中空玻璃用丁基熱熔密封膠的研究

紀(jì) 楠， 張秀斌

(沈陽(yáng)化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110142)

近年來(lái)，隨著房地產(chǎn)行業(yè)的快速發(fā)展，用于房屋門(mén)窗的中空玻璃得到了人們的青睞.中空玻璃具有優(yōu)良的隔音性能、防結(jié)露性能、良好的隔熱性能、抗老化性能以及透光度好等優(yōu)點(diǎn)，因此成為重要的節(jié)能建筑材料.中空玻璃密封膠是決定中空玻璃質(zhì)量性能的主要因素，無(wú)論是傳統(tǒng)的槽鋁型還是新型復(fù)合膠條中空玻璃，其密封膠的選擇和使用都是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)［1］.本文研制的中空玻璃熱熔密封膠是100%固體的單組分密封膠，以丁基橡膠、聚異丁烯為基料經(jīng)過(guò)混煉制備而成，專(zhuān)為密封中空玻璃工業(yè)而設(shè)計(jì).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

丁基橡膠(1751)，北京燕山石化公司;再生丁基橡膠，盤(pán)錦市黑馬膠業(yè)集團(tuán);聚異丁烯(B10黏均相對(duì)分子質(zhì)量為40 000)，德國(guó)巴斯夫;萜烯樹(shù)脂(軟化點(diǎn)為100℃)，山西省化工研究所;輕質(zhì)碳酸鈣，市售;沉淀法白炭黑，市售;聚乙烯(LDPE)，北京燕山石化公司.SK-160B型開(kāi)放式塑煉機(jī)，上海輕工業(yè)機(jī)械股份有限公司;DHG-9070型鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;VIC-1501型艾科勒電子天平，德國(guó)賽多斯集團(tuán);XHS型邵爾橡塑硬度計(jì)，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司.

1.2 性能檢測(cè)

1.2.1 冷流性與高溫流動(dòng)性測(cè)試

稱(chēng)20 g煉好的膠料，放入130℃的烘箱里加熱使其具有一定的柔軟性，制成圓球狀，待制樣溫度降至室溫后，放到干凈的玻璃片上，冷流性測(cè)試試樣放入80℃烘箱，高溫流動(dòng)性測(cè)試試樣放入150℃烘箱，1 h后取出.測(cè)量密封膠制樣與玻璃片粘接圓的直徑5個(gè)，取平均值，記錄.

1.2.2 定溫硬度測(cè)試

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2941進(jìn)行熱熔膠的邵氏硬度(XHS)實(shí)驗(yàn).

1.2.3 剝離強(qiáng)度測(cè)試

將膠料放入130℃烘箱，待膠料變軟后，取適量膠料粘于長(zhǎng)5 cm、寬1 cm的鋁條上，再將粘有膠料的鋁條放入150℃烘箱，30 min后取出，將其迅速粘到潔凈的玻璃片上，壓實(shí)，靜置24 h后用彈簧秤測(cè)量密封膠制樣的90°剝離強(qiáng)度.

剝離強(qiáng)度=拉力(N)/寬度(m)

1.2.4 水煮密封性能測(cè)試

稱(chēng)取10 g煉好的膠料，放入130℃的烘箱里加熱使其具有一定的柔軟性，制成圓環(huán)狀放到2塊潔凈的玻璃片之間壓實(shí)，然后放入150℃烘箱中，5 min后取出，靜置24 h后，放入60℃的水浴鍋中煮2 h.取出，再放入－15℃下冰凍2 h.反復(fù)5次，每次水煮冰凍后觀察試樣是否漏氣漏水，開(kāi)縫等.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 丁基橡膠用量對(duì)密封膠性能的影響

丁基橡膠是制備密封膠的主要原料，其使用量不僅對(duì)密封膠的性能影響很大，同時(shí)也決定密封膠的生產(chǎn)成本.因此對(duì)其用量的分析至關(guān)重要.丁基橡膠用量對(duì)密封膠性能的影響見(jiàn)圖1、圖2.從圖1可看出，密封膠的冷流性和高溫流動(dòng)性都隨丁基橡膠用量的增大而減小.流動(dòng)直徑減小意味著隨丁基橡膠使用量的增大，密封膠的體系黏度逐漸增大，室溫下冷流現(xiàn)象逐漸減弱.

圖1 丁基橡膠用量對(duì)密封膠冷流性與高溫流動(dòng)性的影響Fig.1 The effect of the amount of butyl rubber on cold flow and high-temperature fluidity of the sealant

從圖2可看出，密封膠的硬度和剝離強(qiáng)度均隨丁基橡膠用量的增大而緩慢增大.膠體硬度較大不利于生產(chǎn)加工，在添加軟化劑量一定時(shí)，丁基橡膠的用量增大，會(huì)使膠體硬度增大，內(nèi)聚強(qiáng)度增大，這與圖1冷流性能結(jié)果表達(dá)一致.丁基橡膠是一種線(xiàn)型高分子共聚物，分子鏈上僅含少量或不含不飽和鍵，分子排列緊密，使其具有優(yōu)良的密封性［2］.它的長(zhǎng)鏈大分子結(jié)構(gòu)使其對(duì)玻璃等多種材料具有良好的粘附力.丁基橡膠本身具有一定的粘附性，但粘附力達(dá)不到使用要求，剝離強(qiáng)度較小，可以添加增黏劑進(jìn)行調(diào)節(jié).綜合考慮選擇丁基橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.5%為最佳.

圖2 丁基橡膠用量對(duì)密封膠硬度與剝離強(qiáng)度的影響Fig.2 The effect of the amount of butyl rubber on hardness and peel strength of the sealant

2.2 萜烯樹(shù)脂用量對(duì)密封膠性能的影響

增黏劑用于改善密封膠的粘合強(qiáng)度和加工工藝性等，常從松香、萜烯樹(shù)脂等中選取，但是松香中的小分子組分揮發(fā)會(huì)產(chǎn)生煙霧，影響中空玻璃的采光性［3］，故選擇萜烯樹(shù)脂作為密封膠的增黏劑，研究其用量對(duì)膠體性能的影響.

從圖3可以看出，隨萜烯樹(shù)脂用量的增大密封膠的流動(dòng)直徑逐漸增大，冷流現(xiàn)象與高溫流動(dòng)性增強(qiáng).這是由于萜烯樹(shù)脂增多，通過(guò)其分子對(duì)橡膠的滲透作用，可加速配合劑在膠料中的混合分散速度，通過(guò)萜烯分子對(duì)大分子的分割包圍與隔離作用，使分子間距離增大，密封膠變稀，容易出現(xiàn)冷流現(xiàn)象，隨著溫度升高，萜烯樹(shù)脂開(kāi)始融化，高溫流動(dòng)性增大.

從圖4可看出，隨萜烯樹(shù)脂填充量的增大密封膠的硬度與剝離強(qiáng)度增大.由于萜烯樹(shù)脂本身硬度大，且大量填充后容易從密封膠體系內(nèi)遷移析出，使密封膠體系加速硬化，導(dǎo)致密封膠硬度增大.萜烯樹(shù)脂可改善密封膠對(duì)基材的潤(rùn)濕性和初粘性，使粘結(jié)力提高.檢測(cè)時(shí)可看到密封膠的破壞類(lèi)型由界面破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)聚破壞.隨著萜烯樹(shù)脂使用量的增大，密封膠粘結(jié)性提高，剝離強(qiáng)度增大，破壞類(lèi)型由界面破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)聚破壞.

雖然密封膠的內(nèi)聚強(qiáng)度隨萜烯樹(shù)脂使用量的增大而減小，但可通過(guò)加入填料進(jìn)行調(diào)節(jié)體系的剛性，綜合考慮，選擇萜烯樹(shù)脂使用量為100份.

圖3 萜烯樹(shù)脂用量對(duì)密封膠冷流性與高溫流動(dòng)性的影響Fig.3 The effect of the amount of terpene resin on cold flow and high-temperature fluidity of the sealant

圖4 萜烯樹(shù)脂用量對(duì)密封膠硬度與剝離強(qiáng)度的影響Fig.4 The effect of the amount of terpene resin on hardness and peel strength of the sealant

2.3 填料的選擇及用量影響

在密封膠中加入適當(dāng)填料具有補(bǔ)強(qiáng)作用，并且可降低生產(chǎn)成本，常用的膠黏劑填料有輕質(zhì)碳酸鈣、白炭黑等，但由于白炭黑不利于密封膠的水煮密封性，所以實(shí)驗(yàn)選擇輕質(zhì)碳酸鈣作為密封膠的填料，研究其用量對(duì)密封膠性能的影響.

從圖5可看出，隨碳酸鈣用量的增加，密封膠流動(dòng)直徑減小，說(shuō)明碳酸鈣可提高密封膠的體系黏度，抗冷流性增強(qiáng)，密封膠冷流現(xiàn)象減弱.

從圖6可看出，隨碳酸鈣的增加，密封膠體系硬度和剝離強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，碳酸鈣雖然可以提高密封膠的內(nèi)聚強(qiáng)度，降低成本，但是不能過(guò)多，否則會(huì)影響密封膠的粘結(jié)性，降低密封膠的剝離強(qiáng)度，不利于密封膠的制備.綜合考慮，選擇輕質(zhì)碳酸鈣用量為100份.

圖5 輕質(zhì)碳酸鈣用量對(duì)密封膠冷流性與高溫流動(dòng)性的影響Fig.5 The effect of the amount of calcium carbonate on cold flow and high-temperature fluidity of the sealant

圖6 輕質(zhì)碳酸鈣用量對(duì)密封膠硬度與剝離強(qiáng)度的影響Fig.6 The effect of the amount of calcium carbonate on hardness and peel strength of the sealant

2.4 聚異丁烯用量對(duì)密封膠性能的影響

密封膠加工過(guò)程中，一般需要加入一定量的軟化劑，這通常是一種能使膠具有一定柔軟性的低分子物質(zhì).它們不僅能增加膠料的可塑性、流動(dòng)性、黏著性，便于加工成型等工藝操作，還有利于粉末狀配合劑分散［4］.本實(shí)驗(yàn)采用的是中分子聚異丁烯，它本身具有一定的粘結(jié)性，所以既可作為增黏劑同時(shí)也可作為軟化劑.聚異丁烯用量對(duì)密封膠性能的影響如圖7、圖8所示.

圖7 聚異丁烯用量對(duì)密封膠冷流性與高溫流動(dòng)性的影響Fig.7 The effect of the amount of polyisobutylene on cold flow and high-temperature fluidity of the sealant

圖8 聚異丁烯用量對(duì)密封膠硬度與剝離強(qiáng)度的影響Fig.8 The effect of the amount of polyisobutylene on hardness and peel strength of the sealant

從圖7可看出，隨聚異丁烯用量的增大密封膠流動(dòng)直徑逐漸增大，冷流現(xiàn)象和高溫流動(dòng)性增強(qiáng).這是因?yàn)榫郛惗∠┳鳛樵鏊軜?shù)脂加入到橡膠中，在一定的溫度和力的作用下增大了橡膠分子間的距離，降低了分子間的作用力，增加了分子鏈的活性，使得密封膠的流動(dòng)性增大.

從圖8可看出，隨聚異丁烯使用量的增大密封膠硬度逐漸減小，剝離強(qiáng)度先增大后減小.這說(shuō)明聚異丁烯作為軟化劑，達(dá)到了對(duì)生膠軟化的效果.軟化作用主要來(lái)自于聚異丁烯對(duì)橡膠的“稀釋”作用，主要通過(guò)其分子對(duì)橡膠的溶脹和滲透作用，增大分子間距離，減小相互作用力［5］，硬度減小.少量聚異丁烯存在時(shí)，它以增加密封膠的粘結(jié)性為主，主要作為增黏劑，當(dāng)聚異丁烯用量過(guò)多時(shí)，以軟化作用為主，使密封膠流變性變強(qiáng)，另外聚異丁烯過(guò)多時(shí)，容易向密封膠的粘結(jié)界面遷移，形成弱的粘結(jié)層，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度降低.測(cè)試時(shí)觀察到聚異丁烯用量150份左右時(shí)，密封膠破壞類(lèi)型由內(nèi)聚破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑嫫茐?

聚異丁烯使用量增大使密封膠硬度減小的同時(shí)，必定會(huì)增大膠體的冷流性，綜合考慮選擇聚異丁烯用量為150份.

2.5 聚乙烯用量對(duì)密封膠性能的影響

聚乙烯用量對(duì)密封膠性能的影響如圖9、圖10所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚乙烯可提高密封膠體系的內(nèi)聚強(qiáng)度，而對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度影響不明顯.

圖9 聚乙烯用量對(duì)密封膠冷流性與高溫流動(dòng)性的影響Fig.9 The effect of the amount of polyethylene on cold flow and high-temperature fluidity of the sealant

圖10 聚乙烯用量對(duì)密封膠硬度與剝離強(qiáng)度的影響Fig.10 The effect of the amount of polyethylene on hardness and peel strength of the sealant

從圖9可看出，隨聚乙烯用量的增大，密封膠的冷流性和高溫流動(dòng)性逐漸減小.當(dāng)聚乙烯填充量為125份時(shí)，密封膠的抗冷流性和高溫流動(dòng)性均比較好，能夠滿(mǎn)足密封膠的性能.從圖10可看出，隨聚乙烯用量的增大，密封膠的硬度逐漸增大，剝離強(qiáng)度先增大后減小.聚乙烯在室溫條件下，結(jié)晶度高，能夠提高密封膠的硬度.當(dāng)聚乙烯用量為125份左右時(shí)，密封膠破壞類(lèi)型由內(nèi)聚破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑嫫茐?綜合考慮，選擇聚乙烯填充量為125份最佳.

2.6 最佳配方性能測(cè)試

最佳配方性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 密封膠最佳配方測(cè)試結(jié)果及與美國(guó)密封膠的比較Table 1 The performance test results of the best formulation of this experiment and the sealant of the US

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究中空玻璃密封膠中各組分的填充量對(duì)密封膠性能的影響，確定了最佳配方(以丁基橡膠用量為100份，其他各物質(zhì)用量份數(shù)相對(duì)于100份丁基橡膠)為再生丁基橡膠75份，聚異丁烯150份，萜烯樹(shù)脂100份，輕質(zhì)碳酸鈣100份，聚乙烯125份，丁基橡膠在密封膠中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.5%.該密封膠對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，密封膠的粘結(jié)強(qiáng)度隨著試驗(yàn)周期的延長(zhǎng)而增大，能夠保證密封效果.

［1］ 郭慶時(shí)，劉丹丹，張利國(guó).中空玻璃密封膠的研究進(jìn)展［J］.化學(xué)建材，2005，21(1):46－49.

［2］ 《橡膠工業(yè)手冊(cè)》編寫(xiě)小組.橡膠工業(yè)手冊(cè):第一分冊(cè)生膠與骨架材料［M］.北京:石油化學(xué)工業(yè)出版社，1974:477－479.

［3］ 朱本瑋，鄺生魯.中空玻璃熱熔丁基密封膠的研究［J］.粘接，2006，27(4):18.

［4］ 鄧本誠(chéng)，紀(jì)奎江.橡膠工藝原理［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1984:153－154.

［5］ 張海，趙素合.橡膠及塑料加工工藝［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001:2－139.