硅酮密封胶改性对比及在建筑幕墙施工中的应用性能研究

高 鹏,陈 星,王 维,邓明科

(1.中国建筑第五工程局有限公司,湖南 长沙 410007;2.西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 710055)

建筑用密封胶剂在幕墙铺设和幕墙填缝施工中应用广泛,为了提高密封胶在建筑施工中的应用性能,诸多学者对此展开了研究。

利用重钙和超细纳米碳酸钙作为辅助填料,掺入适量配比的硅烷偶联剂KH-792制备密封胶,由此提升硅酮密封胶在土木工程建筑幕墙施工中的应用性能,使密封胶的表干时间、固化时间、硬度等各项性能指标都符合规范要求,有助于改善硅酮密封胶的耐水、耐腐蚀和耐老化能力,提高施工质量[5]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

107基础硅橡胶:工业级,湖北鼎宏新材料公司;甲基硅油:工业级,上海威振化工材料有限公司;超细纳米活性碳酸钙:工业级(纯度99.9%),广东信鸿化工制品有限公司;重钙粉:工业级,江苏荣奥化工材料有限公司;催化剂:工业级,河北鹏达化工材料有限公司;TAIC交联剂:工业级(纯度>98%),湖南震远化工原料公司;KH-590、KH-792:工业级(纯度99%),湖南中亿化工材料有限公司。

1.2 试验仪器

RMXJ双行星动力混合搅拌机,江苏鲁米智能装备制造有限公司;WDW-D型数显拉力试验仪,山东文腾测试仪器有限公司;FRD-A邵氏A型硬度计,广东富瑞达仪器科技有限公司;AP-UV3-2型紫外线老化测试箱,广东爱佩试验设备有限公司。

1.3 硅酮密封胶试样制备

以3∶1比例将107基础胶和甲基硅油加入行星混合搅拌机,高速搅拌20 min预混,于120 ℃将超微细碳酸钙和重钙烘干2 h与预混料均匀混合(填料与预混料重量比为1∶1)。再依次加入适量配比的催化剂、TAIC交联剂、偶联剂持续搅拌混合20 min,完成硅酮密封胶试样地制备。

1.4 测定执行标准

(1)表干时间:按GB/T13477.5—2017测定;

(2)固化时间:按ASTM D 5893—2004测定;

(3)硬度:按GB/T531—2008测定;

(4)拉伸强度:按GB/T 13477.8—2002测定;

(5)粘接强度:按GB/T 13477.10—2002测定。

(6)断裂伸长率:按GB/T 13477.8—2002测定。

2 建筑施工中硅酮密封胶的应用性能分析

在施工过程中,使用性能较好的密封胶能够有效延长幕墙的使用年限,如果密封胶未能达到规范标准,会导致幕墙开裂甚至剥落等安全事故[6-7]。为此,需要对硅酮密封胶应用性能进行具体检测,以确保施工质量。

2.1 硅酮密封胶性能指标影响分析

硅烷偶联剂具备较强的水解能力和吸附能力,在硅酮密封胶制备过程中,将密封胶主体与填料混合之后,掺入适量的偶联剂,可有助于提升硅酮密封胶的粘合力和耐久力[8]。以性能较好的硅烷偶联剂KH-590和KH-792为例,分析2种偶联剂对于硅酮密封胶的影响,结果如表1所示。

表1 硅烷偶联剂 KH-590和KH-792对硅酮密封胶的性能影响Tab.1 Effect of silane coupling agents KH-590 and KH-792 on the performance of silicone sealant

2.1.1硅酮密封胶表干和固化时间性能分析

由表1可知,偶联剂KH-590与KH-792对硅酮密封胶的各项性能指标产生较大的影响。加入偶联剂KH-590的密封胶所用的表干时间为3.5 h,相比于未加入硅烷偶联剂的密封胶试样缩短了1.5 h。而以KH-792为偶联剂的密封胶试样表干时间为2 h,相比于未加入硅烷偶联剂的密封胶试样缩短了3 h。与此同时,和未加入硅烷偶联剂的密封胶试样相比,固化时间分别缩短了7、8.5 h。由此可以说明,硅烷偶联剂KH-590和KH-792可以使硅酮密封胶有效缩短表干和固化所需时间。添加KH-590与添加KH-792相比,表干时间和固化时间都有所延长,这是因为KH-590为单氨基型官能团偶联剂,比KH-792少了一个氨基,因此表现能力略有降低。

2.1.2粘接性能分析

硅烷偶联剂KH-590和KH-792的添加能够增强密封胶的粘接能力,2种偶联剂的破坏形式全都是内聚破坏,其原因是密封胶粘接力的强度大于内聚力,故发生粘接物体或密封胶本身的内在损坏[11]。由KH-590作为偶联剂所产生的粘接强度为1.05 MPa;由KH-792作为偶联剂所产生的粘接强度为1.22 MPa,粘接性能更优。

2.1.3力学性能分析

硅酮密封胶的力学性能由断裂伸长率与拉伸强度数值来体现。由表1可以看出,使用硅烷偶联剂KH-792的密封胶力学性能指标最高,比未加入偶联剂的密封胶试样分别提高了16.54%和25.69%。由此说明,硅烷偶联剂KH-792对于提高密封胶的拉伸强度和韧性效果更好。

硅烷偶联剂KH-590与KH-792的掺入对密封胶硬度的影响如表1所示,均在40上下,可忽略不计。总体而言,添加KH-792硅烷偶联剂的硅酮密封胶各项应用性能指标均表现良好,优于其他2种对照试样。

2.2 硅烷偶联剂KH-792含量确定

通过上述分析偶联剂对密封胶的性能影响可知,KH-792对于硅酮密封胶各项性能指标改善效果好于KH-590。同时,不同掺量的硅烷偶联剂比例对硅酮密封胶的应用性能也会产生不同的影响,具体如图1～图3所示。

图1 表干与固化时间对比

图2 力学性能对比

图3 粘接强度对比

由于偶联剂的添加对硅酮密封胶邵氏硬度影响不大,故此可以忽略不计。由图1可知,硅酮密封胶表干时间随KH-792比例的增加而逐渐缩短。图2显示其拉伸强度也随比例增加而增长,除此之外的其他性能指标根据KH-792掺量不同呈复杂变化。当掺量为1.0%时,总体性能指标表现较好,结合经济成本综合考虑,选取KH-792掺量为1.0%时为最佳配制比例。

2.3 防水性能分析

建筑用密封胶由于经常受到雨水和高湿度天气影响,使其遭受到的损害难以复原。一般而言吸水越慢,吸水率越低说明密封胶水解性能较好,防水能力越强。以1.0%硅烷偶联剂KH-792为最佳掺量配制硅酮密封胶,与市面常用的建筑用聚硫密封胶、聚氨酯密封胶进行防水性能的对比[12],结果如图4所示。

图4 防水性能对比

由图4可知,3种密封胶的吸水率随着时间的增长而呈上升状态。当浸水时间为60 h时,聚硫密封胶吸水率已到达16.9%,聚氨酯密封胶吸水率为14.2%;而硅酮密封胶在浸水60 h后的吸水率为9.6%,比聚硫密封胶和聚氨酯密封胶的吸水率分别降低了43.2%和32.4%,具有较强的防水性能。

2.4 抗紫外线老化性能分析

日光暴晒及高温是影响密封胶耐久性能的主要原因,对3种密封胶紫外线影响下的粘接性能进行试验对比,从而分析密封胶的抗紫外线老化性能[13]。将聚硫密封胶、聚氨酯密封胶与硅酮密封胶试样分别放置于50 ℃的紫外线老化试验箱中,试验箱中共布置6只紫外光源,总体辐照度为3 000～3 500 μW/cm2,分别在第7、14、21和28 d时进行粘接强度检测,结果如图5所示。

图5 紫外线老化试验对比

由图5可知,紫外线老化试验时间增长使3种密封胶的粘接强度逐渐减弱[14]。在紫外光老化试验进行至第28 d时,聚硫密封胶粘接强度为0.63 MPa,聚氨酯密封胶粘接强度为0.59 MPa,粘接强度受到较大影响。而硅酮密封胶在试验进行到21 d以后粘接强度的衰减速度逐渐缓慢,这是由于硅酮密封胶的主剂为107胶,其化学分子链结构键能大于紫外线辐照强度,在高温的作用下提高了其热降解性能,相对稳定性较高,在紫外线老化试验的第28 d时粘接强度为0.68 MPa,比聚氨酯密封胶和聚硫密封胶分别提高了7.93%和15.25%,抗紫外线老化性能优良。

2.5 抗腐蚀性能分析

建筑幕墙施工过程中,密封胶直接附着于基材上,根据环境和粘接材质的不同造成密封胶腐蚀变质,导致幕墙损坏或者脱落[15]。将聚硫密封胶、聚氨酯密封胶和本文研究的硅酮密封胶试样置于温度(40±1)℃的盐雾测试箱中,氯化钠溶液浓度为5%,盐雾测试箱沉降量为1.5 mL/(80 cm2·h),测试时间为16 h,试验对比结果如表2所示。

表2 抗腐蚀性能测试Tab.2 Corrosion resistance test

密封胶在固化后,盐雾腐蚀会对胶体的拉伸强度和胶体表面造成不同程度影响。由表2可知,在盐雾腐蚀16 h后,硅酮密封胶的拉伸强度分别高出其他两种密封胶22.45%和13.2%,腐蚀面积减少了64%和47%,抗腐蚀性能高于聚硫密封胶和聚氨酯密封胶。

综上所述,通过试验对比,证明了硅酮密封胶的防水性能、抗紫外线老化性能和抗腐蚀性均存在一定优势,在建筑幕墙施工中具有较强的应用性。

3 结语

(1)分析了硅酮密封胶由于偶联剂KH590和KH-792的加入,表干和固化时间、力学和粘接性能指标所产生的变化;

(2)采用硅烷偶联剂KH-792掺量为1.0%为最佳制备比例,通过测试表明硅酮密封胶各项应用性能符合规范标准;

(3)由试验结果可知,硅酮密封胶在建筑施工中的防水性、抗紫外线老化性和耐腐蚀性均高于市面其他密封胶产品。