| 环氧树脂建筑结构胶配方设计中固化剂的选用
周建民 李慧 （长沙市化工研究所，湖南长沙410007） 20世纪50～70年代，地震的破坏给建筑界提出了严峻的课题，即如何修复 或加固那些不足以推倒重来的建筑。以1971年美国加州圣佛南多地震破坏后对 137m高市政大厦的修复为代表，建筑修补和加固便成为业界关心的课题，而20 世纪的日本阪神大地震后的道路、桥梁和建筑物的修复和加固则把环氧树脂建 筑结构胶全面地展现在我们面前。在国内，20世纪80年代以中科院大连化物所 的JGN建筑结构胶开发和国外建筑结构 胶在我国的实际应用为契机，我国的环 氧树脂建筑结构胶及其应用已全面进入实用阶段。环氧树脂建筑结构胶经过 20~30年的培育已成为当今建筑修补与加固用的主要胶种，发展十分迅速。本文 对建筑结构胶的分类、组成、特点和应用作了扼要介绍，特别对配方设计中固化 剂的选用作了深入的探讨，并根据市场需求和应用情况对建筑结构胶的未来作了展望。 环氧树脂建筑结构胶的分类、组成、特点和应用 1 分类 按其应用用途大致分为：加固用、锚固和锚栓用、修补用和其他用途建筑结 构胶；按施工状态分类可分为：灌注用、涂敷用和特殊型建筑结构胶（如药包型）。 国内环氧树脂建筑结构胶品种大致 有粘钢加固建筑结构胶、结构灌注胶、植 筋锚固胶、裂缝低粘灌封胶、碳纤维加固专用胶等产品。 2 组成 通过剖析建筑结构胶的经典配方， 我们发现环氧树脂建筑结构胶大致有如 下几种材料组成：环氧树脂及其复合体系（如E44、E51、E20和AG80等的复合体系）、增韧剂、固化剂、填料和其他助剂，为满足建筑结构胶的性能要求，有些 还需要加入一些其他组分，如稀释剂、偶联剂、溶剂等，其中固化剂的性能决定了整个环氧树脂建筑结构胶的基本性能。 因此，固化剂的选择成为环氧树脂建筑 结构胶的性能优劣之关键所在。 3 特点 环氧树脂建筑结构胶大致有如下几 个方面的特点：①能粘接不同性质的材 料；②粘接强度高；③粘接处受力均匀， 不易产生应力集中现象，耐疲劳抗裂性、 整体性好；④粘接工艺简单、操作方便、 施工速度快、效率高、工期短、成本低、效 果好；⑤建筑结构胶固化时间短，适用于 各类应急、抢修工程的补强、加固等。 4 应用 环氧树脂建筑结构胶可广泛适用于结构粘钢加固、碳纤维粘贴加固、混凝土 裂缝注胶维护加固、湿式外包钢加固、混凝土中钻孔埋植钢筋(或螺栓)、混凝土表面及内部缺陷修补、新老混凝土界面处理和混凝土表面涂刷防护等方面。 固化剂的选用 环氧树脂的本身性质决定了固化剂的重要作用。固化剂作为配方中最重要的决定因素需在配方设计中加以认真考虑。由于环氧树脂建筑结构胶的应用环 境各异，下列几个关键因素应作为配方 设计的重中之重：①固化因素：高活性； ②环境因素：憎水性；③结构要求：胶接 强度和耐湿热持久性；④施工因素：适宜的粘度、可操作性、安全性；⑤经济因素等。 1 环氧树脂的开环活性 在建筑结构胶中使用的环氧树脂一般是双酚A型环氧树脂，采用胺类固化 剂配方体系，这主要基于建筑结构胶施工环境等诸多因素。环氧树脂的开环反应活性由本身结构包括取代基的电子效应所决定。在各类环氧树脂中，缩水甘油 基型环氧树脂反应活性比较大，脂环族环氧树脂的活性相对要低得多，部分脂 环族环氧树脂可以用芳香胺固化，绝大部分只能用有机酸酐或是BF3固化，不易配制常温固化型胶粘剂。双酚A环氧 树脂可以按一定比例用改性胺或低分子聚酰胺等在室温固化。通常，用聚酰胺固化双酚A环氧树脂，室温拉伸剪切强度 可达20MPa，但在低温下（<10℃）则固化不xx；在20℃，也需要较长的固化周 期。 在一些配方中常加入一些如间苯二酚甲醛树脂的环氧化物和环氧化酚醛树 脂等以提高交联度，改进高温性能；也加入一些如双环氧或单环氧活性稀释剂，以此来降低主体环氧树脂的粘度，这些 对环氧树脂的高温性能影响较小。加入 一些如液体聚硫橡胶等的增韧剂可以提高柔性；芳香胺可以弥补低分子聚酰胺 固化体系高温性能差的缺陷。 有实验证明，在双酚A环氧树脂与改性胺的反应中，如果加入25％间苯二 酚，可以使反应速度提高10倍。但这一类物质会影响高温强度和耐介质性。把 羟基直接引入环氧树脂结构中，如在双酚A环氧树脂的环氧基邻位引入一个羟甲基，该环氧开环活性比双酚A双缩水甘油醚环氧高出10倍，引入二个羟甲基，反应活性高出20倍。这种环氧可以作为室温、甚至在－5～－10℃低温下快速 固化的环氧建筑结构胶粘剂。这为我们设计低温条件下使用的环氧树脂建筑结 构胶提供了很好的思路。 2 固化剂的反应活性 在室温条件下，要做到从几秒到几分钟之内就使环氧树脂固化并不是一件 难事，但由于这样的固化体系使用时间极短，且胶的性能差，故缺乏实际使用价值。常用的环氧树脂室温固化剂是脂肪胺、改性脂肪胺等。在大面积土木建筑或水利工程中，经常用这类固化剂来固化 环氧树脂作为水坝、涵洞建筑的加固胶。此外，还有以低分子聚酰胺和环氧树脂为基料的胶粘剂，在建筑结构胶中可用来粘接钢板。 由于一年四季气候变化，给室温固 化带来了复杂性，夏天气温在25℃以上 可以固化的建筑结构胶配方，在冬天户 外平均-5～-10℃以下的气温条件则不一 定能固化。如脂肪族胺类以及低分子聚 酰胺虽然可以在20℃左右固化环氧树 脂，但固化速度慢，不能满足快速固化的 要求，亦不能在低温固化一般环氧树脂； 此外，由于水溶性大，不能在高潮湿表面 和水下使用。一些改性脂肪胺也有类似 的缺点，例如二乙烯三胺与环氧乙烷加 成物会吸水变质，氰乙基化二乙烯三胺 活性低，固化速度比二乙烯三胺还慢。 3 憎水性 在建筑工程的改造和修补过程中， 环境有时不会像人们期待的那样适合 建筑结构胶的应用，水或潮湿环境是经常遇到的问题。脂肪胺类固化剂一般水 溶性较大，在水或潮湿环境下固化速度较慢，且强度低。采用低分子聚酰胺作 固化剂，在水中的白化情况亦比较厉害。这些对建筑结构胶的强度及其综合性能都将产生不良影响。酚醛改性胺类环氧树脂固化剂由于分子结构中有苯环的存在，其憎水性得到了较好的表达。 4 高活性及憎水性固化剂 满足上述要求的固化剂种类有:酚 醛胺系列、酮亚胺系列、脂肪胺或芳香胺 与环氧化物的加成物、多胺与硫脲缩合 物、聚硫醇等。 4.1酚醛胺 这一类固化剂的典型代表是T31环 氧树脂固化剂，由于分子结构中含有羟 基和羟甲基，对固化有促进作用，固化速 度比多乙烯多胺显著加快。添加促进剂可明显促进酚醛胺固化剂的固化。在国内环氧固化剂中，这一类产品和产量占相当的比例。为加强建筑结构胶的综合性能，酚醛胺固化剂常与低分子聚酰胺等其他固化剂混合使用。 4.2 酮亚胺 用多元胺和酮类反应，以制备烯酮缩合物。这类固化剂有较长的使用期，非常适合应用在潮湿环境。这类固化剂在没有接触水时是稳定的，遇到水分则发生可逆反应，亚胺键分解而释放酚醛胺固化环氧树脂。另一种方式是多乙烯多 胺与酮直接反应所生成的酮亚胺，也可以同样的方式固化环氧树脂。 4.3 脂肪胺或芳香胺与环氧化物的加成物 有资料表明，这类固化剂在促进剂 作用下同样具有低温固化性能。如DDM 和异辛基缩水甘油醚的反应产物在0℃ 可以固化环氧树脂，且具有优良的耐介 性；和聚酰胺配合使用可获得一种性能 较好的建筑结构胶。 4.4多胺与硫脲缩合物 这类固化剂的特点是速固性。市场 上少见单独使用，一般是作为改性胺类固化剂的加速剂使用。 4.5 聚硫醇 该类固化剂的特点就是可低温快速固化。经典方法是聚硫醇加叔胺促进剂作固化剂，这样的配合，即便是采用双酚A环氧树脂在－20～0℃的温度下也能固化。但有数据表明，单独使用聚硫醇和叔胺促进剂，在建筑结构胶中性能并不能获得满意效果。新的技术表明，将改性胺和该体系配合使用可获得良好效果。 4.6其他 如上所述，聚酰胺单独使用对建筑结构胶存在某些不利影响，但它可以与 其他快速、憎水固化剂配合使用。 固化剂的复配技术在当今的建筑结 构胶中几乎得到了普遍应用，如650聚 酰胺和810水下环氧固化剂、650和 593、810和聚硫醇等，在未来的实践中， 还将涌现出多种不同的固化剂组合，以 获得更加优异的性能。 展望 建筑结构胶近几年发展迅猛，应用领域日益广泛，胶粘剂品种日趋增多，应 用工艺也日益成熟。随着建筑结构胶的应用领域进一步拓展以及行业标准逐步成熟规范，许多更高要求的胶粘剂还需要我们做进一步的开发研究，作为直 接决定胶粘剂使用性能的高性能固化剂的开发工作也摆在了各位从业人员 的眼前。有必要对下列各类型固化剂加大研究和应用开发力度：①低温固化型固化剂，北方地区冬季施工困难，需要在-15℃甚至更低气温下施工使用，要求10天内xx固化，综合性能全面。目前仍是难题。②常温固化耐高温固化剂，要求固化剂可室温固化，可在高温（如 150℃）条件下长期使用。如何提高耐温 性能及强度需进一步努力。③高强度固 化剂，要求剪切强度大于30MPa，拉伸强 度大于50MPa，可使一些不能加固的场所实现粘接加固。需进一步降低生产成本，拓展应用。 ④环保型固化剂，环保型固化剂是固化剂发展的新兴领域，低毒、 低VOC的水基环氧胶对混凝土渗透性好，可潮湿面固化，施工时粘度可调，但仍需进一步提高水性固化剂的固化强度。另外，单组分潜伏型固化剂使用方便，环保节能，含湿敏性潜伏性固化剂在预置混凝土构件及潮湿工作面的土木建筑领域的应用已取得很好效果，但仍需进一步改善其耐水性、耐湿热性及韧性。 建筑结构胶的迅猛发展也给环氧固化剂带来了良好的发展契机，节能高效、 绿色环保应是我们研发工作思考的首要原则。 从应用方面来看，环氧树脂建筑结构胶的应用已拓展到众多领域，研究者要根据现场实际情况设计和选用建筑结构胶，方能有的放矢，对工程进行修复加固，做到万无一失，对人民生命财产负责。在未来建筑结构胶的设计和选用中，要着重解决胶的耐湿热老化问题。从目前市场中出现的施工质量问题来看，解决这个问题已迫在眉睫，这有待业内专家和企业家认真对待。 参考文献 [1]余云照.合成胶粘剂[M].北京:科学出版社，1980 [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]胡玉明，吴良义.固化剂[M].北京：化学工业出版社，2004 |
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