手机资讯
官方微信摘要 陈健聪，彭勃(湖南大学土木工程学院，湖南长沙410082) 摘要：通过高速研磨制备的纳米SiO2改性环氧树脂结构胶综合性能优良。实验表明：当纳米SiO2掺混量为10%，环氧树脂的...
陈健聪，彭勃
(湖南大学土木工程学院，湖南长沙410082)
摘要：通过高速研磨制备的纳米SiO2改性环氧树脂结构胶综合性能优良。实验表明：当纳米SiO2掺混量为10%，环氧树脂的触变指数为5.8；当纳米SiO2掺混量分别为5%和3%时，钢-钢剪切强度和冲击强度分别为21.3MPa和5.3kJ/m2，分别提高23.8%和23.5%。SEM照片表明纳米SiO2对环氧树脂结构胶有明显的诱发银纹的能力，高速研磨的分散工艺简单，分散效果良好，这种分散方法在结构胶改性领域中有积极的工程推广和应用价值。
关键词：纳米二氧化硅；环氧树脂；结构胶；改性
中图分类号：TQ433．4；TB 383 文献标识码：A 文章编号：1002-7432(2006)05-0017-04
0引言
纳米SiO2粒径通常为20～60nm，化学纯度高，分散性好，比表面积大，是目前世界上大规模工业化生产的产量最高的一种纳米粉体材料，应用涵盖塑料、橡胶、陶瓷、涂料、胶粘剂等行业众多生产领域。在建筑胶粘剂行业中，纳米SiO2主要作为一种增稠触变剂使用[1.2]，学术界已有很多对纳米SiO2增强增韧环氧树脂的研究，大多通过超声处理的分散方法[3，4]。然而超声处理较难在生产实践中推广和应用。作者通过高速研磨的分散方法制备纳米SiO2改性环氧树脂结构胶，环氧树脂结构胶施工时易滴落流挂、脆性大的缺点得到较好的改善，粘接性能也有提高。本文对结构胶的改性工艺简单可行，有积极的推广应用价值。
1实验部分
1.1原材料
环氧树脂E-51(EP)：环氧值0.51，岳阳石油化工总厂；纳米SiO2：比表面积380m2/g，平均粒径20nm，表观密度30g/cm3；固化剂：自制[5]，外观呈黄棕色透明黏稠，胺值415，黏度(23℃)16～18Pa•s；活性增韧稀释剂：其主要成分为丁基缩水甘油醚，黏度(25℃)1.5～3.5mPa•s；偶联剂，KH-550，为氨基官能团硅烷，中科院生产；消泡剂，BMC888，德国产。
1.2测试项目
测试项目及测试标准如下：黏度，GB/T 2794-1995；触变指数，《片材加固修复用粘接树脂(送审稿)》；钢一钢粘结剪切强度，GB/T 7124-1986；浇铸体拉伸强度，GB/T 2794-1995；浇铸体冲击强度，GB/T 2571-1995。
1.3主要设备
实验采用的仪器设备主要有：电子万能试验机，WDWl00，中国科学院长春科新公司试验仪器研究所；高速研磨分散机，真空捏合机，DL-01，DL-02，湖南固特邦土木技术发展有限公司；恒温箱，DL302，上海吴淞五金厂制造；旋转黏度计，NXS-11A，成都仪器厂；应变仪，V020616，冶金部钢铁研究总院。
1.4试样制备
各种材料配方均以EP100g为标准，基体配方为m(EP)：m(固化剂)：m(稀释剂)：m(偶联剂)=100：42：12：2，将纳米SiO2按不同掺混量和环氧树脂以及稀释剂先在高速研磨机中研磨(研磨料直径为2mm锆珠)30min后，经真空捏合机搅拌10min后倒出A组分，静置3d后和B组分(固化剂和偶联剂)按比例混合，制成各种试件，测试其7d的各种性能。
2结果和讨论
2.1纳米SiO2对环氧树脂流变性能的影响
图1、图2分别为纳米SiO2的掺混量对环氧树脂流变曲线和表观黏度的影响，表1为纳米SiO2改性EP流变曲线的回归方程。
表1纳米SiO2改性环氧树脂流变曲线的回归方程
由表1可知：环氧树脂为典型的牛顿流体，τ随着Ds的增加成线性比例增长，在12份稀释剂下的黏度为0.79 Pa•s；掺混3%纳米SiO2的环氧树脂的流体模型为近似牛顿流体，随着Ds的增加，黏度基本上保持在3.8 Pa•s的水平，Ds-τ回归方程为不过原点的直线，掺混5%和10%纳米SiO2的环氧树脂的流体模型不再是牛顿流体，随着Ds从2.51 s-1增大至89.62，黏度分别从10.71 Pa•s和41.06 Pa•s下降至4.45 Pa•s和3.23 Pa•s，在Ds为22.41附近胶体开始产生剪切屈服，取屈服黏度之前的Ds-τ关系进行回归，两者符合幂函数关系。
随着纳米SiO2掺量的增加，EP从牛顿流体向触变性流体转变。通过纳米SiO2颗粒相互之间的吸附形成SiO2的网络结构，使环氧树脂变成凝胶，这是纳米SiO2使EP的流变性能发生巨大变化的主要原因。结构胶具有良好的触变性能使得它在施工中抗流挂、抗滴落，有重要的工程意义。
2.2纳米SiO2对环氧树脂结构胶粘接性能和冲击性能的影响
环氧树脂结构胶的粘接强度主要由钢-钢剪切强度R抗剪反映，由图3可知，随着纳米SiO2的掺入，R抗剪有较好的改善。常温固化时，纳米SiO2各掺混量下均高于基体17.2 MPa的水平。当纳米SiO2的掺混量为5%时，R抗剪为21.3MPa，比基体提高23.8%。
当纳米SiO2掺混量为3%时，环氧树脂结构胶的冲击强度最高为5.3 kJ/m2，比纯环氧树脂的4.3 kJ/m2提高23.5%，纳米SiO2掺混量为5%结构胶的冲击强度下降至4.4 kJ/m2左右，跟基体的水平相当。
图4为基体和质量分数为5%纳米SiO2的剪切试件的局部破坏面。通过对比分析可知，图(a)中显示基体的断口比较平整光滑，粘接面上发生了大面积界面破坏，(b)中显示含纳米SiO2的断口比较粗糙，在钢片上留下很多结构胶的毛刺，表明在受剪过程中，结构胶中的纳米SiO2能够很好地发挥银纹化作用，使得试件在开裂时其裂缝能向各个方向发展，从而缓解了应力集中和增加了破坏所吸收的能量。钢片残留的胶层上留下了钢片打磨后的痕迹，含纳米SiO2的结构胶能更好的浸润被粘物表面，从而提高了其粘接强度。从破坏的形式分析，含纳米SiO2的结构胶剪切试件同时发生了界面破坏和内聚破坏，破坏的情况比基体主要发生界面要好。
表2为纳米SiO2改性环氧树脂结构胶冲击断口的破坏形式，纯环氧树脂的冲击断口为齐口冲断，基体中质量分数为3%以上纳米SiO2的断口被摆锤冲成几块，主要因为纳米SiO2在基体中能较好地诱发银纹，受冲击荷载时，裂缝通过银纹化作用向各个方向展开，使得结构胶吸收的断裂能增大，冲击强度有所提高。
表2纳米SiO2改性环氧树脂结构胶冲击断口的破坏形式
图5为基体和纳米SiO2改性后结构胶的冲击断口。图(a)、(b)断口试样放大5000倍的断口形貌，在相同的放大倍数下，基体的断裂都呈块状，而含纳米SiO2试样的裂纹比基体的要多十几倍，纳米SiO2诱发的银纹使基体向各个方向开裂，从而大大地增加了吸收的能量，使得改性后的结构胶的冲击强度有较大的提高。图(c)显示纳米SiO2在基体中分散较为均匀，部分纳米级裂缝延伸至纳米SiO2终止处。不过由于纳米SiO2的掺人也会引入部分气泡，气泡量的多少跟纳米SiO2的掺混量有关，环氧树脂在纳米SiO2掺混量超过3%以后冲击强度的下降与此有关。质量分数为5%的纳米SiO2环氧树脂的触变性已经非常明显，在浇铸试件的过程中，因为两组分搅拌而混入的很多气泡在触变性大的胶体中已经不能自动溢出。另外，纳米SiO2的掺混量增大团聚的可能性也增大，也是冲击强度下降的原因之一。环氧树脂结构胶的冲击强度反映其在受到冲击荷载作用瞬间吸收能量的能力以及间接反映基体的韧性。环氧树脂是一种脆性材料，脆性较大是其缺点之一。综合冲击实验的各种分析，纳米SiO2在环氧树脂里面诱发银纹的能力明显，改善了环氧树脂的脆性，对环氧树脂有一定的增韧作用。
2.3纳米SiO2对环氧树脂结构胶拉伸性能的影响
由图6可知，随着纳米SiO2用量的提高，环氧树脂结构胶的拉伸强度略呈下降趋势，在纳米SiO2低掺混量时，结构胶的拉伸强度略有提高，这个幅度约为5%，而弹性模量则有较大提高，当纳米SiO2的掺混量为5%时，弹性模量为2.97GPa，比基体提高52.3%。在加固工程中，混凝土和钢板的弹性模量比结构胶要高，改性后的结构胶弹性模量的提高有利于和混凝土、钢板粘结以后应力的均匀传递、一起共同工作。少量纳米SiO2对结构胶的拉伸强度没有影响，掺混量增大至10%，其拉伸强度下降14%。主要原因有两方面：一方面由于纳米SiO2掺入到环氧树脂结构胶中，两组分混合后会混人一些气泡，纳米SiO2越多胶体触变性越好，气泡上升至液面受到的阻力越大，溢出难度增加，试件中混入了一些微小气泡在受拉过程中产生应力集中，导致拉伸强度的降低；另一方面，纳米SiO2和环氧树脂的弹性模量不一致，在受拉过程中两者的弱边界层容易出现缺陷使得裂纹从此处迅速延伸开来，纳米SiO2掺混量越多这种缺陷产生的机会越大，使得拉伸强度有所降低。不过从断口的破坏形式(表2)来看，纳米SiO2掺混量超过2%以后，断口都是断裂成几块，这是由于纳米SiO2在基体中受到拉伸应力时发挥出诱发银纹的作用使得试件开裂沿着不同方向发展。这种破坏形式有利于破坏能量的吸收而提高试件的拉伸强度。不过这个有利条件跟前面所述由于纳米SiO2用量增大而引入气泡的影响相比要小，结构胶总体上还是表现出下降的趋势。
表3含纳米SiO2的环氧树脂结构胶拉伸断口破坏形式
3结论
1)纳米SiO2对环氧树脂结构胶的流变性能改善显著，随着纳米SiO2掺混量的增大，环氧树脂从牛顿流体向触变性流体转变。当纳米SiO2的掺混量为5%和10%时，结构胶的触变指数为1.8和5.8。2)纳米SiO2对结构胶有较好的增韧作用。当纳米SiO2的掺混量为5%时，钢-钢剪切强度21.3 MPa，提高23.8%；当纳米SiO2的掺混量为3%时，结构胶的冲击强度为5.3 kJ/m2，提高23.5%。在低掺混量范围内，纳米SiO2对环氧树脂结构胶的拉伸强度没有明显影响，其掺混量增大结构胶的拉伸强度呈下降趋势，但弹性模量有52.3%的提高，有利于工程应用。3)SEM实验表明高速研磨的分散方法，纳米SiO2在环氧树脂中分散基本均匀，纳米SiO2诱发银纹能力明显，是增韧环氧树脂结构胶的主要原因。通过高速研磨的方法制备的纳米SiO2改性环氧树脂结构胶的综合性能良好，有积极的工程推广价值。
参考文献：
[1]贺曼罗．建筑结构胶粘剂施工应用技术[M]．北京：化学工业出版社，2001．
[2]王德中．环氧树脂生产与应用[M]．北京：化学工业出版社，2001．
[3]Alphonsus V Pocius．粘接与胶粘剂技术导论[M]．北京：化学工业出版社，2005．
[4]邓亚萍．纳米SiO2：对环氧树脂浇铸体性能的影响[J]．西北工业大学学报，2002(8)：492-496．
[5]陈健聪，彭勃．有机蒙脱土改性环氧树脂结构胶粘剂的性能研究[J]．热固性树脂。2006，21(2)：25-29．
豫公网安备41010202002333号