建筑施工中的新型环保复合胶工艺分析_李晨晨.pdf

学术论文粘接书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?Academic papers研究报告专论建筑施工中的新型环保复合胶工艺分析李晨晨，任伟强（中交第三航务工程局有限公司 交建工程分公司，上海200030）摘要：针对环保复合胶会对建筑施工环保造成影响，提出了建筑施工中的新型环保复合胶工艺。以淀粉和聚乙烯醇作为基胶添加氧化剂、交联剂等提升复合胶性能，并通过调整淀粉、聚乙烯醇、双氧水等原料及添加剂的用量，试验制备出质量较好的新型环保复合胶。结果表明，淀粉用量为40%，1.2 mL双氧水，质量分数1.2%聚乙烯醇，硼砂用量为8 mL，过硫酸铵用量为0.33%，12%羧基丁腈胶乳配比下，新型环保复合胶的胶合强度较好，同时干燥时间与剥离强度都较高，硼砂用量与羧基丁腈胶乳用量还能有效提升新型环保复合胶的耐水性能。关键词：建筑施工；新型环保复合胶；淀粉基胶；聚乙烯醇；羧基丁腈胶乳中图分类号：TQ437文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）03-0013-05Analysis of new environmental protection compoundadhesive technology in building constructionLI Chenchen，REN Weiqiang（CCCC Third Navigation Engineering Bureau Co.，Ltd.，Traffic Construction Engineering Branch，Shanghai 200030，China）Abstract:In view of the impact of environmental protection compound glue on the environmental protection ofbuilding construction，a new process of environmental protection compound glue in building construction was proposed.By adjusting the dosage of starch，polyvinyl alcohol，hydrogen peroxide and other raw materials and additives，the best quality of the new environmental protection compound adhesive was prepared.The experimental results show that with the ratio of 40%starch dosage，1.2 mL hydrogen peroxide，1.2%polyvinyl alcohol，8 mL borax，0.33%ammonium persulfate and 12%carboxyl butyronitrile latex，the new environmental protection composite adhesive has good bonding strength，and its drying time and peel strength are higher.The amount of borax and carboxyl butyronitrile latex can also effectively improve the water resistance of the new environmental protection composite adhesive.Keywords:building construction；new environmental protectioncomposite adhesive；starch based glue；polyvinyl alcohol；carboxyl nitrile latex2023 年 3 月第 50 卷第 3 期doi:10.3969 j.issn.1001-5922.2023.03.004Vol.50 No.03，Mar.2023收稿日期：2022-08-10；修回日期：2023-02-27作者简介：李晨晨（1993-），男，本科，助理工程师，研究方向：建筑工程；E-mail：。引文格式：李晨晨，任伟强.建筑施工中的新型环保复合胶工艺分析J.粘接，2023，50（3）：13-17.胶粘剂在建筑施工工程中应用较为广泛，使用范围：粘接建筑结构和非建筑结构，这2种应用范围均要求胶粘剂具有较高粘接强度1-3。建筑在建造和装修过程中都需要使用大量板材，板材之间的连接13书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?学术论文Academic papers粘接研究报告专论除了钢钉连接以外还需要大量使用胶粘剂。目前建筑行业使用最多，同时也是销售最为广泛的建筑施工用胶粘剂为溶剂型聚氨酯胶粘剂、三醛胶、聚醋酸乙烯酯乳液胶等，这些胶粘剂符合建筑施工所需的力学性能与粘接性能，制备过程中工艺技术也较为成熟。但是这类胶粘剂需要从石油化工材料中提取原料，目前全世界范围内石油原料都比较紧张，原料成本不断上升，而且这类原材料污染性较大。随着各级政府以及全体民主环保意识越来越高，这种原料制备而成的高分子化合物胶粘剂的缺点逐渐暴露出来4-6。这类使用石油化工材料作为原料的胶粘剂原料降解性较差，使用后会对生态环境造成严重污染，除原料污染性较高以外，制备过程还会产生大量污染成分，导致发生二次污染。我国建筑施工过程中曾经大量使用这类胶粘剂，并且逐渐意识到这类胶粘剂使用后的危害，也尝试研制环保效果较高的胶粘剂，这类胶粘剂以丙烯酰胺作为原料，制备成本较高，加剧整个建筑施工的成本7-8。面对以上种种限制，众多研究者尝试研制成本低廉、生态环保、粘接性能良好的新型环保胶粘剂，并且将这类全新的环保型胶粘剂应用于建筑施工过程之中，既降低施工成本，同时提升环保性能与施工效果，获得较为理想的胶粘效果9。基于以上分析，研究建筑施工中的新型环保复合胶工艺，以淀粉作为原材料，制备胶粘剂，并且验证该胶粘剂的各项性能。1材料方法1.1材料与仪器设备1.1.1原材料选用羧基丁腈胶乳：分析纯，东莞市盛浩塑胶原材料有限公司；植物淀粉：大城县韩庄新丰化工有限公司；双氧水：天津市张大科技发展有限公司；聚乙烯醇：分析纯，沈阳市龙剑建辉新材料有限公司；硼砂：山东鑫洪生物科技有限公司；去离子水：山东菲特化工科技有限公司；过硫酸铵：分析纯，沈阳炯道化工有限公司；氢氧化钠；分析纯，湖北褚硕生物科技有限公司；硫酸亚铁：分析纯，巩义市远成环保科技有限公司。1.1.2仪器设备ZYH-10烘干箱：济宁诺伯漫机械设备有限公司；90瓷研磨钵与研磨杵：任丘市寒瑞金属工具有限公司；HH-4恒温水浴锅：山东科诚科学仪器有限公司；WAW-1000万能试验机：济南众测试验仪器有限公司；LC-8005万能压力机：东莞市理测仪器有限公司；FA1004X电子天平：天津天马衡基仪器有限公司；101-1A恒温箱：河北朵麦信息科技有限公司。1.2实验方法1.2.1新型环保复合胶工制备1）淀粉基胶取1只烧杯，将150 g去离子水植入其中，利用加热设备将该去离子水升温至70，边搅拌边倒入植物淀粉；为调节该基胶的pH值为碱性，向溶液中添加质量分数为35%的氢氧化钠，在该溶液中继续加入双氧水和0.3 g硫酸亚铁；为实现氧化将该溶液置于恒温箱之中30 min，取出后继续添加氢氧化钠5 g，将恒温箱温度调整至70 糊化处理30 min10-11。2）聚乙烯醇基胶将300 g去离子水添加到一只三口反应瓶，该瓶搭配一个转速设定为350 r/min的搅拌器与温度计，在搅拌状态下缓慢向三口瓶中加入聚乙烯醇，使用加热设备将溶液温度升至90 并保持搅拌12-13，直至聚乙烯醇完全溶解。溶解后将温度降至65，仍旧保持搅拌添加过硫酸铵0.16 g，保证溶液处于氧化状态25 min。3）新型环保复合胶将1）中制备完成的淀粉基胶倒入2）中的三口瓶之中，充分搅拌，并使用加热设备升温至80，添加硼砂溶液并且静置0.5 h，确保复合胶发生反应，添加羧基丁腈胶乳提升复合胶的耐水性，仍旧使用氢氧化钠调整复合胶至弱酸性，将温度升至90，直至复合胶呈现出半透明的淡黄色复合胶。4）试件模块制备选用建筑施工中经常使用的杨木作为试件模块，为方便试验，将各个模块裁剪为 250 mm250 mm2 mm的薄板模块，试验过程中将本文所制备的新型环保复合胶涂抹至该模块表面并粘合。1.2.2淀粉用量对新型环保复合胶性能影响新型环保复合胶之中，淀粉基胶的添加量直接影响新型环保复合胶的粘接强度，已有研究表明，淀粉用量越少，导致制备后的胶体黏度过低，如果淀粉用量较高又会导致制备完成后的复合胶黏度过高，拉伸性能较差，所以需要探索出合理的淀粉基胶用量14-16。新型环保复合胶制备过程中调整淀粉用量，分别为35%、40%、45%、50%，将制备完成的新型环保复合胶建筑用木材模具上，将万能试验机的压力设置为（1.50.1）MPa，将各个试件置于该万能试验机上压置2 d。压置结束后利用万能力学试验机测试不同淀粉用量的胶合强度。力学试验结束后，将各个试件置于温度调整为28 的恒温水浴锅中浸泡，观察各个试件表面是否出现脱落或者溶胀现象，越晚出现开胶证明复合胶所具备的耐水性能越好。1.2.3双氧水用量对新型环保复合胶性能影响双氧水能够提升复合胶的黏度，加快胶体的氧化速度，但是使用不当却会破坏复合胶的胶合强度，所以需要合理调整双氧水用量17。在上文4种不同淀粉含量的复合胶基础上调整双氧水用量，分别为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0和2.4 mL，反应时间设置为2 h。同样使用万能压力机测试各个试件的胶合强度。14学术论文粘接书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?Academic papers研究报告专论1.2.4聚乙烯醇用量对新型环保复合胶性能影响聚乙烯醇是广泛应用于建筑施工过程中板材粘接的胶粘剂，是建筑施工时常见的胶粘材料。胶粘性与韧度都符合目前建筑施工需求，耐腐蚀、耐磨损、热稳定性较高，但是这种胶粘剂是一种多羟基水溶性高分子材料，遇水容易损坏。所以目前研究者尝试使用甲醛帮助聚乙烯醇发生醛化反应，或者使用甲苯二异氰酸酯改善聚乙烯的性能，但是这些添加剂污染较高，不利于人体健康；另一部分学者则使用木质纤维改善聚乙烯醇的性能，但是成本较高18。考虑以上这些缺点，本文使用不同用量的淀粉：35%、40%、45%、50%，与不同用量的聚乙烯醇：4%、8%、12%、16%，调配出新型环保复合胶，制备完成后仍旧涂于木块模具之上，通过万能压力机测试各个试件的胶合强度。1.2.5硼砂用量对新型环保复合胶性能影响硼砂是一种交联剂，用于促进淀粉与聚乙烯醇的减料，有利于复合胶的粘性与交联度的提升19。本文制备复合胶时使用6%硼砂溶液，调整硼砂的用量分别为5、6、7、8、9和10 mL，淀粉质量分数分别为35%、40%、45%、50%，聚乙烯酸质量分数为12%。为观察不同用量硼砂下复合胶干燥时长所受影响，将不同淀粉用量、硼砂用量配比的复合胶均匀涂抹于木块模具之上，并使用相同大小的模具粘接到一起。利用电子天平记录各个试件的初始质量，将各个试件置于自然通风环境之中，每间隔8 min称重1次，直至质量不再发生变化，将初始质量与至恒重之间所用试件记录下来，得到不同硼砂用量下复合胶干燥所需时间。以GB/T 27911995标准作为依据，使用胶粘强度剥离试验方法检测本文所制备不同硼砂含量复合胶的剥离强度。1.2.6过硫酸铵用量对新型环保复合胶性能影响过硫酸铵是一种常用于淀粉溶解的助氧化剂，能够提升胶体的固化速度与耐水性，与淀粉中的蛋白质发生反应提高淀粉基胶的粘接性能20。过硫酸铵同时也是聚乙烯醇反应的重要助氧化剂，添加过硫酸铵能够加快淀粉与聚乙烯醇的反应速率，在过硫酸铵的影响下，淀粉和聚乙烯醇彼此脱水，构建出网络结构能够一定程度提升复合胶的胶合强度。经过上文试验，基本已经确定40%淀粉添加量的复合胶具有良好性能，所以该节实验在质量分数40%淀粉，质量分数1.2%聚乙烯醇的复合胶基础上开展。调整过硫酸铵质量分数分别为0.18%、0.23%、0.28%、0.33%、0.38%、0.43%和0.48%，使用万能压力机验证不同过硫酸铵用量下复合胶的复合强度，将不同过硫酸铵用量制备的复合胶涂于木块模具之上，干燥后浸泡在28 的恒温水浴锅中，记录各个试件的开胶时间。1.2.7羧基丁腈胶乳用量影响新型环保复合胶微观形貌新型环保复合胶的主要原料是淀粉与聚乙烯醇，已有研究表明，这2种胶粘剂的耐水性能均不太理想，所以需要添加水分散型高分子乳液提升新型环保复合胶的耐水性能。为获得性能较为良好的新型环保复合胶，本文选择粘性与活性都较高的羧基丁腈胶乳；为验证不同用量羧基丁腈胶乳对于新型环保复合胶耐水性的影响，选择不同质量分数0%、8%、12%，羧基丁腈胶乳添加至质量分数40%淀粉的基胶之中，与其他添加剂共同混合制成应用于建筑施工之中的新型环保复合胶。将制备完成后，将不同羧基丁腈胶乳含量的新型环保复合胶倒至铝箔纸之上，使用刮板刮匀，将烘干箱的温度调至120，将各个新型环保复合胶置于烘干箱之中，烘干至质量恒定，将各干燥成膜的新型环保复合胶使用研磨钵和研磨杵手动研磨成粉末，镀金处理后使用扫描电子显微镜观察各新型环保复合胶粉末的微观形貌。2结果分析2.1淀粉用量对新型环保复合胶性能影响调整复合胶中淀粉用量，使用万能压力机测试各个复合胶试件的胶合强度以及耐水性能，结果如表1所示。表1淀粉用量差异下胶合强度与耐水性测试结果Tab.1Test results of adhesive strength and waterresistance under different starch dosage淀粉用量/%35404550胶合强度/MPa4.514.874.354.12开胶时间/h18242016由表1可知，当淀粉质量分数为40%时，试件浸泡24 h才出现开胶情况，且该淀粉用量条件下，复合胶的胶合强度最高，达到4.85 MPa。但如果继续增加淀粉用量将会造成复合胶粘性升高，此时复合胶流动性发生降低，耐水性与胶合强度出现显著下降，所以并不是淀粉用量越高，复合胶的性能越好。从目前试验结果来看，复合胶中，淀粉质量分数为40%时，复合胶性能最好。研究中还会调整复合胶的其他添加剂用量，以此获得性能最佳的新型环保复合胶。2.2双氧水用量对新型环保复合胶性能影响双氧水的使用会改变淀粉的结构，所以研究不同双氧水用量下复合胶的胶合强度变化情况，结果如图1所示。从图1可以看出，双氧水用量会极大程度影响复合胶的胶合强度，双氧水用量与复合胶黏度呈现出反比例关系。受到双氧水影响，淀粉中的羟基发生氧化转化为醛基，产生胶接性能，继续添加双氧水15书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?学术论文Academic papers粘接研究报告专论导致淀粉中剩余的羟基也出现氧化，淀粉结构中所包含的甙键遭受断裂破坏，分子量发生下降，导致降低复合胶黏度。淀粉这一变化导致复合胶的胶合强度出现先升高后降低的变化趋势。综合来看，双氧水用量一定程度影响复合胶的性能，但是双氧水用量为1.2 mL时，淀粉用量为40%的复合胶胶合强度最高，且该用量的双氧水不会导致复合胶黏度变小的问题。2.3聚乙烯醇用量对新型环保复合胶性能影响在不同淀粉含量的复合胶中添加不同质量分数的聚乙烯醇，分析复合胶胶合强度发生的影响，具体如图2所示。2.42.32.22.121.9胶合强度/MPa00.40.81.21.6聚乙烯醇用量/%35%淀粉用量45%淀粉用量50%淀粉用量40%淀粉用量图2聚乙烯醇用量差异下复合胶胶合强度变化Fig.2Changes in bonding strength of composite adhesivewith different amount of PVA从图2可以看出，如果聚乙烯醇的用量较少，会导致复合胶中缺少醛基与羧基，导致复合胶的胶合强度较差，但是如果聚乙烯醇的用量过度又会导致复合胶不能完全发生氧化，同样会出现胶合强度下降的情况，所以需要适量选择聚乙烯醇的用量。2.4硼砂用量对新型环保复合胶性能影响通过质量称量获得不同硼砂用量下，不同淀粉含量复合胶的干燥时长变化情况，结果如表2所示。由表2可知，随着硼砂用量增加，各组试件的干燥时间均保持下降趋势，而且淀粉用量越少，干燥时间越短，这种情况是由于硼砂的使用导致淀粉之中的分子结构出现交联现象。复合胶整体结构转变为网状高分子络合物，稳定性与内聚力得到提升，所以硼砂用量越大，复合胶的干燥时间越短。另一方面，淀粉较少的情况下，硼砂所需反应的原料也较少，所以一定程度上能够缩短干燥时间，而淀粉用量较多情况下，硼砂需要更多反应时间，所以干燥时间也更长。不同硼砂用量下复合胶剥离强度变化情况如表3所示。表3不同硼砂用量下复合胶剥离强度差异Tab.3Different stripping strength of compositeadhesive under different borax dosageN/mm硼砂mL567891035%淀粉20.6823.7548.3151.6446.4840.8540%淀粉22.4825.0251.3354.9642.3536.8245%淀粉21.5524.3549.2152.6643.8738.5450%淀粉20.3222.6949.9853.8241.6537.88由表3可知，硼砂用量越多，各个时间保持先升高后降低的趋势，硼砂中的成分会与淀粉发生反应形成一个比较稳定的结构，提升复合胶的内聚力，提升复合胶的剥离强度。但是如果硼砂用量过多同样会造成复合胶黏度下降，导致剥离强度也随之降低，所以需要适量使用硼砂。2.5过硫酸铵用量对新型环保复合胶性能影响调整过硫酸铵用量，观察复合胶胶合强度与开胶时间变化情况，结果如图3所示。从图3可以看出，随着过硫酸铵用量增加，复合胶的胶合强度与开胶时间保持上升趋势，但是继续增加过硫酸铵复合胶的胶合强度与开胶时间保持下降趋势，由此可以看出，过硫酸铵用量为0.33%时，复合胶性能最好。2.6新型环保复合胶微观形貌使用扫描电子显微镜观察各不同羧基丁腈胶乳含量的新型环保复合胶微观形貌，由此判断新型环543210胶合强度/MPa0.40.81.21.62.02.4双氧水用量/mL35%淀粉用量45%淀粉用量50%淀粉用量40%淀粉用量图1双氧水用量差异下复合胶胶合强度变化Fig.1Changes in bonding strength of compositeadhesive with different dosage of hydrogen peroxide表2不同硼砂用量下复合胶干燥用时Tab.2Drying time of composite adhesive withdifferent amount of boraxmin硼砂mL567891035%淀粉110927251433940%淀粉1201058675685445%淀粉1301179485736450%淀粉14012410899837816学术论文粘接书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?Academic papers研究报告专论保复合胶的耐水性，观察结果如图4所示。（a）0%羧基丁腈（b）8%羧基丁腈（c）12%羧基丁腈胶乳含量胶乳含量胶乳含量图4不同羧基丁腈胶乳含量的新型环保复合胶微观形貌Fig.4Micromorphology of the new environmentalprotection composite adhesive with differentcarboxyl butyronitrile latex contents从图4（a）可以看出，如果在淀粉基胶中未添加羧基丁腈胶乳，基胶中的淀粉遭受严重破坏，淀粉颗粒受到其他添加剂影响出现细片形状，部分淀粉颗粒团聚在一起，整体来看，淀粉颗粒、团聚颗粒之间存在比较大的间隙；使用少量羧基丁腈胶乳8%后，淀粉已经不存在显著颗粒形状，原本的球型颗粒破碎，重组后变为近似方块的形状，各个颗粒之间相互缠绕，团聚成一个整体，仅有少量淀粉颗粒依旧分散在团聚结构间隙之中；当羧基丁腈胶乳用量为12%时，全部淀粉颗粒均成为团聚状态凝聚在一起，彼此咬合，呈现一个完整的表面结构，但是该结构外部较为致密粗糙，内部已经不能看到完整的淀粉颗粒。由此可以确定，羧基丁腈胶乳添加量为12%的新型环保复合胶具有较为致密的交联结构，能够抵挡水分的渗入，使得新型环保复合胶具有较强耐水性能。3结语研究应用于建筑施工环境之中的新型环保复合胶，并分析各种主料与辅料用量下，复合胶的性能。通过研究发现，适量使用淀粉胶与聚乙烯醇胶混合后获得的新型复合具有较高胶合强度；添加适量硼酸能够提升该复合胶的连接性与稳定性，同时硼酸用量越多，复合胶干燥越快；双氧水的添加能够一定程度提升复合胶的胶合强度，但是双氧水用量过度将会直接降低复合胶的黏度，不符合建筑施工过程中材料粘接所需标准。淀粉基胶与聚乙烯醇胶的耐水性能均较差，虽然使用硼砂能够一定程度改善该情况，但是并不理想，所以在复合胶中添加羧基丁腈胶乳，增强复合胶的耐水性能，使得所制备的新型环保复合胶具有更加良好的性能，在建筑施工领域使用寿命更长。【参考文献】1孙文轩，朱松，张琪，等.改性淀粉胶黏剂的制备及特性研究J.食品与生物技术学报，2022，41（3）：53-58.2王学川，朱镜柏，张慧洁，等.超支化聚合物改性明胶胶粘剂的制备及性能J.精细化工，2020，37（3）：615-621.3李伟，张量.水性丙烯酸塑胶跑道胶粘剂的性能研究及其应用J.新型建筑材料，2022，49（1）：63-67.4邵卓峰，孙亚东，富尔雅.室内装饰胶合板用改性淀粉胶粘剂的制备及应用J.东北林业大学学报，2020，48（12）：118-123.5陈秀兰，杜官本，范恩庆，等.工艺参数对脲基超支化聚合物改性效果的影响J.林产工业，2022，59（4）：20-24.6万爱国.环氧树脂胶粘剂在建筑结构设计中的应用J.粘接，2022，49（7）：41-44.7丁雪峰，马晓东，齐云洹.表面淀粉胶净化技术在箱纸板生产中的应用J.中国造纸，2019，38（8）：82-86.8程安仁，矫阳，陆永俊，等.天然橡胶/三元乙丙橡胶并用胶共混改性研究进展J.合成橡胶工业，2022，45（3）：259-267.9曾义.结构胶粘剂对后锚固法检测混凝土抗压强度精度的分析研究J.粘接，2020，42（6）：23-25.10王永贵，林承成，张曾，等.高强耐水木薯淀粉/PVA木材胶黏剂的合成与性能J.现代化工，2019，39（4）：75-78.11王小荣，马国艳，惠瑞敏.改性羧甲基淀粉胶黏剂的制备及性能测试J.化学工程师，2021，35（5）：11-13.12李冠君，李彤彤，李民，等.热处理温度对橡胶木材淀粉含量的影响J.热带作物学报，2019，40（1）：180-183.13李耀明，姜宏，石永芳.壳聚糖/聚乳酸/羟基磷灰石/聚乙烯醇复合材料骨支架的制备及表征J.中国组织工程研究，2022，26（18）：2888-2893.14李萌萌，王海杰，曹新华，等.化学改性制备豆粕基木材胶黏剂J.中国油脂，2021，46（7）：57-63.15王学川，王利红，张思肖，等.聚氨酯交联改性工业明胶木材胶黏剂的制备与性能J.高分子材料科学与工程，2020，36（2）：20-26.16岳孔，程秀才，贾翀，等.利用傅里叶变换红外光谱分析高温对木材-胶粘剂界面性能的影响J.光谱学与光谱分析，2019，39（10）：3179-3183.17郝秀，范东斌.环氧化合物改性大豆蛋白胶黏剂制备工艺与性能研究J.林产工业，2019，56（11）：48-51.18李迪.天然纤维增强聚乳酸复合材料成型工艺及性能研究进展J.塑料科技，2022，50（2）：102-106.19许丽，张定邦，王莉.聚乙烯醇与硅酸钠交联制备成型活性炭J.材料科学与工程学报，2020，38（5）：756-761.20朱参胜，加里 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