活性稀释剂对环氧树脂基的影响_WANG Linbing.pdf

第 49 卷 第 2 期2023 年 2 月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.49No.2Feb.2023活性稀释剂对环氧树脂基的影响WANG Linbing1,2,庞摇 鑫1,叶周景1(1.北京科技大学国家材料服役安全科学中心,北京摇 100083;2.弗吉尼亚理工大学土木工程与环境工程系,弗吉尼亚 黑堡摇 VA24061)摘摇 要:开裂是水泥混凝土路面破坏的主要形式之一,微胶囊自愈合技术是抑制裂缝形成与发展的有效手段.针对现有的固化剂存在高温固化、储存困难、具有毒性等问题,以环氧树脂-聚硫醇(E鄄51/polymercaptan)固化体系为基础,研究了 2 种活性稀释剂对 E鄄51 的稀释作用与固化影响,以满足路面在常温且无人工干预的情况下实现微裂缝自愈合的要求.通过黏度试验分析不同掺量下 C12鄄14 缩水甘油醚(alkyl(C12鄄C14)glycidyl ether,AGE)/辛基缩水甘油醚(ethylhexyl glycidyl ether,EGE)与 E鄄51 混合后的黏度;通过抗拉剪切强度与硬度试验测试固化产物的力学特性,探究不同稀释剂种类与掺量对固化产物力学性能的影响;此外,通过热重和差热试验,分析 2 种活性稀释剂在不同掺量下固化产物的热稳定性与热分子动力学特征.结合黏度、力学特性与热力学分析结果,EGE 比 AGE 对于环氧树脂/聚硫醇固化体系的促进作用更为强烈,其最终固化产物的力学性能效果要更为突出,虽在反应过程中所需能量相对于 AGE 多 11%,但由于聚硫醇固化体系中能量突然释放的特点,可以满足 EGE 所需的固化能量要求,因此,建议选择20%掺量的 EGE 作为环氧树脂/聚硫醇固化体系的活性稀释剂.关键词:活性稀释剂;环氧树脂;自愈合;水泥路面;聚硫醇;固化体系中图分类号:U 416文献标志码:A文章编号:0254-0037(2023)02-0235-10doi:10.11936/bjutxb2021120009收稿日期:2021鄄12鄄18;修回日期:2022鄄04鄄20基金项目:北京市科技计划研究项目(Z191100008019002);云南省交通运输厅科技创新示范项目(2021)25 号作者简介:WANG Linbing(1963),男,教授,主要从事交通基础设施智能监检测、多尺度模拟、能量收集技术、高性能材料研发、路面力学性能测试与优化,以及基础设施安全防护与管理方面的研究,E鄄mail:wangl vt.edu通信作者:叶周景(1990),男,助理研究员,主要从事交通基础设施智能监检测与安全评估方面的研究,E鄄mail:yezhoujing Effect of Reactive Diluent on Epoxy Resin for Self鄄healingWANG Linbing1,2,PANG Xin1,YE Zhoujing1(1.National Center for Materials Service Safety,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Department of Civil and Environmental Engineering,Virginia Polytechnic Institute and State University,Blacksburg,VA24061,Virginia,USA)Abstract:Cracking is one of the most common forms of concrete pavement damage.The self鄄healingtechnology of microcapsules is an effective way to inhibit the formation and development of cracks.Theexisting curing agent has the problems of high鄄temperature curing,difficult storage and toxicity atpresent.Based on the curing system of epoxy resin(E鄄51/polymercaptan),the dilution and curingeffects of two active diluents on E鄄51 were studied to meet the self鄄healing requirements of micro鄄cracksunder room temperature and without manual intervention.The viscosity of alkyl(C12鄄C14)glycidylether/ethylhexyl glycidyl ether(AGE/EGE)mixed with E鄄51 was analyzed by viscosity test.Then,themechanical properties of curing products were tested by tensile shear strength and hardness test.Theeffects of different diluent types and contents on the mechanical properties of cured products were also网络首发时间：2023-02-08 16:34:07网络首发地址：https:/ 京摇 工摇 业摇 大摇 学摇 学摇 报2023 年explored.Besides,the thermal stability and thermomolecular dynamics characteristics of curing productswith varying dosages of two active diluents were analyzed by thermogravimetric and differential scanningcalorimetry.Result of viscosity,mechanical properties and thermal dynamics characteristics shows thatthe dilution effect of EGE on E鄄51 is better and the curing promotion effect is stronger with the samedosage.Although the energy required in the reaction process is 11%more than the dosage of AGE,thefeature of sudden release of energy in the polymercaptan curing system can meet the curing energyrequirements of EGE.Therefore,it is suggested to select 20%EGE as the active diluent of the E鄄51/polymercaptan curing system.Key words:reactive diluent;epoxy resin;self鄄healing;cement concrete pavement;polymercaptan;curing system摇 摇 水泥混凝土路面是主要的路面铺装形式,具有承载力强、稳定性好、耐久抗滑等优点1,然而水泥混凝土路面一旦产生病害,维修将十分困难.其中开裂是水泥混凝土路面最常见的病害类型,每年对于开裂的日常维护费用占到总维护费用的34%左右2.水泥混凝土路面开裂的初始状态是微裂缝,微裂缝存在于路面结构内部,难以察觉且无法及时修复,一旦形成肉眼可见的裂缝后,将造成不可逆的损伤.随着材料科学的发展,通过自愈合材料在路面微裂缝形成阶段即进行修复愈合,将有效延长路面的服役寿命,是一种低能耗、高效率的解决方法3鄄6.目前,自愈合微胶囊技术因其愈合响应及时、结构性能恢复好、成本低的优点被广泛研究.微胶囊是通过各种合成技术将愈合剂(固体、液体或气体)完全包封在多孔或不可渗透的基质或膜中7.自愈合微胶囊在水泥路面中的触发机制是机械触发,通过微裂缝来破坏微胶囊的囊壁,使得愈合剂流出并填补微裂缝.环氧树脂作为一种通用有效的黏结剂,在水泥自愈合微胶囊领域中已有许多应用8鄄9.然而,环氧树脂作为愈合剂本身具有很大的黏度,未经稀释的环氧树脂无法较好地流动10鄄12.因此,需要从材料本身出发,在结合实际应用的基础上开展环氧树脂的稀释固化研究.环氧树脂固化体系主要由环氧树脂、稀释剂、固化剂组成,应用于道路工程领域中的环氧树脂以及稀释剂的相关研究主要集中于改性胺固化体系以及咪唑类固化体系.阳建新等13以环氧树脂为基础,总结了环氧树脂的胺基、咪唑类、酸酐类、潜伏类等固化体系方式,以及各类固化方式所需的固化条件和响应机理,其中指出胺基固化剂与咪唑类固化剂的应用范围较大.靳昊等14以环氧树脂与改性胺类固化剂为研究对象,探索了 5 种类活性稀释剂在环氧官能度、环氧当量和掺量的三大类别下对黏结固化物质机械性能的影响,结果显示官能度的下降可以大幅度降低环氧树脂黏度的同时提升其柔顺性,但过于增大活性稀释剂的掺量会降低其力学强度.类似地,李山剑等15同样以环氧-胺固化体系为基础,探索了 3 种活性稀释剂对环氧树脂黏度、热稳定性以及力学性能的探究,结果显示,芳香族稀释剂相对于脂肪族稀释剂对反应活性、固化物强度与模量均有提升效果,但稀释剂的增加均会降低环氧体系的耐热性能.在工程实践方面,韩亚芳等16针对水泥混凝土裂缝修复技术存在养护周期长、黏结耐久性差等问题,通过不同稀释剂掺量的黏度测试、抗拉剪切强度测试探究了混合胶体的相关性能,结果显示该稀释剂添加量为 15%时力学性能最佳,适量稀释剂的添加可以增加环氧树脂的渗透力,所研发的材料被应用于广西洛维大桥混凝土面层的改造工程.谭加俭17和张文武等18针对南宁市快速环道混凝土路面的开裂修复工作,选择环氧树脂黏结剂以及环氧树脂基水泥砂浆进行表面修复,通过添加非活性稀释剂(丙酮)降低环氧树脂的黏度,增强其流动性与渗透性,工程实践证明,通过稀释后的环氧树脂黏结剂与环氧树脂水泥砂浆具有早期强度高、耐久性强、易于工程化应用的特性.上述研究在材料改性及其应用方面积累了丰富的经验成果,促进了环氧树脂在水泥混凝土路面自愈合中的应用,但仍存在一些问题有待进一步解决:1)胺类固化剂与咪唑类固化剂在未改性的情况下,均需要在加热条件下才可形成固化状态,然而水泥混凝土路面在出现微裂缝时通常不具备加热条件,需要选择一个可以在常温、甚至低温固化的环氧树脂固化体系为基础进行探究,以适应工程实际应用情形;2)正丁基缩水甘油醚(butyl glycidyl ether,BGE)常用632摇 第 2 期WANG Linbing,等:活性稀释剂对环氧树脂基的影响于环氧树脂基自愈合的活性稀释,相对于其他稀释剂的稀释效果突出19鄄20,但其储存温度不得高于 30益,与空气混合会形成爆炸性过氧化物,不适用于水泥混凝土路面自修复.因此,需要一种可以在常温甚至低温环境下使得环氧树脂材料固化的固化体系,并在此基础上寻找一种低毒性、难挥发、易储存的环氧树脂活性稀释剂,在有效稀释环氧树脂的同时促进其固化.本文选择常用的脂肪族多碳链与少碳链类,且相对更为安全、绿色的 2 类活性稀释剂进行研究.以低毒、高闪点、易保存、挥发性小为标准,在环氧树脂的活性稀释剂种类