高強度復合材料修復技術是未來輸油輸氣管道外防腐層修復技術發(fā)展的趨勢，它是以高性能樹脂基體粘結增強材料形成防護結構的技術，因而具有較高的抗壓、抗拉強度和粘結力[1，2]。修復施工時不需要管道停輸或減壓運行，同時具有操作簡單方便、施工人員容易培訓、補強效果良好和經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點。另外，復合材料修復技術可進行現(xiàn)場纏繞施工和就地固化，施工過程明火、安全、方便。再次，玻璃纖維、碳纖維或織物增強的復合材料強度遠超過普通鋼材，使得復合材料修復和補強的效率較高；復合材料具有可設計性，可以根據(jù)缺陷損害程度和受力情況進行厚度、層數(shù)、纖維分布等方面的針對性設計，其修補的可靠性高；玻璃纖維或碳纖維增強的樹脂基復合材料的層問膠粘劑與金屬具有良好的界面粘結性、密封性和優(yōu)異的耐腐蝕性，可大大降低管道運行期內(nèi)的二次腐蝕破壞。
       在復合材料修復技術中，膠粘劑的選用對其防護性能具有至關重要的影響。膠粘劑是一類單組分或多組分、具有優(yōu)良粘接性能、在一定條件下能使被膠接材料通過界面的粘附和物質(zhì)的內(nèi)聚等作用緊密地膠合在一起的粘結劑。膠粘劑通常是由基料、固化劑、增韌劑、稀釋劑、偶聯(lián)劑等組分按一定的比例和工藝流程配合而成。
       環(huán)氧樹脂膠粘劑是目前應用最為廣泛的一種膠粘劑[3]，其基體材料來源廣泛，適用粘接多種基材，具有強度高、固化收縮率低、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性及電絕緣性能好等特點，而且具有施工工藝簡便、工效高、能耗小、成本低等優(yōu)點，可大大降低勞動強度，節(jié)省人力成本，在油氣管道外防腐層的修復中具有廣泛的應用前景。
       環(huán)氧樹脂含有多個苯環(huán)或雜環(huán)，分子鏈柔性小，固化后的環(huán)氧樹脂具有高的交聯(lián)結構，該交聯(lián)結構不易變形，導致環(huán)氧樹脂類膠粘劑存在韌性不足、易脆裂、剝離強度低和抗沖擊性差等缺點，使其應用受到極大的限制，因此環(huán)氧樹脂的增韌改性對其在管道修復中應用具有重要的現(xiàn)實意義。
      1·環(huán)氧樹脂膠粘劑的改性
      在眾多環(huán)氧樹脂增韌技術中，以聚氨酯為代表的彈性體的增韌效果最為顯著[4]。但是環(huán)氧樹脂是線型的熱塑性樹脂，本身不會硬化，只有加入固化劑，使它由線型結構交聯(lián)成網(wǎng)狀或體型結構，才能實現(xiàn)固化。因此，在利用聚氨酯對環(huán)氧樹脂進行增韌的同時，需要添加固化劑，使其滿足施工時對固化性能的要求。
      選用的固化劑為T一31，T一3l固化劑是一種透明的棕色粘稠液體，屬于酚醛胺類固化劑，易溶于丙酮、乙醇、二甲苯等有機溶劑，微溶于水，毒性極小。分子內(nèi)含脂肪胺類分子中的活性氫，又含有能起催化、促進環(huán)氧樹脂固化的基團和苯環(huán)結構。與脂肪胺相比，具有較強的憎水性，能在0℃以下的低溫下固化環(huán)氧樹脂，也完全可以在相對濕度大于90％或水下固化各種環(huán)氧樹脂。T一31環(huán)氧樹脂固化劑具有耐腐蝕、抗?jié)B透性好、固化速度快、粘接強度高、操作使用方便、價格較低等特點適用范圍非常廣泛。根據(jù)需要加入適量T—31固化劑調(diào)節(jié)固化反應速度，使環(huán)氧樹脂膠粘劑既能保證室溫下的固化速度，又能保證固化產(chǎn)物較好的力學性能。
      固化劑是用于提高膠粘劑的固化性能，增韌劑是用于提高膠粘劑的力學性能，但是固化劑的加入必定會影響膠粘劑的力學性能，同時增韌劑的加入也可能會影響膠粘劑的固化性能。以下研究固化性能和力學性能隨著固化劑和增韌劑添加量變化的規(guī)律。
      1．1固化性能研究
      首先考察固化時間隨著成分的變化，調(diào)節(jié)固化劑用量分別為16．67％、20％、23．08％、25．93％，在每個固化劑用量下改變聚氨酯用量為9．09％、13．04％、16．67％、20％。測量了每個組分配比下的固化時問，固化時間的測量按照GB1728-79《漆膜、膩子膜干燥時問測定法》來測量，實驗結果如表1所示。
      
      通過分析實驗結果發(fā)現(xiàn)，固化時間隨著固化劑的添加量增加而縮短，而當固化劑用量固定后聚氨酯在實驗范圍內(nèi)添加量的改變對固化時間影響較小。
      其次，研究了固化劑添加量對力學性能的影響。選取聚氨酯的用量為16．67％固化劑用量變化的一組數(shù)據(jù)，測量了膠粘劑的剝離強度和抗剪切強度，測量數(shù)據(jù)如表2所示。膠粘劑的抗剪切強度(拉伸剪切強度)按照GB7124-1986(膠粘劑拉伸剪切強度測定方法(金屬對金屬)》進行測試，剝離強度按照GB／T2790-1995《膠粘劑180°剝離強度試驗方法撓性材料對剛性材料》進行測量[6]。
       從表2數(shù)據(jù)可以看出，隨著固化劑添加量的增加，膠粘劑的力學性能迅速下降。因此，單純從力學性能考慮，應盡量減少固化劑的用量。綜合考慮，施工中一般要求膠粘劑在兩個小時左右內(nèi)完成固化。所以這里選擇固化劑用量為16．67-20％為宜。
    
       1．2力學性能研究
       基于上述研究，固定固化劑的用量，考察了聚氨酯變化對膠粘劑力學性能的影響。固化劑的用量分別選取了16．67％和20％，然后改變聚氨酯的添加量，分別選擇質(zhì)量分數(shù)為9．09％、13．04％、16．67％、20％、23．08％。測得的抗剪切強度和剝離強度如表3和表4所示。
    
       依據(jù)表3和表4數(shù)據(jù)，將環(huán)氧樹脂膠粘劑的抗剪切強度和剝離強度隨聚氨酯的添加量的變化曲線繪制如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著聚氨酯添加量的增加，環(huán)氧樹脂膠粘劑的抗剪切強度先 上升后下降，在聚氨酯添加量為13．04％時出現(xiàn)最大值；環(huán)氧樹脂膠粘劑的剝離強度先增加后減小，在聚氨酯為20％時出現(xiàn)最大值。
     
      1．3增韌機理
      聚氨酯對環(huán)氧樹脂膠粘劑進行增韌改性時，聚氨酯鏈段貫穿到環(huán)氧樹脂鏈段中，形成互穿聚合物網(wǎng)絡結構(IPN)或半互穿聚合物網(wǎng)絡結構(SIPN)。因為聚氨酯與環(huán)氧樹脂溶解度不同，IPN材料呈現(xiàn)不同程度的相分離，但由于網(wǎng)絡間相互纏結，發(fā)生“強迫互溶”，使相容性增加；并且聚合物一經(jīng)交聯(lián)后，相互纏結的網(wǎng)絡使相區(qū)固定，由于聚氨酯顆粒分散在連續(xù)的環(huán)氧樹脂相中，使體系的韌性增加，分散了固化物的應力集中，抗剪切強度增大。隨著聚氨酯添加量的增加，抗剪切強度逐漸增大，但當聚氨酯的含量超過13．04％時，由于聚氨酯／環(huán)氧樹脂形成的互穿聚合物網(wǎng)絡結構的互穿程度已經(jīng)達到飽和。進一步增加聚氨酯用量，互穿聚合物網(wǎng)絡會出現(xiàn)互穿過度，聚氨酯與環(huán)氧樹脂相分離，形成裂縫，聚氨酯與環(huán)氧樹脂的相容性急劇下降。因此，對抗剪切強度而言，最佳的聚氨酯用量為13．04％。
       剝離強度高低主要和環(huán)氧樹脂膠粘劑的粘結性能及柔韌性有關，由聚氨酯和環(huán)氧樹脂形成的互穿聚合物網(wǎng)絡結構體系的變化規(guī)律可知，隨著聚氨酯添加量的增多，固化物的柔韌性出現(xiàn)先增后降的變化，所以環(huán)氧樹脂膠粘劑的剝離強度會隨聚氨酯的添加量增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當聚氨酯達到20％之后，剝離強度隨著聚氨酯添加量的增加開始下降。因此，對剝離強度而言，最佳的聚氨酯用量為20％。
       1．4最佳組分
       從圖1中還可以看出，聚氨酯對環(huán)氧樹脂膠粘劑的抗剪切強度和剝離強度的改性變化是不同步的，即抗剪切強度和剝離強度的最大值對應的聚氨酯含量是不一致的。所以，綜合考慮聚氨酯的添加量對于環(huán)氧樹脂膠粘劑性能的影響，我們認為聚氨酯最優(yōu)的添加量為16．67％。
      2·結論
      采用聚氨酯對環(huán)氧樹脂膠粘劑進行增韌改性，首先研究了固化劑添加對固化時間和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著固化劑添加量的增加，固化時間縮短，但是力學性能迅速下降，在滿足施工對固化時問要求的情況下，選擇了盡可能少的固化劑添加量16．67％_20％。在確定了固化劑用量后，開展了聚氨酯添加量對力學性能的研究，研究發(fā)現(xiàn)聚氨酯對環(huán)氧樹脂膠粘劑的抗剪切強度和剝離強度的改性變化是不同步的，對抗剪切強度13．04％的聚氨酯性能最好，而對剝離強度20％的聚氨酯性能最佳。綜合考慮聚氨酯最優(yōu)添加量為16．67％。該研究改性了環(huán)氧樹脂膠粘劑，獲得了固化性能和力學性能良好的膠粘劑，在油氣管道防腐層的修復中具有重要的應用前景。