3.2表面活性剂对浆液表面张力和接触角的影响研究

将配制好的C0、C1、C2 3种浆液每隔一定时间取样进行表面张力和接触角的测试。测得表面张力随时间变化曲线见图3(a),接触角随时间变化曲线见图3(b)。

从图3中可以发现:3种浆液的表面张力和接触角均随时间的延长而变大;C1、C2的表面张力和接触角在任何时刻均小于C0浆液的表面张力和接触角。C1浆液的表面张力和接触角比C2浆液的表面张力和接触角更小。说明表面活性剂可以降低浆液的表面张力和接触角,不同结构的表面活性剂对浆液表面张力和接触角的降低程度不同。

3.3表面活性剂对浆液固结体力学性能影响研究

3种浆液固结体力学性能对比见图4。由图4可以看出:3种浆液固结体抗压强度和抗拉强度数值差别不大，说明表面活性剂对浆液固结体的抗压强度和抗拉强度无影响。但C1、C2浆液的粘接强度和拉伸剪切强度明显高于C0浆液的粘接强度和拉伸剪切强度。其中C1浆液的粘接强度和拉伸剪切强度比C0浆液分别提高了23.6%和37.5%;C2浆液的粘接强度和拉伸剪切强度比C0浆液分别提高了22.2%和29.2%。其原因在于表面活性剂的加入降低了浆液的接触角，使浆液有更好的浸润性和润湿性，从而提高了浆液的粘接强度和拉伸剪切强度。

3.4表面活性剂对浆液浸润渗透效果的影响

按照2.3所述的模型和试验方法分别进行C0、C1、C2浆液在黏土中的浸润渗透试验。不同浆液的渗透深度随时间变化情况如图5所示。

从图5的试验结果可知:3种浆液在开始渗透后的3h内浸润渗透速度相对较快,3~5h之间,浸润渗透速度相对变慢,5h后浸润渗透高度趋于稳定。在相同时间内,浆液在黏土中的浸润渗透高度C1>C2>C0。渗透稳定后,C1、C2浆液在黏土中的浸润渗透高度比C0浆液的浸润渗透高度分别提高了109.4%和64.7%,说明表面活性剂可以提高浆液的渗透性,且表面活性剂S1提高浆液渗透性的幅度更大。

4表面活性剂对浆液渗透性的影响机理

从浆液固化反应机理分析:在CW灌浆材料配方中除环氧树脂外,还含有糠醛、丙酮等成分。体系中存在3种化学反应,既有环氧基团与固化剂的逐步聚合反应,也有糠醛、丙酮之间α氢的反应,还有糠醛、丙酮与固化剂中胺的反应。随着反应时间的延长,体系分子量不断增加,从而导致浆液的表面张力和接触角均随时间的延长而不断增加。

从图3中可以看出加入表面活性剂S1、S2能降低浆液的表面张力和接触角。这是因为本次浆液改性选用的表面活性剂S1、S2从化学结构上属于双子型非离子表面活性剂。传统表面活性剂和双子型表面活性剂结构示意图如图6所示。

传统表面活性剂只有一个亲水基团和一个亲油基团,而炔醇多功能表面活性剂具有两个亲水基团和两个亲油基团(如图6所示),由两个双亲基对称连接而成，其界面活性远高于传统的表面活性剂。

从分子结构看,炔醇多功能表面活性剂存在一个炔键和两个羟基,这个区域属于高电子密度极性区,属于亲水区域,分子两边多个甲基和碳一碳主链构成憎水区域。结构属于紧凑型ABA形式,在分子结构上是一种非常稳定的二醇,分子量很小,使用很小的剂量就能够提高材料的铺展能力,进而提高材料的可灌性。S2的分子结构比S1的分子结构侧链上多一些乙氧基基团,亲水性更好。

当表面活性剂S1和S2加入到环氧浆液中,其分子迁移到浆液气液界面,憎水部分被环氧浆液内部分子吸引,伸向环氧浆液内部,亲水部分伸向空气方向,表面活性剂的亲水基与环氧浆液分子间的斥力相当于使表面的浆液分子受到一个向外推力,抵消了表面环氧浆液分子原来受到的向内的拉力,从而使环氧浆液的表面张力降低。

加入表面活性剂降低浆液的接触角可以由Young方程[10]来解释。从Young方程

式中:γS为被灌体的界面张力(N/m);γSL为浆液与被灌体的界面张力(N/m);θ为液体/固相接触角(°);γL为浆液的表面张力(N/m)。

对于特定的被灌体,γS仅与被灌体的表面成分有关,为定值;γSL的大小取决于浆液表面和被灌体表面的极性差异,极性差异小,浆液与被灌体的界面张力就小。如上所述表面活性剂增加了环氧浆液表面的亲水性,被测的基体为玻璃,其表面的基团硅氧键为亲水性基团,所以活性剂加入到环氧浆液可以使环氧浆液表面与玻璃表面两相的极性差异减少,从而使γSL值减少。

因此,结合实验数据分析,浆液中加入表面活性剂后,浆液的表面张力γL、浆液与被灌体的界面张力γSL同时降低,(γS-γSL)/γL变大,即cosθ变大,接触角θ变小。

浆液浸润渗透速度随时间变化的关系,其原因是浆液混合后,随着时间的延长,分子量不断增加,导致浆液的表面张力和接触角不断增大,从而引起浆液浸润渗透能力随时间延长而不断下降。由于表面活性剂降低了浆液的表面张力和接触角,所以能够提高浆液在黏土中的浸润渗透能力,有利于浆液在黏土中的渗透扩散。C1浆液在黏土中的浸润渗透高度要大于C2浆液在黏土中的浸润渗透高度,说明表面活性剂S2分子结构侧链上多了乙氧基基团,虽然亲水性增强,但渗透性比侧链上没有乙氧基基团的S1表面活性剂的改性效果差。

5结论

本文通过表面活性剂改性CW环氧树脂浆液,全面系统地研究了改性前后浆液的黏度、表面张力、接触角、渗透性和力学强度等特性,探讨了表面活性剂对环氧浆液渗透性能的影响机理。主要结论有:

(1)加入炔属二醇非离子表面活性剂不影响环氧浆液的初始黏度以及黏度时变性,对浆液固结体的抗压强度、抗拉强度无明显影响。

(2)加入炔属二醇非离子表面活性剂可以提高浆液的粘接强度和抗剪强度,相比于空白对照组,C1浆液的粘接强度和拉伸剪切强度分别提高了23.6%和37.5%;C2浆液的粘接强度和拉伸剪切强度分别提高了22.2%和29.2%。

(3)表面活性剂降低了浆液的表面张力和接触角，能够提高浆液在黏土中的浸润渗透能力，渗透稳定后，C1、C2浆液在黏土中的浸润渗透高度分别提高了109.4%和64.7%。