新型水下结构胶的性能研究

孙 勇，李红旭，蒲国民，王文军

（大连凯华新技术工程有限公司，辽宁 大连 116011）

普通结构胶，通常只能在干燥的被粘物表面进行粘接，当其在遇水、表面潮湿或水下使用时，粘接强度往往会急剧下降，有的甚至无法粘接[1]。水下结构胶因其具有良好的憎水性可以水下涂胶、水下粘接和水下固化[2]，可广泛应用于各类带水粘接工程中，例如港湾工程的修补和加固，地下和海底隧道的防渗堵漏、船舶壳体的水下堵漏以及建筑水坝与桥梁等水工建筑物的修补与加固等[3～6]；水下结构胶因其在干燥下的综合性能较好，也可替代普通结构胶使用。

本研究采用含有活性羟基的长链物质改性聚醚胺，与改性聚酰胺进行复配，制备了一种新型水下结构胶，探讨了影响水下结构胶粘接性能（剪切强度）的几种因素，以及新型水下结构胶的综合性能；对比了单独的改性聚醚胺和改性聚酰胺配制的水下结构胶，其剪切强度明显提升。

1 实验部分

1.1 主要原料

环氧树脂（E-51、E-44），工业级，长春化工有限公司；改性聚醚胺固化剂K、改性聚酰胺固化剂H，大连凯华新技术工程有限公司；促进剂（DMP-30），工业级，常州山峰股份有限公司；苯甲醇（稀释剂），工业级，湖北绿色家园材料技术股份有限公司；液体橡胶（增韧剂）、硅烷偶联剂（KH-560）、消泡剂（BYKA530），工业级，市售；流平剂（BYKP104S），工业级，市售。

1.2 仪器与设备

GB/T 2567—2008《树脂浇铸体性能试样方法》标准中所规定的3种浇铸件模具，自制；NDJ-4 型旋转黏度计，上海精科天平有限公司；W-20型微机控制电子万能试验机，上海华龙测试仪器有限公司。

1.3 水下结构胶的制备

（ 1）甲 组 分 ： 按 m（E-51）∶ m（E-44）=X∶ 1（8＜ X＜ 12）、 增 韧 剂 （ 5%左右）、稀释剂（＜5%）、偶联剂（＜1%）和消泡剂（0.1%～0.3%）进行制备。

（2）乙组分：KH88体系按改性聚醚胺固化剂K（90～100 g）、改性聚酰胺固化剂H（100～130 g）、DMP-30（0～7 g）、稀释剂（0～15 g）和其余助剂（0～1.6 g）；K体系按改性聚醚胺固化剂K（90～100 g）、促进剂（0～7 g）、稀释剂（0～15 g）和其余助剂（0～1.6 g）；H体系按改性聚酰胺固化剂H（90～100 g）、促进剂（0～7 g）、稀释剂（0～15 g）和其余助剂（0～1.6 g）。

（3）水下结构胶：按m（甲组分）∶m（乙组分）= Y∶1（1＜Y＜3）混合均匀进行配制。

1.4 性能测试

（1）水下结构胶的力学性能（拉伸强度、弯曲强度、压缩强度）：按照GB/T 2567—2008《树脂浇铸体性能试样方法》标准，采用微机控制电子万能试验机进行测试[m（甲组分）∶m（乙组分）= Y∶1（1＜Y＜3）混合均匀，分别制备试样，在（23±2）℃下养护7 d]。

（2）拉伸剪切强度：按照GB/T 7124——2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》，采用微机控制电子万能试验机进行测试[制作金属片搭接试件，以2 mm/s的恒定速率加载拉伸载荷，粘接面长度为（12.5±0.25）mm]。

2 结果与讨论

2.1 不同固化剂体系对水下结构胶性能的影响

在水下粘接环境中，水隔离了胶粘剂与被粘物表面的直接接触，往往会使粘接强度降低。不同固化体系在干燥下/水下的拉伸剪切强度如图1所示。甲组分/K体系（改性的聚醚胺体系）、甲组分/H体系（改性聚酰胺体系）、甲组分/KH88体系（改性聚醚胺与改性聚酰胺按照1∶1复配成KH88），以上3个体系甲乙组分质量比均为2∶1，在水下的剪切强度 均 大 于13 MPa，均 可 满 足GB 50728—2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》标准中规定的不小于10 MPa。

由图1可知：K和H体系单独使用的综合粘接性能均表现一般，K体系在干燥下的剪切强度略低，低于18 MPa，但水下剪切强度对比干燥下的不降低；H体系则相反，在干燥下的剪切强度较好，水下剪切强度下降较明显（一般规定下降小于10%）；这2者水下结构胶单独使用会大大限制其应用范围。复配后（甲组分/KH88）体系可以同时兼具良好的憎水性和适宜的亲水性，能够有效提升粘接性能，水下剪切强度明显提升，在干燥下/水下的剪切强度均超过18 MPa，表现了较强的粘接性能。

图1 不同固化体系在A/W下的剪切强度Fig.1 Shear strength results for different curing systems in A/W conditions

2.2 K/H固化剂不同配比对水下结构胶性能的影响

保持甲组分与KH88配比（2∶1）不变，KH88总量不变，对K和H不同复配比例进行测试分析，当m（K）∶m（H）=5∶5和6∶4时，干燥下/水下剪切强度均较高，但m（K）∶m（H）=6∶4时，干燥下压缩强度较低；综合考虑，K与H在5∶5时较适宜，具体数据见表1。

表1 不同K/H质量比的水下结构胶的综合性能Tab.1 Comprehensive performance of underwater structural adhesive with different K/H ratio

2.3 甲乙组分配比对结构胶性能的影响

保持m（K）∶m（H）=1∶1不变，甲组分用量不变，微调乙组分的用量（1.5＜X＜2.5）；干燥下，1～5号样品的剪切强度均较高；水下，4号和6号样品的剪切强度较高；干燥下，1～4号样品的压缩强度均能达到65 MPa以上；综合考虑，当m（甲）∶m（乙）=100∶50[m（K）∶m（H）=1∶1]时，性能较好。具体数据见表2。

2.4 水温和水下放置时间对结构胶性能的影响

水温及水下放置时间对结构胶性能均有一定的影响，温度较低和较长时间水下放置都会在一定程度上减弱粘接性能。

水下放置时间对剪切强度的影响如图2所示，固化体系为m（甲）∶m（乙）[m（K）∶m（H）=1∶1]=2∶1，放置前7 d是在水下[恒温（20±2）℃]，剩余均是在干燥室温下（-15～13 ℃），分别放置0 d、7 d、23 d和53 d共4个不同时间，同时做2组实验（图2中C、D 2条曲线）。由图2可知：随着水下放置时间的增加，在水下剪切强度均下降，放置60 d对比30 d基本不下降，说明到一定时间，剪切强度趋于稳定，大于14 MPa，测试结果均高于GB/T 50728—2011标准中规定的不小于10 MPa。

表2 甲/乙配比不同的结果Tab.2 Results for different A/B mix ratio

图2 水下放置时间对剪切强度的影响Fig.2 Effect of underwater placing time on shear strength

水温对剪切强度的影响如表3所示，固化体系为m（甲）∶m（乙）[m（K）∶m（H）=1∶1]=2∶1，放置时间均为水下7 d，水温分别为0 ℃、室温（-15～13）℃和恒温（20±2）℃这3种条件，各做2组实验，随着水温的升高，水下剪切强度随之逐渐升高。

表3 水温对剪切强度的影响Tab.3 Effect of underwater temperature on shear strength

2.5 新型水下结构胶的综合性能测试

通过实验验证，当m（甲）∶m（乙）[m（K）∶m（H）=1∶1]进行复配时，综合性能相对最优异。在干燥下/水下的剪切强度均大于18.0 MPa；在干燥下的压缩强度均大于65 MPa，弯曲强度大于65 MPa，拉伸强度大于45 MPa，断裂伸长率大于2.5%，见表4。

表4 水下结构胶的综合性能Tab.4 Comprehensive performance of underwater structural adhesive

3 结论

（1）结构胶中甲/乙配比和K/H配比对性能影响均较大，当m（甲）∶m（乙）=2∶1、m（K）∶m（H）=1∶1]时，其综合性能相对最好，干燥下/水下拉伸剪切强度均大于18.0 MPa；干燥下压缩强度大于65 MPa，弯曲强度大于65 MPa，拉伸强度大于45 MPa，断裂伸长率大于2.5%；同时稳定性也较好。

（2）放 置7 d[恒 温 （20±2）℃]+53 d[室温（-15～13）℃]共固化60 d，水下剪切强度大于14.0 MPa；放置7 d（0 ℃）固化，水下剪切强度大于14.0 MPa；该水下结构胶具有较好的水下粘接性及一定的耐寒性。