王雨伯,王漢東,趙成柱,喬國軍

(1.濟南市工程質量與安全中心, 山東 濟南 250102;2.山東省裝飾集團有限公司, 山東 濟南 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聚合物,通過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,但又避免了它們的缺點,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)性有機物。因此,硅烷改性聚醚密封膠在建筑領域具有廣闊的應用前景。目前關于該類密封膠的研究報道較少,其制備工藝、表征方法和性能評價尚不完善,導致其在實際應用中存在一定的局限性和不確定性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

表1中列出的軟質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影響密封劑的性能和質量,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,因為它對模量、拉伸強度和伸長率有理想的影響。碳酸鈣是價格最低的填料之一,無毒、無刺激性、無氣味,白色,折射率與許多增塑劑、樹脂的相近,對PP材料的著色干擾極小。

許多不同類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。增塑劑的種類很多,根據其化學結構可以分為鄰苯二甲酸酯類、聚醚類、脂肪酸類等。鄰苯二甲酸酯類增塑劑是最常用的一種,具有良好的綜合性能,可用于PVC、PE等多種樹脂中[1-2]。

錫和胺化合物用作催化劑以加速固化反應。錫和胺化合物是常用的催化劑,可以促進聚氨酯樹脂與異氰酸酯單體之間的反應,形成交聯網絡結構。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。胺催化劑主要有三乙胺(TEA)、三異丙胺(TIPA)、N-甲基嗎啉(NMM)等,具有反應速度快、固化時間短等特點。錫和胺催化劑可以單獨使用,也可以混合使用,以達到最佳性能。

MS聚合物密封膠的配方可以根據不同的應用需求進行調整,包括以下幾個方面。

除濕劑:有時會在配方中添加除濕劑以提高儲存穩(wěn)定性。除濕劑可以吸收密封膠中的水分,防止水解反應導致密封膠變質或凝膠。常用的除濕劑有分子篩、硅膠、鈣氯化等。

附著力促進劑:盡管MS聚合物上的硅烷基團本身起到附著力促進劑的作用,但可以添加附著力促進劑。附著力促進劑可以提高密封膠對各種基材的粘附力,特別是難粘附的基材,如金屬、塑料或涂層表面。常用的附著力促進劑有硅烷類、鈦酸酯類等[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劑和受阻胺光穩(wěn)定劑,這些在含有異氰酸酯基團的單組分密封膠中未使用。光穩(wěn)定劑可以提高密封膠對紫外線和臭氧的抵抗能力,延長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。

混合過程應該在真空下進行,以保持推薦的原料水分含量在0.08%以下。此外,使用化學干燥劑和清水劑可以進一步提高密封膠的性能和耐久性。密封膠的包裝也很重要,需要高質量的包裝來延長密封膠的保質期,防止水分和氧氣的滲透[5-6]。

為了保證適當的保質期和穩(wěn)定的質量,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種包括通過使用化學干燥劑(例如,乙烯基三甲氧基硅烷等水分清除劑)對產品進行脫水;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,需要根據產品的特性和應用場景進行選擇。化學干燥劑可以快速有效地去除水分,但可能會影響產品的粘接性能和耐久性。熱量蒸發(fā)可以保持產品的完整性和穩(wěn)定性,但可能會增加生產成本和時間[7-8]。

圖1 MS聚合物基密封膠和粘合劑的干燥工藝

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

左側的化學干燥工藝在不犧牲儲存穩(wěn)定性的情況下,縮短生產時間和降低能耗[9-10]。這種工藝利用了流變改性劑、填料和機械領域的最新技術,避免了傳統的物理干燥過程中的高溫加熱和冷卻循環(huán)。這種工藝有助于提高產品質量和效率,降低成本和環(huán)境影響[11]。

1.3 性能測定

固化性能測定:為了分析密封膠的固化性能,即密封膠在一定時間內達到的固化厚度。為此,將密封膠涂于玻璃板上,放置于恒溫恒濕的環(huán)境中,進行7 d的固化試驗。每隔0.5 d,用卡尺測量密封膠的固化厚度,并記錄數據。

力學性能測定:通過對不同固化天數的密封膠進行拉伸試驗,測量了其拉伸強度和斷裂伸長率,以反映密封膠的力學性能隨固化天數的變化規(guī)律。

粘接性能測定:為了測試密封膠的拉剪強度,制備了一系列的工字件,每個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,進行不同時間的固化,然后用萬能試驗機進行拉剪試驗。同時,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,以評估密封膠與基材之間的界面粘結質量[12-13]。

耐熱性能測定:通過在實驗室條件下的高溫放置來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,定期取出測量其拉伸強度和斷裂伸長率,觀察其隨時間的變化情況。

2 結果與分析

2.1 固化性能

通過對密封膠進行固化試驗得出密封膠的固化厚度隨時間的變化曲線如圖2所示。

圖2 密封膠的固化厚度隨天數的變化

由圖2可知,密封膠在施工后的 24 h內,固化厚度約為 3.6 mm,符合一般的施工要求。但是隨著時間的延長,密封膠的固化速度逐漸減慢,固化曲線趨于平穩(wěn)。這是因為密封膠的表層形成了一層致密的固化膜,阻礙了空氣中的水分進入內部,影響了密封膠的吸潮固化反應[14-15]。因此,在標準條件下,密封膠需要 7 d左右才能達到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,密封膠的固化時間會更長。

2.2 力學性能

通過拉伸試驗得出密封膠的力學性能隨固化天數的變化曲線如圖3所示。

圖3 密封膠的力學性能隨固化天數的變化

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

2.3 粘接強度

密封膠的拉剪強度和界面破壞面積百分比隨固化時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 密封膠的粘接性能隨天數的變化

由圖4可知,密封膠的拉剪強度和界面破壞的面積百分比與固化時間有密切的關系。隨著固化時間的延長,密封膠的拉剪強度逐漸增強,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,與鋁片形成了一個封閉的空間,阻止了外界濕氣的進入。因此,膠體內部的交聯程度和與鋁片的粘接力都不夠高,導致拉剪試驗時界面破壞的面積較大[18]。但是,隨著時間的推移,水汽會慢慢滲透到膠體內部,促進了膠體的進一步固化和粘接。在第4 d時,膠體已經達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

密封膠的力學性能隨高溫放置天數的變化結果如圖5所示。

圖5 密封膠的力學性能隨高溫放置天數的變化

由圖5可知,密封膠在高溫下放置7 d后,拉伸強度達到最大值,然后逐漸減小,斷裂伸長率也一直在降低。這可能與密封膠的固化過程和老化過程有關。密封膠固化后,內部仍有未交聯的烷氧基團,在高溫條件下繼續(xù)交聯,使得拉伸強度增加和斷裂伸長率減少。而隨著高溫時間的延長,密封膠開始老化,分子鏈發(fā)生斷裂降解,導致拉伸強度和斷裂伸長率進一步下降[19-20]。

3 結語

(1)硅烷偶聯劑的加入可以提高密封膠的交聯密度和網絡結構的穩(wěn)定性,從而提高密封膠的力學性能和耐候性能;

(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,無溶劑揮發(fā),無有害物質釋放,符合綠色建筑的要求。