3.2表面活性劑對漿液表面張力和接觸角的影響研究

將配制好的C0、C1、C2 3種漿液每隔一定時(shí)間取樣進(jìn)行表面張力和接觸角的測試。測得表面張力隨時(shí)間變化曲線見圖3(a),接觸角隨時(shí)間變化曲線見圖3(b)。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn):3種漿液的表面張力和接觸角均隨時(shí)間的延長而變大;C1、C2的表面張力和接觸角在任何時(shí)刻均小于C0漿液的表面張力和接觸角。C1漿液的表面張力和接觸角比C2漿液的表面張力和接觸角更小。說明表面活性劑可以降低漿液的表面張力和接觸角,不同結(jié)構(gòu)的表面活性劑對漿液表面張力和接觸角的降低程度不同。

3.3表面活性劑對漿液固結(jié)體力學(xué)性能影響研究

3種漿液固結(jié)體力學(xué)性能對比見圖4。由圖4可以看出:3種漿液固結(jié)體抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度數(shù)值差別不大，說明表面活性劑對漿液固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度無影響。但C1、C2漿液的粘接強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度明顯高于C0漿液的粘接強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度。其中C1漿液的粘接強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度比C0漿液分別提高了23.6%和37.5%;C2漿液的粘接強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度比C0漿液分別提高了22.2%和29.2%。其原因在于表面活性劑的加入降低了漿液的接觸角，使?jié){液有更好的浸潤性和潤濕性，從而提高了漿液的粘接強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度。

3.4表面活性劑對漿液浸潤滲透效果的影響

按照2.3所述的模型和試驗(yàn)方法分別進(jìn)行C0、C1、C2漿液在黏土中的浸潤滲透試驗(yàn)。不同漿液的滲透深度隨時(shí)間變化情況如圖5所示。

從圖5的試驗(yàn)結(jié)果可知:3種漿液在開始滲透后的3h內(nèi)浸潤滲透速度相對較快,3~5h之間,浸潤滲透速度相對變慢,5h后浸潤滲透高度趨于穩(wěn)定。在相同時(shí)間內(nèi),漿液在黏土中的浸潤滲透高度C1>C2>C0。滲透穩(wěn)定后,C1、C2漿液在黏土中的浸潤滲透高度比C0漿液的浸潤滲透高度分別提高了109.4%和64.7%,說明表面活性劑可以提高漿液的滲透性,且表面活性劑S1提高漿液滲透性的幅度更大。

4表面活性劑對漿液滲透性的影響機(jī)理

從漿液固化反應(yīng)機(jī)理分析:在CW灌漿材料配方中除環(huán)氧樹脂外,還含有糠醛、丙酮等成分。體系中存在3種化學(xué)反應(yīng),既有環(huán)氧基團(tuán)與固化劑的逐步聚合反應(yīng),也有糠醛、丙酮之間α氫的反應(yīng),還有糠醛、丙酮與固化劑中胺的反應(yīng)。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,體系分子量不斷增加,從而導(dǎo)致漿液的表面張力和接觸角均隨時(shí)間的延長而不斷增加。

從圖3中可以看出加入表面活性劑S1、S2能降低漿液的表面張力和接觸角。這是因?yàn)楸敬螡{液改性選用的表面活性劑S1、S2從化學(xué)結(jié)構(gòu)上屬于雙子型非離子表面活性劑。傳統(tǒng)表面活性劑和雙子型表面活性劑結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

傳統(tǒng)表面活性劑只有一個(gè)親水基團(tuán)和一個(gè)親油基團(tuán),而炔醇多功能表面活性劑具有兩個(gè)親水基團(tuán)和兩個(gè)親油基團(tuán)(如圖6所示),由兩個(gè)雙親基對稱連接而成，其界面活性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的表面活性劑。

從分子結(jié)構(gòu)看,炔醇多功能表面活性劑存在一個(gè)炔鍵和兩個(gè)羥基,這個(gè)區(qū)域?qū)儆诟唠娮用芏葮O性區(qū),屬于親水區(qū)域,分子兩邊多個(gè)甲基和碳一碳主鏈構(gòu)成憎水區(qū)域。結(jié)構(gòu)屬于緊湊型ABA形式,在分子結(jié)構(gòu)上是一種非常穩(wěn)定的二醇,分子量很小,使用很小的劑量就能夠提高材料的鋪展能力,進(jìn)而提高材料的可灌性。S2的分子結(jié)構(gòu)比S1的分子結(jié)構(gòu)側(cè)鏈上多一些乙氧基基團(tuán),親水性更好。

當(dāng)表面活性劑S1和S2加入到環(huán)氧漿液中,其分子遷移到漿液氣液界面,憎水部分被環(huán)氧漿液內(nèi)部分子吸引,伸向環(huán)氧漿液內(nèi)部,親水部分伸向空氣方向,表面活性劑的親水基與環(huán)氧漿液分子間的斥力相當(dāng)于使表面的漿液分子受到一個(gè)向外推力,抵消了表面環(huán)氧漿液分子原來受到的向內(nèi)的拉力,從而使環(huán)氧漿液的表面張力降低。

加入表面活性劑降低漿液的接觸角可以由Young方程[10]來解釋。從Young方程

式中:γS為被灌體的界面張力(N/m);γSL為漿液與被灌體的界面張力(N/m);θ為液體/固相接觸角(°);γL為漿液的表面張力(N/m)。

對于特定的被灌體,γS僅與被灌體的表面成分有關(guān),為定值;γSL的大小取決于漿液表面和被灌體表面的極性差異,極性差異小,漿液與被灌體的界面張力就小。如上所述表面活性劑增加了環(huán)氧漿液表面的親水性,被測的基體為玻璃,其表面的基團(tuán)硅氧鍵為親水性基團(tuán),所以活性劑加入到環(huán)氧漿液可以使環(huán)氧漿液表面與玻璃表面兩相的極性差異減少,從而使γSL值減少。

因此,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,漿液中加入表面活性劑后,漿液的表面張力γL、漿液與被灌體的界面張力γSL同時(shí)降低,(γS-γSL)/γL變大,即cosθ變大,接觸角θ變小。

漿液浸潤滲透速度隨時(shí)間變化的關(guān)系,其原因是漿液混合后,隨著時(shí)間的延長,分子量不斷增加,導(dǎo)致漿液的表面張力和接觸角不斷增大,從而引起漿液浸潤滲透能力隨時(shí)間延長而不斷下降。由于表面活性劑降低了漿液的表面張力和接觸角,所以能夠提高漿液在黏土中的浸潤滲透能力,有利于漿液在黏土中的滲透擴(kuò)散。C1漿液在黏土中的浸潤滲透高度要大于C2漿液在黏土中的浸潤滲透高度,說明表面活性劑S2分子結(jié)構(gòu)側(cè)鏈上多了乙氧基基團(tuán),雖然親水性增強(qiáng),但滲透性比側(cè)鏈上沒有乙氧基基團(tuán)的S1表面活性劑的改性效果差。

5結(jié)論

本文通過表面活性劑改性CW環(huán)氧樹脂漿液,全面系統(tǒng)地研究了改性前后漿液的黏度、表面張力、接觸角、滲透性和力學(xué)強(qiáng)度等特性,探討了表面活性劑對環(huán)氧漿液滲透性能的影響機(jī)理。主要結(jié)論有:

(1)加入炔屬二醇非離子表面活性劑不影響環(huán)氧漿液的初始黏度以及黏度時(shí)變性,對漿液固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度無明顯影響。

(2)加入炔屬二醇非離子表面活性劑可以提高漿液的粘接強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度,相比于空白對照組,C1漿液的粘接強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度分別提高了23.6%和37.5%;C2漿液的粘接強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度分別提高了22.2%和29.2%。

(3)表面活性劑降低了漿液的表面張力和接觸角，能夠提高漿液在黏土中的浸潤滲透能力，滲透穩(wěn)定后，C1、C2漿液在黏土中的浸潤滲透高度分別提高了109.4%和64.7%。