建筑用硅烷改性聚醚密封胶制备及性能研究

王雨伯,王汉东,赵成柱,乔国军

(1.济南市工程质量与安全中心, 山东 济南 250102;2.山东省装饰集团有限公司, 山东 济南 250100)

硅烷改性聚醚密封胶是一种新型的高性能环保密封胶,它是以端硅烷基聚醚为基础聚合物,通过室温湿固化形成具有优良耐候性、耐久性、粘接性、涂饰性和环境友善性的弹性体。硅烷改性聚醚密封胶兼有硅酮密封胶和聚氨酯密封胶的优点,但又避免了它们的缺点,如硅酮密封胶的高玷污性和低可涂饰性,以及聚氨酯密封胶的含有毒性异氰酸酯和高挥发性有机物。因此,硅烷改性聚醚密封胶在建筑领域具有广阔的应用前景。目前关于该类密封胶的研究报道较少,其制备工艺、表征方法和性能评价尚不完善,导致其在实际应用中存在一定的局限性和不确定性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

表1中列出的软质MS密封胶,以及其各成分的作用和功能。这种密封剂由以下几种主要成分组成:聚合物、增塑剂、白垩、脂肪酸酰胺蜡、催化剂和其他添加剂。这些成分的比例和顺序会影响密封剂的性能和质量,因此需要精确控制。

表1 单组分MS聚合物密封胶的样品配方Tab.1 Sample formulation of single component MS polymer sealant

通常选择碳酸钙作为填料,因为它对模量、拉伸强度和伸长率有理想的影响。碳酸钙是价格最低的填料之一,无毒、无刺激性、无气味,白色,折射率与许多增塑剂、树脂的相近,对PP材料的着色干扰极小。

许多不同类型的增塑剂可用作流变改性剂,并提供更大的灵活性。增塑剂是一种可以降低塑料加工过程中所需力的添加剂,使塑料具有良好的柔韧性和延展性。增塑剂的种类很多,根据其化学结构可以分为邻苯二甲酸酯类、聚醚类、脂肪酸类等。邻苯二甲酸酯类增塑剂是最常用的一种,具有良好的综合性能,可用于PVC、PE等多种树脂中[1-2]。

锡和胺化合物用作催化剂以加速固化反应。锡和胺化合物是常用的催化剂,可以促进聚氨酯树脂与异氰酸酯单体之间的反应,形成交联网络结构。锡催化剂主要有二乙基锡二硫代甲酸盐(DETS)、二丁基锡二硫代甲酸盐(DBTS)等,具有催化效率高、选择性好、毒性低等特点。胺催化剂主要有三乙胺(TEA)、三异丙胺(TIPA)、N-甲基吗啉(NMM)等,具有反应速度快、固化时间短等特点。锡和胺催化剂可以单独使用,也可以混合使用,以达到最佳性能。

MS聚合物密封胶的配方可以根据不同的应用需求进行调整,包括以下几个方面。

除湿剂:有时会在配方中添加除湿剂以提高储存稳定性。除湿剂可以吸收密封胶中的水分,防止水解反应导致密封胶变质或凝胶。常用的除湿剂有分子筛、硅胶、钙氯化等。

附着力促进剂:尽管MS聚合物上的硅烷基团本身起到附着力促进剂的作用,但可以添加附着力促进剂。附着力促进剂可以提高密封胶对各种基材的粘附力,特别是难粘附的基材,如金属、塑料或涂层表面。常用的附着力促进剂有硅烷类、钛酸酯类等[3-4]。

光稳定剂:MS聚合物密封胶配方还允许使用氨基硅烷粘附促进剂和受阻胺光稳定剂,这些在含有异氰酸酯基团的单组分密封胶中未使用。光稳定剂可以提高密封胶对紫外线和臭氧的抵抗能力,延长密封胶的使用寿命和美观度。

1.2 制备方法与工艺

MS聚合物使用的配方工艺与配制聚氨酯密封胶或粘合剂的配方工艺相似。

混合过程应该在真空下进行,以保持推荐的原料水分含量在0.08%以下。此外,使用化学干燥剂和清水剂可以进一步提高密封胶的性能和耐久性。密封胶的包装也很重要,需要高质量的包装来延长密封胶的保质期,防止水分和氧气的渗透[5-6]。

为了保证适当的保质期和稳定的质量,存在2种不同的水分控制方法,并且与MS聚合物基密封剂或粘合剂配合使用。MS聚合物基密封胶和粘合剂的干燥工艺如图1所示。第1种包括通过使用化学干燥剂(例如,乙烯基三甲氧基硅烷等水分清除剂)对产品进行脱水;第2种则使用热量蒸发可能存在的水分。这2种方法都有各自的优缺点,需要根据产品的特性和应用场景进行选择。化学干燥剂可以快速有效地去除水分,但可能会影响产品的粘接性能和耐久性。热量蒸发可以保持产品的完整性和稳定性,但可能会增加生产成本和时间[7-8]。

图1 MS聚合物基密封胶和粘合剂的干燥工艺

物理干燥过程中的加热步骤确保了出色的储存稳定性,但需要大量的能量和时间才能达到所需的温度。此外,在这些高温下不能添加硅烷和催化剂,从而导致额外的耗时冷却循环。

左侧的化学干燥工艺在不牺牲储存稳定性的情况下,缩短生产时间和降低能耗[9-10]。这种工艺利用了流变改性剂、填料和机械领域的最新技术,避免了传统的物理干燥过程中的高温加热和冷却循环。这种工艺有助于提高产品质量和效率,降低成本和环境影响[11]。

1.3 性能测定

固化性能测定:为了分析密封胶的固化性能,即密封胶在一定时间内达到的固化厚度。为此,将密封胶涂于玻璃板上,放置于恒温恒湿的环境中,进行7 d的固化试验。每隔0.5 d,用卡尺测量密封胶的固化厚度,并记录数据。

力学性能测定:通过对不同固化天数的密封胶进行拉伸试验,测量了其拉伸强度和断裂伸长率,以反映密封胶的力学性能随固化天数的变化规律。

粘接性能测定:为了测试密封胶的拉剪强度,制备了一系列的工字件,每个工字件由两块玻璃片和一层密封胶组成。将工字件放置在不同的温度和湿度条件下,进行不同时间的固化,然后用万能试验机进行拉剪试验。同时,观察了拉断后工字件中胶体与玻璃片间界面破坏的面积百分比,以评估密封胶与基材之间的界面粘结质量[12-13]。

耐热性能测定:通过在实验室条件下的高温放置来模拟密封胶在使用环境下的受热情况,从而分析密封胶的耐热性能,将密封胶固化后的试样放置在80 ℃的恒温箱中,定期取出测量其拉伸强度和断裂伸长率,观察其随时间的变化情况。

2 结果与分析

2.1 固化性能

通过对密封胶进行固化试验得出密封胶的固化厚度随时间的变化曲线如图2所示。

图2 密封胶的固化厚度随天数的变化

由图2可知,密封胶在施工后的 24 h内,固化厚度约为 3.6 mm,符合一般的施工要求。但是随着时间的延长,密封胶的固化速度逐渐减慢,固化曲线趋于平稳。这是因为密封胶的表层形成了一层致密的固化膜,阻碍了空气中的水分进入内部,影响了密封胶的吸潮固化反应[14-15]。因此,在标准条件下,密封胶需要 7 d左右才能达到7.79 mm 的固化厚度,才能发挥出最佳的性能。在低温或低湿度的环境下,密封胶的固化时间会更长。

2.2 力学性能

通过拉伸试验得出密封胶的力学性能随固化天数的变化曲线如图3所示。

图3 密封胶的力学性能随固化天数的变化

由图3可知,根据固化天数的变化,密封胶的拉伸强度在湿气固化的前期有较快的增长,在固化 3 d后基本稳定,之后密封胶拉伸强度的提升速度变慢。而断裂伸长率则是先上升,后下降,随着胶体交联程度的增强,断裂伸长率逐渐减小。这说明在湿气固化的开始阶段,密封胶胶体的表面能与空气中的湿气充分反应,从而快速形成交联网络,胶体各方面的力学性能都迅速提高,断裂伸长率也达到一个最大值[16-17]。

2.3 粘接强度

密封胶的拉剪强度和界面破坏面积百分比随固化时间的变化曲线如图4所示。

图4 密封胶的粘接性能随天数的变化

由图4可知,密封胶的拉剪强度和界面破坏的面积百分比与固化时间有密切的关系。随着固化时间的延长,密封胶的拉剪强度逐渐增强,而界面破坏的面积百分比逐渐降低。这是由于搭接片的基材是高密度的铝片,胶层是薄薄的一层,胶体与空气接触后迅速固化,与铝片形成了一个封闭的空间,阻止了外界湿气的进入。因此,胶体内部的交联程度和与铝片的粘接力都不够高,导致拉剪试验时界面破坏的面积较大[18]。但是,随着时间的推移,水汽会慢慢渗透到胶体内部,促进了胶体的进一步固化和粘接。在第4 d时,胶体已经达到了最佳的固化状态和粘接性能,界面破坏几乎消失,胶体性能稳定。

2.4 耐热性能

密封胶的力学性能随高温放置天数的变化结果如图5所示。

图5 密封胶的力学性能随高温放置天数的变化

由图5可知,密封胶在高温下放置7 d后,拉伸强度达到最大值,然后逐渐减小,断裂伸长率也一直在降低。这可能与密封胶的固化过程和老化过程有关。密封胶固化后,内部仍有未交联的烷氧基团,在高温条件下继续交联,使得拉伸强度增加和断裂伸长率减少。而随着高温时间的延长,密封胶开始老化,分子链发生断裂降解,导致拉伸强度和断裂伸长率进一步下降[19-20]。

3 结语

(1)硅烷偶联剂的加入可以提高密封胶的交联密度和网络结构的稳定性,从而提高密封胶的力学性能和耐候性能;

(2)硅烷改性聚醚密封胶具有良好的粘接性能,能够与多种建筑材料形成牢固的界面,且不需要底涂剂或活化剂;

(3)硅烷改性聚醚密封胶是一种环保型密封胶,无溶剂挥发,无有害物质释放,符合绿色建筑的要求。