排水管道接頭用改性環氧樹脂膠粘劑制備及性能研究

摘要：為了提高隧道排水管道施工效率，改善排水管道接頭的粘合性能，針對排水管道接頭粘合用聚氨酯改性環氧樹脂膠粘劑的制備與應用進行了研究。選用環氧樹脂作為基礎材料，為改善其粘接強度、耐沖擊性等性能，引入具有優異彈性、耐磨性和耐水性的聚氨酯預聚體對其進行改性，制備出聚氨酯改性環氧樹脂膠粘劑，涂覆在管道接頭樣品上，測試聚氨酯用量分別為0%、10%、20%、30%時，膠粘劑的粘接性能、耐沖擊性能以及斷裂微觀形貌。試驗結果顯示，選取20%聚氨酯用量制備的膠粘劑，受載荷影響后相較于其他聚氨酯用量的試驗樣品，剝離強度、拉伸強度均保持較高水平，硬度更加適中；0%與10%聚氨酯用量膠粘劑較硬，且粘接強度較低；30%聚氨酯用量膠粘劑較軟，應用效果較差。而且，20%聚氨酯用量膠粘劑經過長時間使用后仍然保持較高耐沖擊性能，適合在管道接頭長期使用。

關鍵詞：隧道排水管；管道接頭；聚氨酯；改性環氧樹脂；膠粘劑

中圖分類號：TQ433.4+32文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0001-04

Preparation and performance study of modified epoxy resin adhesive for drainage pipe joints

ZHANG Xingbo1，LI Yanbing1，WEI Xiang1，HUANG Xiaomin2，LI Jun2

（1.YCIC Highway Construction Co.，Ltd.，Kunming 650200，China；

2.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

Abstract：In order to improve the construction efficiency of tunnel drainage pipeline and improve the bonding per-formance of drainage pipeline joints，the preparation and application of polyurethane modified epoxy resin adhesive for the bonding of drainage pipeline joints were studied.Epoxy resin was selected as the basic material.In order to improve its bonding strength and impact resistance，polyurethane prepolymer with excellent elasticity，wear resis-tance and water resistance was introduced to modify it.Polyurethane modified epoxy resin adhesive was prepared and coated on the pipe joint sample.When the amount of polyurethane was 0%，10%，20%and 30%respectively，the bonding performance，impact resistance and fracture morphology of the adhesive were tested.The test results showed that the adhesive prepared with 20%polyurethane dosage was affected by the load.Compared with other polyurethane dosage test samples，the peel strength and tensile strength remained at a high level，and the hardness was more moderate.The adhesive with 0%and 10%polyurethane content was hard and the bonding strength was low.The adhesive with 30%polyurethane content is soft and the application effect is poor.Moreover，the 20%poly-urethane adhesive still maintains high impact resistance after long-term use，which is suitable for long-term use in pipeline joints.

Key words：tunnel drainage pipe；pipe joint；polyurethane；modified epoxy resin；adhesive

在隧道工程中，排水系統是不可或缺的一環，其設計與施工質量的優劣直接關系到隧道整體的穩定性與安全性。而隧道排水管道接頭的粘合技術是確保排水系統密封性和耐久性的關鍵[1]。隧道排水管道接頭粘合材料的選擇至關重要，這類材料必須具備優異的耐水性、耐腐蝕性以及強大的粘附力，而環氧樹脂、聚氨酯等高分子材料就因其優異的性能被廣泛應用于隧道排水管道接頭的粘合[2-5]。

為了研究適合粘接隧道排水管道的膠粘劑，國內外研究者發表許多相關研究成果。張常虎等[6]使用聚乙二醇和丁腈橡膠混合后改性環氧樹脂，制備出全新膠粘劑。但是如果固化速度過快或過慢，或者固化條件不合適，可能會導致該膠粘劑的性能下降。劉皓等[7]使用環氧基團改性聚氨酯粘接管道，并進行相應的力學性能和粘接性能測試。但是該研究在分析環氧基團含量對性能影響時，未充分考慮環境因素對性能的影響，導致研究結果不夠準確和可靠。Viscusi等[8]使用金屬化合物修飾聚氨酯，制備出膠粘劑粘接管道。但是應用在隧道排水管時的效果不理想，添加納米顆粒會改變聚氨酯纖維的力學性能，降低粘接效能。王芳等[9]使用陶瓷前體改性環氧樹脂，提升環氧樹脂的耐高溫性能，但陶瓷前體改性竹基多孔碳的制備過程需要精確的工藝控制，制備難度較大，并會影響最終膠粘劑性能的穩定性。

基于現有研究，利用環氧樹脂、聚氨酯的優勢，使用聚氨酯改性環氧樹脂制備膠粘劑，粘合隧道排水管道接頭，并進行多項試驗以測試該膠粘劑的應用效果。

1試驗材料與方法

1.1材料與儀器設備

1.1.1試驗材料

河南匯碩建材科技有限公司的聚氨酯，密度0.8～1.4 g/cm3，化學品純度gt;98%；濟南弘耀化工有限公司的甲苯二異氰酸酯，熔點20～22℃，沸點251℃，折射率1.568，化學品純度gt;99%；泰安環宇化工有限公司的間苯二酯，熔點140～144℃，化學品純度gt;98.5%；萬青化學科技有限公司的環氧樹脂，化學品純度gt;99%；河北航達環保設備有限公司的填充劑，單軸定向晶形，酸性，具有親水性，化學品純度gt;97%；南京軒浩新材料科技有限公司的促進劑，質地輕黃色粉末，用于膠的硫化促進，化學品純度gt;98%；東莞市華麗星塑膠原料有限公司的聚酰胺，熔點200℃以上，耐磨性較高，化學品純度gt;99%；山東亞德防水材料有限公司的固化劑，灰色物質，閃點180℃，固體含量超過80%，化學品純度gt;98%。

1.1.2儀器設備

全風環保科技股份有限公司型號為RB-1515的真空泵；河南沃林儀器設備有限公司型號為DZKW-C的恒溫水浴鍋；青島路揚環保科技有限公司型號為LY-CJ6的磁力攪拌機；河北秦減機械設備有限公司型號為B4DH的真空混料箱，標準定位精度0.03 mm；蘇州富思港工業檢測儀器有限公司型號為FSG-Q-A的萬能試驗機；重慶納格雅科技有限公司型號為SS150的掃描電子顯微鏡；北京恒奧德科技有限公司型號為HAD-XJL-300A的落錘實驗機。

1.2試驗方法

1.2.1聚氨酯預聚體制備

向三口燒瓶中倒入一定量的聚氨酯（聚氨酯用量根據試驗需求調整），將燒瓶與真空泵相連，同時將三口燒瓶置于溫度為120℃的恒溫水浴鍋中，在該溫度條件下，真空脫水2h[10]。真空泵停止脫水以后，將恒溫水浴鍋溫度降低至70℃，待燒瓶中的聚氨酯溫度降至60℃以后，將甲苯二異氰酸酯倒入三口燒瓶之中，升高恒溫水浴鍋溫度至85℃，在該溫度環境中完成混合反應。充分反應之后，再在該溫度環境下靜置3 h，然后向三口燒瓶中倒入間苯二酯，并在85℃下恒溫保持2h，得到聚氨酯預聚體。

1.2.2組分材料制備

A組分制備：將填充劑與環氧樹脂同時倒入燒杯之中，使用磁力攪拌機迅速攪拌均勻后，室溫環境靜置備用，得到A組分[11-13]。

B組分制備：取一個清潔且干燥的燒杯倒入適量促進劑和聚酰胺，使用磁力攪拌機混合以后倒入固化劑繼續攪拌，充分混合以后得到B組分，靜置備用。

1.2.3聚氨酯改性環氧樹脂膠粘劑制備

把制備完成的A組分、B組分、聚氨酯預聚體同時倒入一個燒杯中，使用磁力攪拌機持續攪拌，直至3種物質完全混合，得到聚氨酯改性環氧樹脂膠粘劑。

1.2.4膠粘劑真空脫氣

為使膠粘劑具備更加良好的性能，將改性環氧樹脂膠粘劑置于真空混料箱之中，打開真空泵使混料箱之中的真空度達到0.08 Pa[14-15]，將膠粘劑置于該環境中邊勻速攪拌，邊抽真空15 min，以實現膠粘劑的完全脫氣。

1.2.5試驗樣品制備

①取一個隧道排水管道用的接頭，使用砂輪清理管道接頭表面，去除殘留的油污、銹蝕和其他雜質[16]，然后用金屬刷進一步清潔表面，確保沒有殘留的顆粒和雜質。②對管道接頭進行噴砂處理，以去除表面的氧化皮和銹蝕，并增加表面的粗糙度，從而提高改性環氧樹脂膠粘劑的附著力。③為了提升涂覆度，將接頭置于干燥箱中預熱30 min。④使用滾筒將改性環氧樹脂膠粘劑均勻地涂覆在管道接頭表面，確保涂層厚度均勻，無漏涂和起泡現象，將涂覆膠粘劑的接頭與配套管材粘接在一起，以便完成后續測試。⑤涂覆完成后將試驗樣品置于室溫環境下，靜置固化3～8 d。

1.3性能測試

1.3.1粘接性能測試

參考GB/T 2790—1995《膠粘劑180°剝離強度試驗方法撓性材料對剛性材料》標準測試本文制備的膠粘劑剝離強度[17]。根據試驗設計要求，測試樣品中聚氨酯用量分別為0%、10%、20%、30%。使用萬能試驗機測試膠粘劑的拉伸性能，將涂覆膠粘劑后的接頭和管材分別固定在萬能試驗機拉伸結構的兩端，設定拉伸速率為8 mm/min，勻速拉伸，直至接頭與管材之間喪失粘接能力，記錄斷裂發生時的拉伸強度[18]。

1.3.2耐沖擊性能測試

使用落錘試驗機測試應用膠粘劑后粘接位置的耐沖擊性能。裁剪涂覆膠粘劑后的粘接區域，置于沖擊試驗機的平臺上，設置沖擊力與沖擊速度，沖擊聚氨酯用量分別為0%、10%、20%、30%的膠粘劑樣品。將使用時長作為試驗樣品的試驗參考變量。耐沖擊性能測試參考標準GB/T 2567—2021《樹脂澆鑄體性能試驗方法》。

1.3.3膠粘劑斷裂微觀形貌

為檢驗拉伸之后試驗樣品的破壞情況，首先使用萬能試驗機向試驗樣品施加極限拉伸力，使試驗樣品發生斷裂，然后使用掃描電子顯微鏡觀測各個斷裂面的微觀形貌，以便對膠粘劑的應用效果做出分析。

2結果與討論

2.1粘接性能測試結果

使用萬能試驗機測試本文制備的膠粘劑在聚氨酯不同用量下的拉伸強度以及剝離強度變化情況，試驗結果如圖1所示。

從圖1（a）可以看出，受到拉伸載荷影響，本文制備的膠粘劑的拉伸強度隨載荷的增強呈現出穩定下降的變化趨勢。圖1（b）中剝離強度變化與拉伸強度變化趨勢基本一致，也是隨拉伸載荷增加而降低。整體來看，膠粘劑中聚氨酯含量的變化能夠顯著影響膠粘劑的粘接性能。其中，當聚氨酯用量為20%時，制備出的膠粘劑即使在拉伸作用下，粘接性能也始終保持在較高水平。這是因為當聚氨酯用量為20%時，聚氨酯與環氧樹脂之間的協同效應達到了最佳狀態，從而提高了膠粘劑的粘接性能。由此說明使用20%聚氨酯材料制備膠粘劑，能夠獲得粘接應用效果較好的改性環氧樹脂膠粘劑。

2.2耐沖擊性能測試結果

不同使用時長下，各種聚氨酯用量的膠粘劑的耐沖擊性能試驗結果如表1所示。

分析表1可知，隨著使用時間推移，本文所制備的膠粘劑耐沖擊性能顯著降低，說明該膠粘劑長期應用于隧道排水管接頭位置粘接后會發生老化，喪失一部分性能。其中，不添加聚氨酯的膠粘劑的耐沖擊強度幾乎降至15 kJ/m2，無法承受高強度沖擊。而聚氨酯的添加會提升膠粘劑的耐沖擊強度，但經過長時間使用，其耐沖擊強度仍然會下降。而聚氨酯用量為20%的膠粘劑經過長時間使用以后依舊保持較高的耐沖擊強度，這是因為聚氨酯成分發揮了良好的耐老化性能，使得膠粘劑在長時間使用后仍能保持較高的耐沖擊強度。

2.3斷裂微觀形貌分析

使用掃描電子顯微鏡觀測發生斷裂后試驗樣品的斷裂微觀形貌，結果如圖2所示。

觀察圖2（a）發現，未使用聚氨酯的膠粘劑發生斷裂后，膠粘劑斷面出現較多尖銳斷口，且孔洞較多，說明該膠粘劑具有脆性斷裂特性。圖2（b）中，斷口呈現出纖維斷裂特征，斷口較為分散。圖2（c）中，斷裂后膠粘劑的纖維呈現出較為規則的分布，排列較為規律，呈現出韌性斷裂特征。圖2（d）中，膠粘劑使用大量聚氨酯，降低環氧樹脂的比例，導致纖維在膠粘劑中不均勻分布，排列混亂，使得膠粘劑附著力降低，不能實現有效粘接，在隧道排水管接頭中的應用效果較差。由此表明，使用20%聚氨酯用量制備的膠粘劑，可獲得更好的膠粘劑性能，能在隧道排水管接頭長時間應用。

3結語

使用環氧樹脂和聚氨酯混合，制備出聚氨酯改性環氧樹脂膠粘劑，經聚氨酯鏈段來改善環氧樹脂的韌性，使涂膜具有更好的抗沖擊性。經測試得出，使用適量的聚氨酯，膠粘劑的粘接強度較為理想。改性后的膠粘劑剝離強度較高，能夠滿足排水管道接頭對耐久性的使用要求。聚氨酯改性環氧樹脂膠粘劑在排水管道接頭粘合中具有廣泛的應用前景，未來通過優化制備工藝和配方設計，可以進一步提高其性能和降低成本，為排水管道工程提供更加可靠和經濟的解決方案。

【參考文獻】

[1]陳淼，王志昂，陳肖宇，等.客車用環氧改性聚氨酯密封膠的制備及應用[J].聚氨酯工業，2023，38（4）：47-50.

[2]劉運學，高建，范兆榮，等.環氧樹脂改性水性聚氨酯乳液的制備研究[J].化工新型材料，2023，51（4）：92-95.

[3]葉姣鳳，王飛，左洋，等.兼具高強度、高韌性和自修復性能的環氧樹脂改性熱可逆聚氨酯[J].材料研究學報，2023，37（4）：257-263.

[4]肖歡，王英，孫榮輝，等.聚氨酯對羽毛球用環氧樹脂膠粘劑的影響[J].粘接，2023，50（1）：19-23.

[5]冉龍飛，徐浩，張藝媛，等.聚氨酯納米SiO2稀釋劑復合改性環氧樹脂性能測試與表征[J].應用化工，2023，52（4）：1038-1042.

[6]張常虎，李宏濤，田旺旺，等.丁腈橡膠和聚乙二醇增韌環氧樹脂制備膠粘劑及性能研究[J].化學研究與應用，2023，35（4）：955-960.

[7]劉皓，黃毅萍，鮑俊杰，等.環氧基團含量對改性水性聚氨酯性能的影響[J].塑料工業，2023，51（1）：42-48.

[8]VISCUSI G，LAMBERTI E，D’AMICO F，et al.Design and characterization of polyurethane based electrospun sys-tems modified with transition metals oxides for protective clothing applications[J].Applied Surface Science，2023，617：156563.

[9]王芳，郝建薇.陶瓷前體改性竹基多孔碳協同聚磷酸銨阻燃環氧樹脂及其熱穩定性和力學性能[J].高等學校化學學報，2023，44（8）：49-56.

[10]萬寧，賀求生，張帥，等.聚氨酯/環氧樹脂改性瀝青混合料路用性能研究[J].公路交通科技，2022，39（9）：9-15.

[11]李栓，張寶艷，張思，等.酚醛環氧樹脂改性環氧膠粘劑的耐熱性能研究[J].化工新型材料，2023，51（1）：272-275.

[12]張長林，張丹，張勇強，等.路用水性聚氨酯改性環氧樹脂的制備與工作性能[J].中外公路，2022，42（1）：215-220.

[13]FARAJPOUR T，MORADI S，REZAEI-VAHIDIAN H.Synthesis of a new polyurethane-based liner modified by carbon nanotube to prevent plasticizer migration[J].Poly-mer bulletin，2022，79（5）：2903-2914.

[14]鄧桃益，孫佳春，王書平，等.聚氨酯膠粘劑在陶瓷增強樹脂基抗彈復合材料中的應用[J].工程塑料應用，2022，50（8）：135-139.

[15]計少妮.水性聚氨酯建筑涂料的發展及改性分析[J].粘接，2022，49（7）：73-75.

[16]劉漢超，周永，李利偉，等.高觸變性無填料水性環氧膠粘劑的制備與應用[J].新型建筑材料，2022，49（3）：118-122.

[17]吳連鋒，朱洪宇，申小松，等.1，5-萘二酚改性環氧樹脂及其氮化硼復合材料的制備與導熱性能[J].中國表面工程，2024，37（1）：110-117.

[18]石碧茹，武浩浩，謝昊圃，等.Diels-Alder型自修復聚氨酯膠粘劑的制備及其性能[J].應用化學，2023，40（2）：277-287.

（責任編輯：伍鈺）