高層建筑外窗嵌縫用硅酮密封膠的保溫性能研究

張 愷

（棗莊市政務(wù)服務(wù)中心，山東 棗莊 277000）

裝配式建筑是將預(yù)制構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)組裝并局部澆筑而成，其保溫的重點(diǎn)在于拼接處的密封、防水和防風(fēng)性能[1]。外窗嵌縫用密封材料的好壞直接關(guān)系到裝配式建筑的保溫效果，如果密封材料的性能降低，不但會(huì)對(duì)裝配式建筑的美觀與品質(zhì)造成很大的影響，還會(huì)影響人們的生活與工作[2]，并且后期的維護(hù)成本很有可能比一開始的養(yǎng)護(hù)成本還要高出數(shù)倍。當(dāng)前，雖然已有相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)裝配式建筑的施工和設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的規(guī)定，但是對(duì)于裝配式建筑外窗嵌縫用的密封材料性能還沒有明確的要求[3]。硅酮密封膠是一種重要的密封材料，由于其具備對(duì)大部分基材的粘結(jié)強(qiáng)度高、抗位移變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，所以對(duì)建筑外窗嵌縫用硅酮密封膠的保溫性能進(jìn)行了深入的研究。

趙新勝[4]采用硅氧烷改性聚醚S810（MS）作為主體材料，將其與抗氧化劑、氣相法白炭黑和其他填料以及增塑劑和觸變劑混合制成主要試劑，將增塑劑與催化劑和月桂氨混合制成固化劑，按照10份主要試劑與1份固化劑的配比將兩者混合并加入適當(dāng)?shù)念伭希频酶男怨柰芊饽z，并研究其使用特性。結(jié)果表明，選擇D680作為觸變劑時(shí)，當(dāng)填料和MS預(yù)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為29%和30%時(shí)，所制得的改性硅樹脂密封膠具有良好的消粘性、觸變性和擠出性，較高的位移能力，較低的模量，滿足建筑外墻填縫線的實(shí)際使用要求。張茗涵[5]以107號(hào)硅橡膠交聯(lián)季銨鹽改性硅油作為基質(zhì)，以多聚磷酸銨/高硼酸鈣作為阻燃劑體系，制得阻燃型硅酮密封膠，并對(duì)其進(jìn)行研究。結(jié)果表明，當(dāng)107號(hào)硅橡膠與阻燃體系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%和9%時(shí)，阻燃型硅酮密封膠的著火時(shí)間是48 s，整個(gè)著火時(shí)間是397 s，最大熱釋放率較不阻燃硅酮密封膠下降70.7%，平均釋放率下降34.7%，熱力學(xué)方程式的關(guān)聯(lián)度為0.964 1，具有很好的抗熱氧化退化能力。

基于以上研究背景，本工作以高層建筑外窗嵌縫用硅酮密封膠為試驗(yàn)材料，研究外窗嵌縫密封材料的保溫性能，以期滿足人們對(duì)居住環(huán)境密封性的需求。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

107號(hào)硅橡膠，工業(yè)級(jí)，濟(jì)南有清新材料有限公司產(chǎn)品；納米碳酸鈣，工業(yè)級(jí)，蘇州邁克朗納米材料科技有限公司產(chǎn)品；重質(zhì)碳酸鈣和乙烯基三甲氧基硅烷，工業(yè)級(jí)，大連博潤(rùn)瑞美化工有限公司產(chǎn)品；二氧化鈦，工業(yè)級(jí)，江蘇福特宏曄化工有限公司產(chǎn)品；甲基三丙酮肟基硅烷（純度97%）、乙烯基三丙酮肟基硅烷（純度97%）、γ-氨丙基三乙氧基硅烷（純度98%），金華市藍(lán)天新材料有限公司產(chǎn)品；二丁基二月桂酸錫，工業(yè)級(jí)，山東泰暢石化科技有限公司產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備和儀器

DLH-7型實(shí)驗(yàn)型動(dòng)力混合機(jī)，申銀機(jī)械制造有限公司產(chǎn)品；CP-60型沖片機(jī)，紐斯特檢測(cè)設(shè)備（揚(yáng)州）有限公司產(chǎn)品；DRL-Ⅲ-P型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，湘潭湘儀儀器有限公司產(chǎn)品；HP-360型電熱恒溫培養(yǎng)箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 外窗嵌縫用硅酮密封膠的制備

在實(shí)驗(yàn)型動(dòng)力混合機(jī)中，先將50份107號(hào)硅橡膠和一定量的增塑劑加入并在真空干燥條件下攪拌[6-7]；然后加入30份重質(zhì)碳酸鈣、60份納米碳酸鈣和2份二氧化鈦，繼續(xù)攪拌均勻[8]；再添加3份甲基三丙酮肟基硅烷、2份乙烯基三丙酮肟基硅烷和0.5份乙烯基三甲氧基硅烷，充分?jǐn)嚢?.5 h；最后加入0.5份γ-氨丙基三乙氧基硅烷和0.2份二丁基二月桂酸錫，繼續(xù)攪拌20 min，即在真空干燥條件下[9]制備得到建筑外窗嵌縫用硅酮密封膠。

1.4 外窗嵌縫硅酮密封膠粘結(jié)試件

試驗(yàn)使用高層建筑外窗嵌縫基材作為粘結(jié)基材，如圖1所示。

圖1 粘結(jié)基材Fig.1 Bonding substrate

粘結(jié)基材的長(zhǎng)度為50 cm，硅酮密封膠與建筑外窗嵌縫基材之間的粘結(jié)面積為50 cm×0.3 cm，粘結(jié)基材的硅酮密封膠體積為50 cm×0.3 cm×0.2 cm。

1.5 性能測(cè)試

1.5.1 外窗嵌縫基材底涂處理

由于高層建筑外窗嵌縫基材通常是一種泡沫膠，在長(zhǎng)期的暴曬、潮濕環(huán)境中，硅酮密封膠與粘結(jié)基材之間的粘結(jié)性能會(huì)下降，從而影響硅酮密封膠的保溫性能，因此需要對(duì)建筑外窗嵌縫基材進(jìn)行底涂[10]。試驗(yàn)過程中，選取10組外窗嵌縫與硅酮密封膠粘結(jié)試件為試驗(yàn)對(duì)象，其中5組基材的表面不做底涂，直接在外窗嵌縫中注入硅酮密封膠；另外5組利用潤(rùn)濕丙酮的抹布擦拭基材，待基材表面干燥之后，涂抹底涂并干燥[11]，最后在外窗嵌縫中注入硅酮密封膠，通過對(duì)比兩組硅酮密封膠粘結(jié)試件的粘結(jié)性能，分析其保溫性能。

1.5.2 硅酮密封膠的密度

硅酮密封膠在外窗嵌縫中會(huì)發(fā)生一定的位移形變[12]，在固化過程中其密度變化會(huì)影響保溫性能，因此硅酮密封膠與嵌縫粘結(jié)的養(yǎng)護(hù)對(duì)其保溫性能的影響非常大。

按照GB/T 6343—2009《泡沫塑料及橡膠 表觀密度的測(cè)定》測(cè)試硅酮密封膠粘結(jié)試件的密度。硅酮密封膠與嵌縫粘結(jié)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間會(huì)影響硅酮密封膠的密度，從而影響硅酮密封膠粘結(jié)試件的保溫性能。將外窗嵌縫與硅酮密封膠粘結(jié)試件在溫度和濕度恒定的條件下，在培養(yǎng)箱內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)2，4，6，8，10，12，14和21 d。

1.5.3 硅酮密封膠的熱導(dǎo)率

熱導(dǎo)率指的是硅酮密封膠保溫材料傳遞熱量的能力[13]，硅酮密封膠的熱導(dǎo)率越大，說明其保溫效果越好。將基材經(jīng)過底涂處理的外窗嵌縫與硅酮密封膠粘結(jié)試件在溫度恒定的條件下，按照GB/T 10296—2008《絕熱層穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定 圓管法》測(cè)試硅酮密封膠的熱導(dǎo)率。

1.5.4 硅酮密封膠的含水率

硅酮密封膠的含水率會(huì)影響其保溫效果，這在于硅酮密封膠吸收的水蒸氣在較低的溫度下會(huì)凝結(jié)成冰[14]，導(dǎo)致固化之后的硅酮密封膠開裂，破壞其保溫結(jié)構(gòu)。將基材經(jīng)過底涂處理的外窗嵌縫與硅酮密封膠粘結(jié)試件在溫度恒定的條件下，按照GB/T 8810—2005《硬質(zhì)泡沫塑料吸水率的測(cè)定》測(cè)試硅酮密封膠的含水率，衡量硅酮密封膠的保溫性能。

1.5.5 養(yǎng)護(hù)條件影響

硅酮密封膠的粘結(jié)強(qiáng)度、密度、熱導(dǎo)率越大，含水率越小，其保溫性能越好[15]，因此分析水、熱、光等因素對(duì)硅酮密封膠保溫性能的影響。

將27個(gè)基材經(jīng)過底涂處理的外窗嵌縫與硅酮密封膠粘結(jié)試件劃分為3組，第1組粘接試件在23℃標(biāo)準(zhǔn)溫度下養(yǎng)護(hù)14 d用于試驗(yàn)，第2組粘接試件在23 ℃的水環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7 d用于試驗(yàn)，第3組試件在40 ℃的水光試驗(yàn)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)10 d用于試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 外 窗嵌縫基材底涂處理對(duì)硅酮密封膠粘結(jié)性能的影響

由于高層建筑外窗長(zhǎng)期處于風(fēng)吹日曬的環(huán)境中，會(huì)降低外窗嵌縫硅酮密封膠的粘結(jié)性能。外窗嵌縫基材底涂處理對(duì)硅酮密封膠粘結(jié)強(qiáng)度的影響如表1所示。

表1 外窗嵌縫基材底涂處理對(duì)硅酮密封膠粘結(jié)強(qiáng)度的影響Tab.1 Effect of substrate primer treatment of external window caulking on bonding strengths of silicone sealants MPa

從表1可以看出，外窗嵌縫基材經(jīng)過底涂處理之后，硅酮密封膠的粘結(jié)強(qiáng)度比未經(jīng)底涂處理的基材高，即粘接基材經(jīng)底涂處理后硅酮密封膠與其更好地粘結(jié)，從而提高了硅酮密封膠的保溫性能。

2.2 硅酮密封膠保溫性能的影響因素

2.2.1 硅酮密封膠的密度

硅酮密封膠的固化程度不同，保溫性能不同。養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)硅酮密封膠密度的影響如圖2所示。

圖2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)硅酮密封膠密度的影響Fig.2 Effect of curing time on densities of silicone sealants

從圖2可以看出，對(duì)于外窗嵌縫基材未經(jīng)過底涂處理的硅酮密封膠，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，其密度增大，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間由2 d延長(zhǎng)到8 d時(shí)，硅酮密封膠的密度增大0.016 Mg·m-3，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)到10 d時(shí)，硅酮密封膠的密度增大0.021 Mg·m-3，繼續(xù)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，硅酮密封膠的密度基本趨于穩(wěn)定。對(duì)于外窗嵌縫基材經(jīng)過底涂處理的硅酮密封膠，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，其密度也增大，而且明顯大于未經(jīng)處理的硅酮密封膠，但是密度變化規(guī)律與外窗嵌縫基材未經(jīng)底涂處理的硅酮密封膠一致，說明至少養(yǎng)護(hù)10 d，硅酮密封膠的保溫性能才可以滿足要求。

2.2.2 硅酮密封膠的熱導(dǎo)率

養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)硅酮密封膠熱導(dǎo)率的影響如表2所示。

表2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)硅酮密封膠熱導(dǎo)率的影響Tab.2 Effect of curing time on thermal conductivities of silicone sealants W·（m·K）-1

從表2可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，外窗嵌縫基材硅酮密封膠的熱導(dǎo)率增大，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從2 d延長(zhǎng)到10 d時(shí)，硅酮密封膠的熱導(dǎo)率增大比較明顯，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從12 d延長(zhǎng)到21 d時(shí)，硅酮密封膠的熱導(dǎo)率增幅不大，說明養(yǎng)護(hù)時(shí)間不短于12 d時(shí)，硅酮密封膠的熱導(dǎo)率較高，保溫性能較好。

2.2.3 硅酮密封膠的含水率

養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)硅酮密封膠含水率的影響如表3所示。

表3 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)硅酮密封膠含水率的影響Tab.3 Effect of curing time on water contents of silicone sealants %

從表3可以看出，硅酮密封膠的含水率隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從2 d延長(zhǎng)到8 d時(shí)，硅酮密封膠的含水率逐漸減小，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從8 d延長(zhǎng)到10 d時(shí)，硅酮密封膠的含水率明顯減小，而養(yǎng)護(hù)時(shí)間從10 d延長(zhǎng)到21 d時(shí)，硅酮密封膠的含水率仍有一定減小，但能夠避免硅酮密封膠的保溫結(jié)構(gòu)被破壞，說明當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間不短于10 d時(shí)，硅酮密封膠的含水率較小，保溫性能較好。

2.3 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)硅酮密封膠保溫性能的影響

2.3.1 對(duì)硅酮密封膠密度的影響

養(yǎng)護(hù)條件對(duì)硅酮密封膠密度的影響如圖3所示。

圖3 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)硅酮密封膠密度的影響Fig.3 Effect of curing conditions on densities of silicone sealants

從圖3可以看出，在水光熱條件下養(yǎng)護(hù)的硅酮密封膠的密度與在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)的硅酮密封膠接近，而在浸水條件下養(yǎng)護(hù)的硅酮密封膠會(huì)被水解，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，從而減小其密度。因此，利用硅酮密封膠填充高層建筑外窗嵌縫時(shí)，要盡量避免潮濕或者雨淋。

2.3.2 對(duì)硅酮密封膠熱導(dǎo)率的影響

養(yǎng)護(hù)條件對(duì)硅酮密封膠熱導(dǎo)率的影響如圖4所示。

圖4 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)硅酮密封膠熱導(dǎo)率的影響Fig.4 Effect of curing conditions on thermal conductivities of silicone sealants

從圖4可以看出，雖然在浸水條件和水光熱條件下養(yǎng)護(hù)的硅酮密封膠的熱導(dǎo)率都比標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)的硅酮密封膠小，但是浸水條件下養(yǎng)護(hù)的硅酮密封膠的熱導(dǎo)率比標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)的小10%以上，說明在水光熱條件下養(yǎng)護(hù)的硅酮密封膠的保溫效果相對(duì)較好。

2.3.3 對(duì)硅酮密封膠含水率的影響

養(yǎng)護(hù)條件對(duì)硅酮密封膠含水率的影響如圖5所示。

圖5 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)硅酮密封膠含水率的影響Fig.5 Effect of curing conditions on water contents of silicone sealants

從圖5可以看出，與在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)的硅酮密封膠相比，在浸水條件和水光熱條件下養(yǎng)護(hù)的硅酮密封膠的含水率都有所提高，說明在浸水條件下養(yǎng)護(hù)的硅酮密封膠的結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，而在水光熱聯(lián)合作用下養(yǎng)護(hù)的硅酮密封膠的結(jié)構(gòu)會(huì)被修復(fù)，因此其保溫性能相對(duì)較好。

3 結(jié)論

以密度、熱導(dǎo)率和含水率3個(gè)指標(biāo)作為高層建筑外窗嵌縫硅酮密封膠保溫性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)，考察養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)條件對(duì)硅酮密封膠保溫性能的影響。結(jié)果表明，外窗嵌縫基材底涂處理、合適的養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水光熱養(yǎng)護(hù)條件可以提高硅酮密封膠的保溫性能。