的特殊要求，我們設(shè)計研發(fā)了H-2152固化劑，它對建筑粘鋼膠耐熱、耐老化、易分層、滲透性、韌性、粘接強度等性能均有較大提高，可以提升粘鋼膠的性價比。也期待建筑膠同行能給我們提出更多的要求和建議，大家相輔相成，共同推動行業(yè)的進步和發(fā)展。
參考文獻： 1） 胡玉民 吳良義 固化劑 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004
2） 賀曼羅 王文軍 賀湘凌 建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑與施工應(yīng)用技術(shù) 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016
特別鳴謝：中科院大連物理化學(xué)研究所退休教授級高工賀曼羅老師不顧年事已高，對本文提出了不少修改意見，特此鳴謝！
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