裝飾用膠干濕狀剪切強度分析及在結構設計中的應用

摘 要：為了提升室內藝術設計用膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度，研究了膠粘材料中OH-與NCO-摩爾比R1值、腰果二酚含量和二月桂酸二丁基錫用量對膠粘材料干狀和濕狀剪切強度的影響。結果表明，隨著R1值從2.5增至7，PU-a和PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都呈現先增加后減小的趨勢，分別在R1值為6和R1值為6.5時取得最大值。隨著腰果二酚含量從0%增至30%，PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度先減小后增加而后又減小，在加入腰果二酚后膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都低于未添加腰果二酚的膠粘材料。隨著二月桂酸二丁基錫用量從0%增至0.3%，PU-a和PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都呈現先增加后減小特征，分別在二月桂酸二丁基錫用量為0.15%和0.1%時取得最大值。

關鍵詞：膠粘材料；OH-與NCO-摩爾比；藝術設計；剪切強度

中圖分類號：TQ437+.1" " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " "文章編號：1001-5922（2024）07-0057-04

Analysis of dry and wet shear strength of decorative glue

and its application in structural design

YANG Wenxin

（Guangzhou University of Science and Technology，Guangzhou 510550，China）

Abstract： In order to enhance the dry and wet shear strength of adhesive materials used in interior art design and better meet application requirements. The effects of OH-/NCO- molar ratio R1 value， cashew polyphenol content， and the amount of dibutyltin dilaurate on the dry and wet shear strength of adhesive materials were studied. The results showed that as the R1 value increased from 2.5 to 7， the dry and wet shear strengths of PU-a and PU-b adhesive materials showed a trend of first increasing and then decreasing， reaching their maximum values at R1 value=6 and R1 value=6.5， respectively. As the content of cashew bisphenol increased from 0 to 30%， the dry and wet shear strength of PU-a adhesive material first decreased， then increased， and then decreased. After adding cashew bisphenol， the dry and wet shear strength of the adhesive material was lower than that of the adhesive material without adding cashew bisphenol. As the amount of dibutyltin dilaurate increased from 0 to 0.3%， the dry and wet shear strengths of PU-a and PU-b adhesive materials showed a first increase and then a decrease， reaching their maximum values at 0.15% and 0.1% of dibutyltin dilaurate， respectively.

Key words： adhesive materials；OH-/NCO- molar ratio；art design；shear strength

膠粘材料在室內建筑結構設計、裝修等工程中都有著廣泛應用。在所有的膠粘材料中，聚氨酯膠粘劑以其膠接性能優異、固化方式靈活、可耐低溫、結構可設計與性能可調控等特點［1］，被稱為是“萬能膠”而在室內藝術設計中備受青睞。在制備聚氨酯膠粘劑時，主要是通過配方調節，使得固化過程中—NCO基團與膠粘體系中的活潑H物質發生交聯反應，形成具有韌性可調、力學性能優良的膠粘材料［2?3］。對于室內裝飾藝術結構設計用膠粘材料而言，除了傳統膠粘材料所需要具有的可耐低溫和固化性能外，尤其需要良好的干狀和濕狀剪切強度［4］，而目前關于添加劑改性聚氨酯膠粘劑膠粘材料剪切強度方面的報道較少，具體影響因素和作用機理尚不清楚［5?7］。為了提升室內藝術設計用膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度，更好的滿足應用需求。研究了膠粘材料中—OH與—NCO摩爾比（R1值）、腰果二酚含量和二月桂酸二丁基錫用量對膠粘材料干狀和濕狀剪切強度的影響，結果將有助于新型高性能膠粘材料的開發并推動其在室內藝術設計中應用。

1" "試驗材料與方法

1.1" "試驗材料

試驗原料包括工業級PMDI（—NCO含量為31%）、工業級PPG-1000、含量70%的腰果二酚、分析純二正丁胺、分析純乙酸乙酯、分析純丙酮、分析純甲苯、分析純溴甲酚綠、分析純二月桂酸二丁基錫（T12，催化劑）和高純氮氣（99.99%）。

1.2" "試樣制備

氮氣保護環境下在燒杯中加入PMDI、PPG-1000和一定量的乙酸乙酯，充分攪拌并混合均勻后油浴升溫至48 ℃，保持溫度30 min之后加入T12，并繼續升溫至78 ℃，保溫1.5 h后降溫至38 ℃，靜置15 min后得到不加腰果二酚時的膠粘劑（PU）。在氮氣保護作用下在燒杯中加入PMDI、腰果二酚、T12和乙酸乙酯，混合均勻后油浴升溫至68 ℃，保持溫度2 h后降溫至38 ℃，然后加入PPG-1000和乙酸乙酯，升溫至68 ℃反應2 h，降溫至38 ℃，在膠粘體系中—NCO含量恒定時裝瓶，得到添加腰果二酚的聚合改性膠粘劑PU-a。在氮氣保護作用下在燒杯中加入PMDI、PPG-1000T12和乙酸乙酯，混合均勻后油浴升溫至38 ℃，反應1.5 h后繼續升溫至68 ℃，保持溫度2 h后降溫至38 ℃，加入計量好的腰果二酚并攪拌25 min后，在膠粘體系中—NCO含量恒定時裝瓶，得到添加腰果二酚的共混改性膠粘劑PU-b。

1.3" "測試與表征

根據BSISO—63828—2018標準，將膠粘材料加工成30 mm×25 mm×10 mm，以樺木為基材進行膠粘，采用旋涂的方法將面積為25 mm×25 mm的區域進行搭接，涂膠量控制為98 g/m2，旋涂完成后，對搭接試樣進行熱壓處理［8］：熱壓溫度、時間、壓力分別為120 ℃、60 min和1.5 MPa，接觸壓力后室溫放置3 d后測試干狀剪切強度［9］，并以三組試樣均值當作測試結果；將室溫放置3 d后的試樣進行沸水中煮3 h+58 ℃空氣對流18 h+沸水煮3 h+室溫水冷卻15 min的處理后測試濕狀剪切強度，并以3組試樣均值當作測試結果。

2" "試驗結果與分析

2.1" "R1值

圖1為不同R1值的PU膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度變化曲線。

由圖1可知，當R1值為2.5時，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度分別為10.2 MPa和4.1 MPa；隨著R1值從2.5增加至7，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都呈現先增加后減小的趨勢，在R1值為5.5時取得最大值，繼續增加R1值會使得膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度降低。這主要是因為R1值在5.5及以下時，膠粘劑中異氰酸酯含量相對較高，膠粘劑的粘性較小并有利于滲透，且相互反應時的交聯反應程度會加劇［10?11］，鍵合作用增強而使得膠粘劑強度會隨著R1值增加而增大，但是當R1值超過5.5時，繼續增大R1值會使得膠粘劑中—NCO含量相對較多，交聯反應增強的同時膠粘劑發生硬化并在局部形成裂紋等缺陷而降低強度［12］。

圖2為不同R1值的PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度變化曲線。

由圖2可知，當R1值為2.5時，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度分別為6.1 MPa和3.5 MPa；隨著R1值從2.5增至7，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都呈現先增加后減小的趨勢，在R1值為6時取得最大值，繼續增加R1值會使得膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度降低。與未添加腰果二酚時的膠粘劑（PU）相比，不同R1值的PU-a膠粘材料的干狀剪切強度都有所減小，而濕狀剪切強度有所提高，這主要是因為在膠粘材料中加入腰果二酚后，—NCO基團會與酚羥基發生交聯反應而起到增韌作用［13］，膠粘材料的干狀剪切強度會有所減小，且由于加入的腰果二酚自身具有不溶于水的特性，因此在加入后會改善膠粘材料的濕狀剪切強度。此外，如果R1值過大，膠粘材料中—NCO基團含量會過大，固化過程中的交聯密度增加的同時會使得材料變硬，同時在膠粘材料內部產生裂紋或者孔隙等缺陷［14］，造成強度降低。

圖3為不同R1值的PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度變化曲線。

由圖3可知，當R1值為2.5時，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度分別為7.9 MPa和4.1 MPa；隨著R1值從2.5增至7，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都呈現先增加后減小的趨勢，在R1值為6.5時取得最大值，繼續增加R1值會使得膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度降低。與未添加腰果二酚時的膠粘劑（PU）相比，R1

值在4以下時膠粘材料仍然具有較高的強度，這主要是因為共混法制備的膠粘材料受加入腰果二酚（物理分散在膠粘體系中）的影響較小［15］，而當R1值較高時才會由于結構變化而對強度產生顯著影響。整體而言，共混法制備的膠粘材料中適宜的R1值為6.5，膠粘材料具有最大的干狀和濕狀剪切強度，分別為14.1和6.3 MPa。

2.2 腰果二酚用量

圖4為不同腰果二酚用量的PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度變化曲線，其他條件不變，R1值為6。

由圖 4可知，隨著腰果二酚含量從0增加至30%，PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度先減小后增加而后又減小，在加入腰果二酚后膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都低于未添加腰果二酚的膠粘材料，且在相同腰果二酚加入量時，膠粘材料的干狀剪切強度要大于濕狀剪切強度。對于加入腰果二酚改性的膠粘材料而言，當腰果二酚添加量為15%時，膠粘材料具有最大的干狀和濕狀剪切強度。

圖5為不同腰果二酚用量的PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度變化曲線，其他條件不變，R1值為6.5。

由圖5可知，隨著腰果二酚含量從0%增至30%，PU-a膠粘材料的干狀剪切強度整體逐漸減小，而濕狀剪切強度先減小后增加而后又減小。在相同腰果二酚加入量時，膠粘材料的干狀剪切強度要大于濕狀剪切強度。對于加入腰果二酚改性的膠粘材料而言，當腰果二酚添加量為15%時，膠粘材料具有最大的濕狀剪切強度和較高的干狀剪切強度。

2.3" "二月桂酸二丁基錫用量

圖6為不同二月桂酸二丁基錫用量的PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度變化曲線，固定腰果二酚用量為15%不變。

由圖6可知，對于PU-a材料和PU-b材料，R1值分別為6和6.5。可見，隨著二月桂酸二丁基錫用量從0%增至0.3%，PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都呈現先增加后減小特征，在二月桂酸二丁基錫用量為0.15%時取得最大值，分別為14.2和6.1 MPa。這主要是因為當二月桂酸二丁基錫用量較少時，膠粘材料中的—NCO基團可以與其發生反應而形成聚氨酯-聚脲結構［16］，有利于增強膠粘材料的強度，但是隨著二月桂酸二丁基錫用量增多，過多的催化劑會加快膠粘劑的固化速度［17］，使得膠粘材料的致密性降低而在局部產生氣泡等缺陷，膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度會減小。

2.4" "在室內藝術設計中的應用

結合室內藝術設計中對膠粘材料的應用需求可知，要想連接材料在使用膠粘材料后具有較高的干狀和濕狀剪切強度，適宜的R1值為5.5、腰果二酚含量為15%、二月桂酸二丁基錫用量為0.15%，此時膠粘材料具有較高的干狀和濕狀剪切強度，在室內藝術設計用膠粘材料中具有良好應用前景。

3" "結語

（1）隨著R1值從2.5增至7，PU膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都呈現先增加后減小的趨勢，在R1值為5.5時取得最大值，繼續增加R1值會使得膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度降低。隨著R1值從2.5增至7，PU-a和PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都呈現先增加后減小的趨勢，分別在R1值為6和R1值為6.5時取得最大值；

（2）隨著腰果二酚含量從0%增至30%，PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度先減小后增加而后又減小，在加入腰果二酚后膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都低于未添加腰果二酚的膠粘材料，且在相同腰果二酚加入量時，膠粘材料的干狀剪切強度要大于濕狀剪切強度；

（3）隨著二月桂酸二丁基錫用量從0%增至0.3%，PU-a膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都呈現先增加后減小特征，在二月桂酸二丁基錫用量為0.15%時取得最大值。隨著二月桂酸二丁基錫用量從0增加至0.3%，PU-b膠粘材料的干狀和濕狀剪切強度都呈現先增加后減小特征，在二月桂酸二丁基錫用量為0.1%時取得最大值，分別為14.9和6.3 MPa。

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