建筑用硅烷改性聚醚密封膠制備及性能研究

王雨伯,王漢東,趙成柱,喬國(guó)軍

(1.濟(jì)南市工程質(zhì)量與安全中心, 山東 濟(jì)南 250102;2.山東省裝飾集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250100)

硅烷改性聚醚密封膠是一種新型的高性能環(huán)保密封膠,它是以端硅烷基聚醚為基礎(chǔ)聚合物,通過(guò)室溫濕固化形成具有優(yōu)良耐候性、耐久性、粘接性、涂飾性和環(huán)境友善性的彈性體。硅烷改性聚醚密封膠兼有硅酮密封膠和聚氨酯密封膠的優(yōu)點(diǎn),但又避免了它們的缺點(diǎn),如硅酮密封膠的高玷污性和低可涂飾性,以及聚氨酯密封膠的含有毒性異氰酸酯和高揮發(fā)性有機(jī)物。因此,硅烷改性聚醚密封膠在建筑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前關(guān)于該類(lèi)密封膠的研究報(bào)道較少,其制備工藝、表征方法和性能評(píng)價(jià)尚不完善,導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性和不確定性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

表1中列出的軟質(zhì)MS密封膠,以及其各成分的作用和功能。這種密封劑由以下幾種主要成分組成:聚合物、增塑劑、白堊、脂肪酸酰胺蠟、催化劑和其他添加劑。這些成分的比例和順序會(huì)影響密封劑的性能和質(zhì)量,因此需要精確控制。

表1 單組分MS聚合物密封膠的樣品配方Tab.1 Sample formulation of single component MS polymer sealant

通常選擇碳酸鈣作為填料,因?yàn)樗鼘?duì)模量、拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率有理想的影響。碳酸鈣是價(jià)格最低的填料之一,無(wú)毒、無(wú)刺激性、無(wú)氣味,白色,折射率與許多增塑劑、樹(shù)脂的相近,對(duì)PP材料的著色干擾極小。

許多不同類(lèi)型的增塑劑可用作流變改性劑,并提供更大的靈活性。增塑劑是一種可以降低塑料加工過(guò)程中所需力的添加劑,使塑料具有良好的柔韌性和延展性。增塑劑的種類(lèi)很多,根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)可以分為鄰苯二甲酸酯類(lèi)、聚醚類(lèi)、脂肪酸類(lèi)等。鄰苯二甲酸酯類(lèi)增塑劑是最常用的一種,具有良好的綜合性能,可用于PVC、PE等多種樹(shù)脂中[1-2]。

錫和胺化合物用作催化劑以加速固化反應(yīng)。錫和胺化合物是常用的催化劑,可以促進(jìn)聚氨酯樹(shù)脂與異氰酸酯單體之間的反應(yīng),形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。錫催化劑主要有二乙基錫二硫代甲酸鹽(DETS)、二丁基錫二硫代甲酸鹽(DBTS)等,具有催化效率高、選擇性好、毒性低等特點(diǎn)。胺催化劑主要有三乙胺(TEA)、三異丙胺(TIPA)、N-甲基嗎啉(NMM)等,具有反應(yīng)速度快、固化時(shí)間短等特點(diǎn)。錫和胺催化劑可以單獨(dú)使用,也可以混合使用,以達(dá)到最佳性能。

MS聚合物密封膠的配方可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整,包括以下幾個(gè)方面。

除濕劑:有時(shí)會(huì)在配方中添加除濕劑以提高儲(chǔ)存穩(wěn)定性。除濕劑可以吸收密封膠中的水分,防止水解反應(yīng)導(dǎo)致密封膠變質(zhì)或凝膠。常用的除濕劑有分子篩、硅膠、鈣氯化等。

附著力促進(jìn)劑:盡管MS聚合物上的硅烷基團(tuán)本身起到附著力促進(jìn)劑的作用,但可以添加附著力促進(jìn)劑。附著力促進(jìn)劑可以提高密封膠對(duì)各種基材的粘附力,特別是難粘附的基材,如金屬、塑料或涂層表面。常用的附著力促進(jìn)劑有硅烷類(lèi)、鈦酸酯類(lèi)等[3-4]。

光穩(wěn)定劑:MS聚合物密封膠配方還允許使用氨基硅烷粘附促進(jìn)劑和受阻胺光穩(wěn)定劑,這些在含有異氰酸酯基團(tuán)的單組分密封膠中未使用。光穩(wěn)定劑可以提高密封膠對(duì)紫外線和臭氧的抵抗能力,延長(zhǎng)密封膠的使用壽命和美觀度。

1.2 制備方法與工藝

MS聚合物使用的配方工藝與配制聚氨酯密封膠或粘合劑的配方工藝相似。

混合過(guò)程應(yīng)該在真空下進(jìn)行,以保持推薦的原料水分含量在0.08%以下。此外,使用化學(xué)干燥劑和清水劑可以進(jìn)一步提高密封膠的性能和耐久性。密封膠的包裝也很重要,需要高質(zhì)量的包裝來(lái)延長(zhǎng)密封膠的保質(zhì)期,防止水分和氧氣的滲透[5-6]。

為了保證適當(dāng)?shù)谋Ｙ|(zhì)期和穩(wěn)定的質(zhì)量,存在2種不同的水分控制方法,并且與MS聚合物基密封劑或粘合劑配合使用。MS聚合物基密封膠和粘合劑的干燥工藝如圖1所示。第1種包括通過(guò)使用化學(xué)干燥劑(例如,乙烯基三甲氧基硅烷等水分清除劑)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行脫水;第2種則使用熱量蒸發(fā)可能存在的水分。這2種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),需要根據(jù)產(chǎn)品的特性和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇?；瘜W(xué)干燥劑可以快速有效地去除水分,但可能會(huì)影響產(chǎn)品的粘接性能和耐久性。熱量蒸發(fā)可以保持產(chǎn)品的完整性和穩(wěn)定性,但可能會(huì)增加生產(chǎn)成本和時(shí)間[7-8]。

圖1 MS聚合物基密封膠和粘合劑的干燥工藝

物理干燥過(guò)程中的加熱步驟確保了出色的儲(chǔ)存穩(wěn)定性,但需要大量的能量和時(shí)間才能達(dá)到所需的溫度。此外,在這些高溫下不能添加硅烷和催化劑,從而導(dǎo)致額外的耗時(shí)冷卻循環(huán)。

左側(cè)的化學(xué)干燥工藝在不犧牲儲(chǔ)存穩(wěn)定性的情況下,縮短生產(chǎn)時(shí)間和降低能耗[9-10]。這種工藝?yán)昧肆髯兏男詣?、填料和機(jī)械領(lǐng)域的最新技術(shù),避免了傳統(tǒng)的物理干燥過(guò)程中的高溫加熱和冷卻循環(huán)。這種工藝有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率,降低成本和環(huán)境影響[11]。

1.3 性能測(cè)定

固化性能測(cè)定:為了分析密封膠的固化性能,即密封膠在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到的固化厚度。為此,將密封膠涂于玻璃板上,放置于恒溫恒濕的環(huán)境中,進(jìn)行7 d的固化試驗(yàn)。每隔0.5 d,用卡尺測(cè)量密封膠的固化厚度,并記錄數(shù)據(jù)。

力學(xué)性能測(cè)定:通過(guò)對(duì)不同固化天數(shù)的密封膠進(jìn)行拉伸試驗(yàn),測(cè)量了其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,以反映密封膠的力學(xué)性能隨固化天數(shù)的變化規(guī)律。

粘接性能測(cè)定:為了測(cè)試密封膠的拉剪強(qiáng)度,制備了一系列的工字件,每個(gè)工字件由兩塊玻璃片和一層密封膠組成。將工字件放置在不同的溫度和濕度條件下,進(jìn)行不同時(shí)間的固化,然后用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉剪試驗(yàn)。同時(shí),觀察了拉斷后工字件中膠體與玻璃片間界面破壞的面積百分比,以評(píng)估密封膠與基材之間的界面粘結(jié)質(zhì)量[12-13]。

耐熱性能測(cè)定:通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室條件下的高溫放置來(lái)模擬密封膠在使用環(huán)境下的受熱情況,從而分析密封膠的耐熱性能,將密封膠固化后的試樣放置在80 ℃的恒溫箱中,定期取出測(cè)量其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,觀察其隨時(shí)間的變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 固化性能

通過(guò)對(duì)密封膠進(jìn)行固化試驗(yàn)得出密封膠的固化厚度隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

圖2 密封膠的固化厚度隨天數(shù)的變化

由圖2可知,密封膠在施工后的 24 h內(nèi),固化厚度約為 3.6 mm,符合一般的施工要求。但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng),密封膠的固化速度逐漸減慢,固化曲線趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)槊芊饽z的表層形成了一層致密的固化膜,阻礙了空氣中的水分進(jìn)入內(nèi)部,影響了密封膠的吸潮固化反應(yīng)[14-15]。因此,在標(biāo)準(zhǔn)條件下,密封膠需要 7 d左右才能達(dá)到7.79 mm 的固化厚度,才能發(fā)揮出最佳的性能。在低溫或低濕度的環(huán)境下,密封膠的固化時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。

2.2 力學(xué)性能

通過(guò)拉伸試驗(yàn)得出密封膠的力學(xué)性能隨固化天數(shù)的變化曲線如圖3所示。

圖3 密封膠的力學(xué)性能隨固化天數(shù)的變化

由圖3可知,根據(jù)固化天數(shù)的變化,密封膠的拉伸強(qiáng)度在濕氣固化的前期有較快的增長(zhǎng),在固化 3 d后基本穩(wěn)定,之后密封膠拉伸強(qiáng)度的提升速度變慢。而斷裂伸長(zhǎng)率則是先上升,后下降,隨著膠體交聯(lián)程度的增強(qiáng),斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小。這說(shuō)明在濕氣固化的開(kāi)始階段,密封膠膠體的表面能與空氣中的濕氣充分反應(yīng),從而快速形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),膠體各方面的力學(xué)性能都迅速提高,斷裂伸長(zhǎng)率也達(dá)到一個(gè)最大值[16-17]。

2.3 粘接強(qiáng)度

密封膠的拉剪強(qiáng)度和界面破壞面積百分比隨固化時(shí)間的變化曲線如圖4所示。

圖4 密封膠的粘接性能隨天數(shù)的變化

由圖4可知,密封膠的拉剪強(qiáng)度和界面破壞的面積百分比與固化時(shí)間有密切的關(guān)系。隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng),密封膠的拉剪強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),而界面破壞的面積百分比逐漸降低。這是由于搭接片的基材是高密度的鋁片,膠層是薄薄的一層,膠體與空氣接觸后迅速固化,與鋁片形成了一個(gè)封閉的空間,阻止了外界濕氣的進(jìn)入。因此,膠體內(nèi)部的交聯(lián)程度和與鋁片的粘接力都不夠高,導(dǎo)致拉剪試驗(yàn)時(shí)界面破壞的面積較大[18]。但是,隨著時(shí)間的推移,水汽會(huì)慢慢滲透到膠體內(nèi)部,促進(jìn)了膠體的進(jìn)一步固化和粘接。在第4 d時(shí),膠體已經(jīng)達(dá)到了最佳的固化狀態(tài)和粘接性能,界面破壞幾乎消失,膠體性能穩(wěn)定。

2.4 耐熱性能

密封膠的力學(xué)性能隨高溫放置天數(shù)的變化結(jié)果如圖5所示。

圖5 密封膠的力學(xué)性能隨高溫放置天數(shù)的變化

由圖5可知,密封膠在高溫下放置7 d后,拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值,然后逐漸減小,斷裂伸長(zhǎng)率也一直在降低。這可能與密封膠的固化過(guò)程和老化過(guò)程有關(guān)。密封膠固化后,內(nèi)部仍有未交聯(lián)的烷氧基團(tuán),在高溫條件下繼續(xù)交聯(lián),使得拉伸強(qiáng)度增加和斷裂伸長(zhǎng)率減少。而隨著高溫時(shí)間的延長(zhǎng),密封膠開(kāi)始老化,分子鏈發(fā)生斷裂降解,導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)一步下降[19-20]。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)硅烷偶聯(lián)劑的加入可以提高密封膠的交聯(lián)密度和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而提高密封膠的力學(xué)性能和耐候性能;

(2)硅烷改性聚醚密封膠具有良好的粘接性能,能夠與多種建筑材料形成牢固的界面,且不需要底涂劑或活化劑;

(3)硅烷改性聚醚密封膠是一種環(huán)保型密封膠,無(wú)溶劑揮發(fā),無(wú)有害物質(zhì)釋放,符合綠色建筑的要求。