第四章建筑胶粘剂

第七章建筑胶粘剂第一节建筑胶粘剂概论凡是能把各种块状、散粒状、粉状材料紧密连接在一起而共同发挥作用的物质称为胶粘剂，简称胶。采用胶黏剂将各种材料或部件连接起来的技术称为胶接技术一.国内外建筑胶粘剂应用概况许多出土文物表明，5000年前我们祖先就会用粘土、淀粉和香松等天然产物做胶黏剂；4000千多年前就会用生漆做胶黏剂和涂料制造器具；3000年前的周朝已用动物胶作木船的填缝密封胶。2000年前的秦朝用糯米浆与石灰作砂浆粘合长城的基石，使万里长城成为中华民族伟大文明的象征之一。到上世纪初，合成酚醛树脂的发明，开创了胶黏剂的现代发展史。目前，与三大合成高分子材料的产量比较，胶黏剂只占第五位，但年增长速度则居第一位。目前，胶黏剂的应用已渗入到国民经济中的各个部门,成为工业生产中不可缺少的技术，在高技术领域中的应用也十分广泛。如据报导：国外在生产一辆汽车中要使用5～10kg胶黏剂；一架波音飞机的粘接面积达到2400m2；一架宇航飞机需要粘接30000块陶瓷片。从市场应用看，建筑业用量最大，约占总胶量51.8%，其次是纸包装业，约占总胶量的12.6%，第三是制鞋业，约占9.0%。木材胶黏剂用量日益扩大增多，全世界木材胶黏剂产量占胶黏剂总产量的3/4，如美国约60%的合成胶黏剂用于木材加工业，俄罗斯为79%，日本为75%，在我国60%～70%的胶黏剂也用于木材加工业。预计2010年我国合成胶黏剂的需求量将达到480万-500万吨。2004年中国大陆胶黏剂产量总计379万吨。我国目前已有1200多家企业，品种牌号3000多个，胶黏剂生产能力300万ｔ。其中产量最大的仍然是三醛胶(酚醛、脲醛和三聚氰胺甲醛)和乳液型胶，二者分别占总产量的45.2%和29.2%。（一）国外建筑胶粘剂的发展概况20世纪40年代，由于合成高分子工业的发展，一系列性能优异的合成胶粘剂面世，建筑工业同时开始使用胶粘剂。建筑胶粘剂不仅可以促进了建筑制品工厂化生产，而且加快了现场施工速度，减轻了劳动强度，提高了效率，同时胶粘剂成为预制复合建材和现场施工不可缺少的材料。胶粘剂在工业国家正稳步发展并趋向成熟。随着技术的进步，胶粘剂的特性向高性能发展，例如耐热、耐低温、阻燃、绝缘、导电、导热、高强度等热、电、力学性能的提高。由于日益严格的环保要求，工业国家合成胶粘剂产品构成比例特点是水基型大大高于溶剂型，且有发展和改进并举的趋势。（二）国内建筑胶粘剂发展的概况我国合成胶粘剂的研制、生产以及粘接技术的推广应用始于1958年。近20年来，由于我国经济建设的发展和人民生活水平提高，极大的促进了胶粘剂工业的发展。我国在2000年建筑胶粘剂的用量达到60万t左右。我国在20世纪70年代末和80年代初我国开发出建筑胶粘剂及混凝土界面处理剂系列产品，因其对饰面砖粘接力高、弹性模量小，在装修方面工程中得到了广泛的应用。国内常用的建筑胶粘剂主要有以下几类：1、乳液型建筑胶粘剂：乙烯－乙酸乙烯、丙烯酸乳液、水乳环氧、纤维素醚类溶液及聚乙烯醇缩甲醛（107胶）等，它们是以水为分散介质，现场只需加入预拌好的硅酸盐水泥、砂子中，和匀后即成聚合物砂浆，用于饰面砖板粘贴、抹灰及批刮腻子等。2、粉状型建筑胶粘剂：常用的胶粘剂有纤维素醚类，可再分散的乳液粉；目前这些干粉均需进口。3、膏状胶粘剂：市场上出售的膏状胶粘剂大都以乙烯－乙酸乙烯为胶接料，以松香的乙醇溶液为增塑剂，在加入无机填料及甲苯经搅拌制成；使用方便。4、混凝土界面处理剂：1981年我国有关单位开发出混凝土界面剂，它是通过被粘接物的表面如混凝土基层、饰面砖板被粘面的涂覆，然后再用普通水泥砂浆粘贴，从而增加了界面的粘接力。5、建筑密封胶：主要用于玻璃与金属、金属与金属、金属与混凝土、混凝土与混凝土之间的密封，要求粘接力牢固、弹性、防水、耐老化性能好。6、建筑结构及化学灌浆用胶粘剂：环氧树脂、改性环氧。7、建筑防腐胶粘剂：这类胶多为双组分溶剂型胶粘剂，如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、呋喃树脂等。主要适用于酸、碱、盐腐蚀的场合，建筑工程使用胶粘剂的主要优点有以下几个方面：1.薄膜材料、纤维材料、碎屑材料等只能用胶粘剂才能将他们连接复合成为所需要的建筑材料。例如：玻璃纤维增强材料、刨花板、木屑板、层合板等都是利用胶粘剂复合成材的。2.胶粘缝的应力分布面积较之机械连接宽大且均匀，这使复合材料避免或可缓解应力集中导致的破坏，从而利于制作轻质高强的复合材料。4.胶粘缝有气密、水密的特点，从而有利于建筑节能。5.胶接可以将两种不同材料甚至热膨胀系数相差很大的材料用弹性胶连接复合，因为弹性胶可以减弱或克服温度变化产生的应力破坏。3.各向异性材料的强度质量比和尺寸稳定性可以利用合理的胶接设计获得改善。二、胶粘剂的组分与分类胶粘剂是多组分的材料，从功能上可分为两部分：一是基料或称粘料，是胶黏剂的主要成分，它决定着胶的主要性能；有天然聚合物、合成聚合物及无机物三大类。二是助剂，主要包括固化剂与硫化剂、催化剂与促进剂、增塑剂、增韧剂、稀释剂、着色剂、偶联剂及有关填料等。1、粘料：粘料即粘合物质，它是胶粘剂的基本成分，胶粘剂的粘结性能主要有粘料决定，粘料通常由以下物质组成。（1）天然高分子化合物：淀粉、蛋白质、动物皮胶、骨胶及天然橡胶等。（2）合成高分子化合物：有热固性树脂如酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、有机硅树脂等；热塑性树脂如聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩醛类树脂、聚苯乙烯等；弹性材料如氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚硫橡胶等。（3）无机化合物：某些磷酸盐、硅酸盐等。2、固化剂：是使液态基料通过化学反应，发生聚合、缩聚或交联反应，转变成高分子量固体，使胶接接头具有力学强度和稳定性的物质。不同的基料应选用固化快、质量好、用量少的固化剂。3、填料：在胶粘剂中加入一定量的填充物，可增加胶粘剂的稠度，降低膨胀系数，减少收缩性，提高胶层的冲击韧性和其他机械强度。同时，可增加胶接接头的耐热性，降低胶粘剂成本4、溶剂：在溶剂型的胶粘剂的组合中，需用有机溶剂来溶解粘料，调节其粘度，提高渗透力，延长使用寿命，以便于施工。溶剂的挥发速度，对胶接质量有较大的影响。5、其它助剂：为了满足某些特殊要求，在胶粘剂中常需加入其他一些附加剂，如增塑剂、防霉剂、防腐剂、防老化剂等用于改善胶粘剂的性能。胶粘剂大致的分类：按胶粘剂基料的化学组成分类可分为无机、有机两大类，其无机物与有机物之间的复合可作为第三类。按用途分类可分为三类:1）结构胶这类胶有较好的粘结强度、耐热、耐候、耐疲劳性能、能承受较大的负荷。2）非结构胶这类胶的胶接强度不高，不能承受较大的负荷和较高的温度。3）特种胶能满足某些特殊性能要求的胶粘剂。如耐高温胶、压敏胶、应变胶、导电胶、医用胶、水下胶、导磁胶等。无机胶粘剂：硅酸盐、磷酸盐类、硼酸盐类、硫酸盐类等天然橡胶：动物胶、植物胶胶热固性：EP、PP、UP、PUR、UF等粘有机胶粘剂合成树脂剂热塑性：PVAC、PVAL、PVB、PS等合成橡胶：CR、SBR、NR等复合胶粘剂：4115建筑胶、水泥－107、水泥－石膏－107等另外，按胶接工艺特点分类：可分为热熔胶、常温固化胶、高温固化胶、厌氧胶等；按胶的状态分类：可分溶剂型胶、溶液型胶、乳液型胶、粉状胶、股状胶、糊状胶、胶带等。三、建筑胶粘剂的主要生产设备：建筑胶粘剂属于精细化工产品一般生产规模不大，其生产的关键设备是粘料合成的有关设备。由于多数粘料是以釜式间歇法生产为主，因此，需要聚合釜、溶解釜以及搅拌、抽真空、加热、混溶等有关设备和仪器。第二节常用的胶粘剂（一）聚乙烯醇（PVAL）胶粘剂：a聚乙烯醇结构式表示如下：一、聚乙烯醇（PVAL）类市售的PVAL有两种规格：型号1788:聚合度为1700左右，水解度为88％，含乙酰基12％；型号1799：聚合度1700左右，水解度为99％，含乙酰基1％。常见PVAL的品种和特点见表。型号聚合度水解度性能特点用途17－9915－1001700150099.099.0强度高高耐水性作耐水性较高的胶粘剂05－10050099耐水性高，稳定作耐水胶粘剂05－8809－8810－8812－8815－8817－8820－885009001000120015001700200088±288±288±388±287±488±288±2易溶于水作再分散型乳液胶粘剂05－7550073－75低粘度作高固体含量的胶粘剂30－8824－883000240088±288±2高粘度，触变性好作高粘度胶粘剂b增塑剂增加膜的韧性，常用甘油、聚乙二醇、聚酰胺等。c填料提高粘结速度，降低成本，常用淀粉、松香、粘土等d熟化剂可使PVAL分子间有一定程度上的物理、化学交联作用，提高其耐水性；常用无机酸、多元有机酸、Na2SO4、ZnSO4、(NH4)2SO4等；也可加热到160－200℃使其熟化。e防冻剂常用的有乙二醇，一般加入量为0.l－0.2％。f防腐剂常用甲醛，一般加入0.1一0.2％。制备在带有搅拌和夹套加热设备的反应釜中，按10％浓度投入固体PVAL，搅拌、溶解，其温度在90～95℃，溶解完全后冷却，即得粘料，加入有关助剂后即为商品胶。（二）聚乙烯醇缩醛胶粘剂1.107胶（PVFM）：是PVAL(1799或1788)和HCHO(工业品37％)在酸催化下反应，PVAL的羟基对羧基进行亲核加成，然后缩水。生产工艺按配方将一次水(800份)放入反应釜中，投入PVAL；在30min内将温度升至85～92℃，保温、搅拌，使其完全溶解；加入HCHO，用盐酸调PH值在2～2.5，先在78－80℃下反应1h，为使分子间有更多的交联，可再升温至90±2℃(注意要严格控制)，在不断搅拌下降温至60℃左右，立即加入二次水(100份)稀释，然后用NaOH中和至PH＝7～7.5，冷却至40℃，放料。产品的外观为透明、半透明胶液。2．聚乙烯醇缩丁醛（PVB）：由PVAL和丁醛CH3CH2CH2CHO在酸性条件下反应而成的；生产工艺：在95℃下将PVAL溶解，降温至50℃后加入丁醛，搅拌、冷却至18土5℃，加入盐酸(在15min内加完)，保温1.5h，然后以10℃／h的速度缓慢升温至50℃，保温lh，冷却，水冲洗至中性，用蒸馏水洗至无氯根，加0.6％的NaHCO3在室温搅拌下进行稳定处理2h，最后在50℃下烘干，可制得含丁醛基44～48％的PVB。这种树脂在乙醇中溶解性好，并且透明，耐水、耐候、耐油。可与环氧树脂混合使用，附着能力强，涂膜强度高。3.聚乙烯酸缩甲醛的改性107胶是70年代用于建筑作业的，该胶原本不是用于建筑的，它的一些质量标准和要求也不适合建筑要求，但由于它具有较高的性能价格比，所以过去在建筑中大量的被采用。现在由于从环保角度上考虑，产品中游离甲醛给环境和人类健康造成不良影响，因此淘汰107胶在建筑中的应用也是必要的，但也可通过改性减少游离甲醛和不用甲醛原料。(1)尿素改性——801建筑胶采用尿素与甲醛进行氨基化反应，可有效地降低其含量。而且性能与PVFM一样，此称改性107胶或801建筑胶。801胶的生产工艺与PVFM相同，只是在用碱调PH＝7－8之后，再加适量的尿素进行氨基化处理，即得801胶。尿素加入量一般为甲醛用量的20％左右。801胶的质量指标中，游离甲醛含量≤1％，其它指标与107胶相同。(2)其它改性：糠脲改性：在酸性条件，甲醛、糠脲、PVAL三者共缩聚，从而可制得含有呋喃环的胶粘剂；苯酚改性；糊精和聚丙烯酰胺(PAM)改性。二、聚醋酸乙烯酯（PVAC）胶粘剂（一）聚醋酸乙烯酯乳液胶（俗称白乳胶）1.生产方法：在不锈钢反应釜中加入PVAL，加水、加热(90土2℃)溶解，降温至60～70℃；加入OP-10、辛醇和引发剂(总量的1/2，用五倍水溶解)；缓慢加入单体，依回流速度和起泡情况调节加料速度，在3～4h内加完，反应温度保持在65～82℃之间；单体加完后保持20min，开始升温，同时缓慢加入余下的引发剂，使内温保持90～95℃，保持10min后降温；当内温降至60℃以下，加入NaHCO3，调PH为4～6，再加入DBP，搅拌l