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表面活性劑對(duì)環(huán)氧漿液的黏度、表面張力、接觸角、滲透性的影響（二）
來源：《長江科學(xué)院院報(bào)》 瀏覽 1116 次 發(fā)布時(shí)間:2024-08-22
4表面活性劑對(duì)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а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。親水端疏水端單體表面活性劑雙子表面活性劑。
圖6表面活性劑結(jié)構(gòu)示意圖
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(duì)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—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(duì)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——γSLγL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(duì)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(duì)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(duì)照組。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%。