纳米碳酸钙和硅微粉改性环氧树脂结构胶的力学性能研究

刘纪艳,刘晓龙,段绪胜



纳米碳酸钙和硅微粉改性环氧树脂结构胶的力学性能研究

刘纪艳,刘晓龙,段绪胜*

山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018

试验通过控制环氧树脂结构胶填料种类和掺量，以纳米碳酸钙、硅微粉及两者按1:1组合的组合物作为填料对常用的环氧树脂结构胶进行改性，分析不同填料掺量对环氧树脂（对）结构胶力学性能的影响规律。研究结果表明，纳米碳酸钙对环氧树脂结构胶的抗压性能有一定改善，高掺量的纳米碳酸钙对环氧树脂的拉伸性能没有促进作用；硅微粉能显著改善环氧树脂结构胶的工作性能，对其抗拉强度和抗压强度有很大程度的提高；纳米碳酸钙和硅微粉的组合能产生叠合效应，改性后环氧树脂结构胶的抗压强度提高更为显著，拉伸强度也有明显的提高。

纳米碳酸钙; 5000目硅微粉; 组合填料; 环氧树脂结构胶; 力学性能

环氧树脂结构胶的改性方法有很多，在建筑结构胶中添加纳米材料是一个很好的改性手段，纳米级粒子的比表面积大、粒径小、表面原子占有率高，具有较大的活性[1]。纳米粒子对环氧树脂的改性一直是行业研究领域的重点。但目前关于纳米材料改性环氧树脂的研究没有一个比较完整系统的结论，而且普遍采用的纳米二氧化硅改性环氧树脂结构胶在实际工程应用中成本较高，推广和应用的价值低[2]。5000目的硅微粉粒径为微米级别，活性较高，在填充胶凝材料时能显著提高抗压、抗拉强度，价格低廉，在实际工程中应用价值高。本研究采用纳米碳酸钙、硅微粉（5000目）以及两者按1:1的组合材料为填料对环氧树脂建筑结构胶进行改性，实现填料纳米级别和非纳米级别的组合改性，以期发生叠合效应，对环氧树脂结构胶的力学性能有较大提升。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用的环氧树脂为E-44双酚A型环氧树脂，山东德源环氧科技有限公司生产。固化剂采用低分子聚酰胺和593环氧树脂固化剂，山东德源环氧科技有限公司生产和上海奥屯化工科技有限责任公司生产。偶联剂采用KH-550硅烷偶联剂，南京创世化工助剂有限公司生产，为无色低粘度透明液体，沸点217 ℃，密度0.95 g/cm2，闪点98 ℃。稀释剂为501丁基缩水甘油醚（BGE），上海奥屯化工科技有限责任公司生产，为单环氧基团活性稀释剂，无色透明液体。

1.2 试验设备和仪器

电子万能试验机，型号WDW-100，泰安市路达公路仪器制造有限公司制造；电子引伸计，型号YYU-10/50，钢铁研究总院制造；烘箱，型号FX101-3，上海树立仪器仪表有限公司生产；电子天平，型号I2000，永康市艾瑞贸易有限公司生产；游标卡尺，型号DF160529038，无锡凯保鼎工具有限公司制造。

1.3 试件制备及标准

浇铸体试件的制备标准按照GB/T2567-2008《树脂浇铸体性能试验方法》的要求进行制作，以100 g环氧树脂为基准，固化剂用量为50%，稀释剂用量为10%，偶联剂用量为4%，没有填料掺入的环氧树脂在文中成为基体。各填料的用量分别为3%、5%、7%、10%和15%。

各试验材料通过手动搅拌混合，搅拌时间较长，为消除固化剂对环氧树脂在搅拌过程中的影响，把搅拌物分为A组分和B组分，其中A组分包括：环氧树脂、稀释剂、偶联剂、填料，B组分主要是固化剂的混合物。浇铸体拉伸及压缩试件按照GB/T2567-2008《树脂浇铸体性能试验方法》制备，试件个数为6个（见图1）。将搅拌和消泡后的AB混合胶液倒入相应的模具，60 ℃初固化30 min，胶体达到易塑的固体状态后脱模，在20±5 ℃的环境温度下固化7 d。

图1 浇铸体试件

（a）拉伸试件 Tensile specimen （b）抗压试件 Compression resistance specimen

1.4 试验测试方法

参照GB/T 2567-2008《树脂浇铸体性能试验方法》，用电子万能试验机和电子引伸计测浇铸体试件7天的压缩强度、拉伸强度和弹性模量[3]。以各浇铸体试件抗压强度的算术平均值作为最终的抗压强度。

2 结果与分析

2.1 填料对环氧树脂建筑结构胶的抗压强度影响

3%和5%掺量的纳米碳酸钙改性环氧树脂结构胶的抗压强度为65.36 MPa和67.82 MPa（表1），比基体强度提升3.1%和7.0%，提高幅度较小。纳米碳酸钙为7%掺量时，结构胶的抗压强度最大；当填料大于7%时，抗压强度逐渐减小。5%掺量的硅微粉改性环氧树脂结构胶抗压强度最大（77.57 MPa），比基体强度提高22.4%；当硅微粉掺量大于5%时，抗压强度逐渐减小。组合填料的抗压强度曲线在另外两条曲线之上（图2），说明组合填料的添加在提高结构胶抗压强度上产生叠合效应，显著提高结构胶的抗压强度。组合填料为5%时，结构胶抗压强度为83.21 MPa，提高基体强度31.3%。

表1 不同填料下的抗压强度

2.2 填料对环氧树脂结构胶拉伸性能影响

2.2.1 填料对环氧树脂建筑结构胶抗拉强度的影响5%和7%掺量纳米碳酸钙改性环氧树脂结构胶抗拉强度为38.50 MPa和37.09 MPa（见表2），比基体抗拉强度提高7.2%和3.2%，当填料继续增加时，抗拉强度逐渐变小且低于基体抗拉强度（见图3）。高掺量的纳米碳酸钙加入会引入大量微小气泡，这些气泡在固化过程中只有一部分从表面逸出，剩余分布在浇铸体内，气泡的存在会降低结构胶的抗拉强度（见图4）。

图 2 填料对结构胶抗压强度的影响

图3 硅微粉含量对环氧树脂建筑结构胶抗压强度的影响

3%掺量的硅微粉对环氧树脂结构胶抗拉强度提高较小，硅微粉为5%时，结构胶抗拉强度为46.66 MPa，比基体强度提高29.9%，硅微粉继续增加时，强度略有下降，但基本持平（见图3）。组合填料改性结构胶抗拉强度曲线基本在其他两条曲线之间，低掺量的组合填料对结构胶抗拉强度有较大提高，随着填料的增加，抗拉强度提高幅度基本不变。

图4 环氧树脂结构胶拉伸断裂截面

（a）10%纳米碳酸钙 10% nano CaCO3（b）15%纳米碳酸钙 15% nano CaCO3

表2 环氧树脂结构胶的抗压强度值

2.2.2 填料对环氧树脂结构胶弹性模量的影响随着纳米碳酸钙的增加，环氧树脂结构胶的弹性模量逐渐提高，掺入5%纳米碳酸钙的环氧树脂结构胶的弹性模量为2.49 Gpa，比基体高0.62 Gpa（表3），提高33%；掺入10%纳米碳酸钙的环氧树脂结构胶的弹性模量为3.21 Gpa，比基体高1.34 Gpa，提高72%。

硅微粉的掺入能显著提高结构胶弹性模量，硅微粉掺量为5%时，结构胶弹性模量比基体提高85.0%，硅微粉高于5%时，弹性模量有所下降但仍大幅高于基体弹性模量值；组合填料改性环氧树脂结构胶的弹性模量曲线基本位于其他两条曲线之间，且随着组合填料的增加，弹性模量逐渐提高（图5）。

弹性模量是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，值越大，则材料抵抗变形的能力也越大，即材料刚度越大，在一定力的作用下发生的弹性变形越小[4]。填料的添加能提高环氧树脂建筑结构胶的弹性模量，有利于结构胶在实际工程中的应用。钢材和混凝土的弹性模量高于环氧树脂结构胶，因此，在加固工程中环氧树脂建筑结构胶弹性模量的提高利于构件粘接后应力均匀传播，各构件共同工作。

图5 填料对环氧树脂结构胶弹性模量的影响

表3 填料为硅微粉（5000目）的环氧树脂建筑结构胶抗拉强度表

3 讨论

试验采取添加纳米碳酸钙和非纳米级别的硅微粉组合材料对环氧树脂结构胶进行改性，并发现两种填料的增加具有叠合效应，不仅对结构胶的工作性能有一定提高，而且降低了成本。

改性环氧树脂结构胶粘剂的研究仍有大量工作要做，如利用SEM电镜、磁核共振等方法对环氧树脂结构胶固化物进行微观观察和分析。对环氧树脂胶粘剂的其他性能进行检测，比如：耐介质性、耐久性和抗疲劳性等[5]。在设计环氧树脂结构胶的配方时，采用精准的编程技术和称量仪器，降低残余损失使配方更准确。

4 结论

试验主要以浇铸体试验的拉伸试验和压缩试验为主，研究三种材料对环氧树脂建筑结构胶强度的影响，分析在其他配比一定下同一种填料的掺量对浇铸体试件的拉伸强度、压缩强度和弹性模量值的影响规律。具体结论如下：

（1）通过对环氧树脂建筑结构胶的改性，发现纳米碳酸钙的掺入会使搅拌过程中引入大量气泡，而固化过程中的一部分气泡不能逸出，所以导致环氧树脂结构胶的抗拉强度有一定下降。低掺量纳米碳酸钙的试件强度有一定提高，但高掺量纳米碳酸钙的树脂强度下降。硅微粉（5000目）的加入整体提升结构胶强度，高掺量时抗拉强度和抗压强度有一定下降但整体强度仍高于环氧树脂基体的强度，低掺量硅微粉（5000目）的试件强度有较大提高。组合填料在抗压强度方面产生叠合效应，相同配比下组合填料改性环氧树脂结构胶的抗压强度高于其他两中填料改性环氧树脂结构胶；

（2）添加组合填料的环氧树脂建筑结构胶既能弥补纳米碳酸钙对结构胶抗拉强度的降低影响，又能有效提高结构胶的抗压强度、拉伸强度以及弹性模量，纳米碳酸钙的加入节省了硅微粉的用量，降低了材料的成本；

（3）各填料的加入明显提高试件的弹性模量，使环氧树脂结构胶抵抗变形的能力变大。

[1] 陈健聪.纳米材料改性环氧树脂建筑结构胶的研究[D].湖南:湖南大学,2006:5-6

[2] 宣博文,叶瀚棽,卓东贤,等.改性环氧树脂胶粘剂的研究进展[J].粘接,2015,36(8):82-88

[3] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 2567-2008树脂浇铸体性能试验方法[S].北京:中国标准出版社,2008:2-5

[4] 伊浩,李波,刘玉亭,等.环氧树脂用聚酰胺固化剂的合成与性能[J].中国胶粘剂,2016,25(1):9-12

[5] 余益斌.环氧树脂结构胶的耐热性研究[D].湖南:湖南大学,2012:2-4

Study on Mechanical Properties of Epoxy Resin Structural Adhesive Modified by Nanosize CaCO3and Silicon Powder

LIU Ji-yan, LIU Xiao-long, DUAN Xu-sheng*

271018,

The common epoxy resin structural adhesive was modified by controlling the type and content of epoxy resin structural adhesive filler, using nano-calcium carbonate, silica micro-powder and the composition of both of them as fillers at 1:1. The effects of different fillers on the mechanical properties of epoxy resin and structural adhesive were analyzed. The results show that nano-calcium carbonate can improve the compressive performance of epoxy resin structural adhesive to a certain extent. The high content of nanometer calcium carbonate did not promote the tensile properties of epoxy resin, and silicon powder can significantly improve the performance of epoxy resin structural adhesive, and greatly improve its tensile strength and compressive strength to a great extent. The combination of nano calcium carbonate and silicon powder can produce superposition effect, and the compressive strength of the modified epoxy resin structure adhesive is improved more significantly, and the tensile strength is also improved obviously.

Nano calcium carbonate; 5000 mesh silicon powder; combined packing; epoxy resin structural adhesive; mechanical properties

TU58

A

1000-2324(2018)05-0805-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.016

2017-05-23

2017-06-10

“十二五”国家科技支撑计划课题:低成本村镇基础设施与环境建设技术研究与示范(2014BAL04B05)

刘纪艳(1992-),女,硕士研究生,研究方向:工程结构与新材料. E-mail:1035132380@qq.com

通讯作者:Author for correspondence. E-mail:tumudxs@126.com