成都硅寶科技股份有限公司董事長 王躍林
有機硅建筑密封膠(俗稱硅酮膠,下同)作為有機硅高分子材料的重要組成部份,它在室溫下無需加熱,光照或其他條件即可固化變?yōu)閺椥韵鹉z,使用非常方便,除具有一般有機硅材料的耐高低溫、耐氣候老化、高電絕緣等優(yōu)異特性外,還具有對各類基材的粘結(jié)性好、抗變位能力強等特點,已發(fā)展成為現(xiàn)代建筑裝飾的重要密封材料,用戶可以根據(jù)不同用途選擇相應類型的產(chǎn)品。
歐美發(fā)達國家在上世紀五十年代初就開發(fā)了雙組份硅酮密封膠產(chǎn)品用于建筑業(yè),六十年代初有高性能單組份硅酮建筑密封膠出售,七十年代硅酮結(jié)構(gòu)密封膠首次用于全隱框玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)粘接裝配工程,到現(xiàn)在已實際投入使用超過40年,使用效果良好。在硅酮膠發(fā)展的同期,世界上還開發(fā)了其他幾種性能較好的密封膠,主要有聚硫、聚氨酯、丙烯酸型、丁基型等產(chǎn)品,但從綜合性能比較而言,硅酮密封膠最優(yōu)秀,使其成為玻璃幕墻中唯一使用的結(jié)構(gòu)、耐候密封膠品種。從使用量來看,國外由于硅酮密封膠售價要高于其他產(chǎn)品,故僅占有密封膠使用量的三分之一左右,但已出現(xiàn)逐步取代其他密封膠的趨勢,或者用普通的有機材料對有機硅高分子進行改性制備具有相似性能并且成本較低的密封膠品種。國內(nèi)的情況則與之相反,除丙烯酸類密封膠價格比較低、使用量較大外,聚硫和硅酮價格接近,聚氨酯的價格反而比硅酮高,使得硅酮密封膠占據(jù)的市場份額超過了70%。國外硅酮膠經(jīng)過幾十年的發(fā)展,在原材料及專用生產(chǎn)設備方面配套都非常好,已實現(xiàn)了大批量連續(xù)化生產(chǎn),主要的生產(chǎn)商集中在全球幾大有機硅公司,大部分制造商的年產(chǎn)量超過萬噸,全世界的總產(chǎn)量超過600kt/a。
有機硅結(jié)構(gòu)密封膠在建筑裝飾行業(yè)俗稱為硅酮結(jié)構(gòu)膠(下同),作為室溫固化(RTV)硅橡膠中的重要組成部分,在室溫下無需加熱,光照或其他特殊條件即可固化為彈性體,使用十分方便,按固化方式它又分為單組分(RTV-1)和雙組分(RTV-2)兩大類,其中RTV-1主要用于小型幕墻和現(xiàn)場施工,RTV-2主要用于大型幕墻施工。硅酮結(jié)構(gòu)膠除了具有有機硅材料的耐高低溫,耐氣候老化以及耐臭氧等顯著特點外,還具有對多種基材的粘接性好,抗位移能力強等特點,成為隱框幕墻關(guān)鍵的也是唯一的結(jié)構(gòu)粘接密封材料,既具有使建筑內(nèi)部與外界完全隔開的密封性能,同時又將玻璃等裝飾板片牢固地粘接在與建筑物連為一體的金屬骨架上,將玻璃等承受的永久荷載(自重)、風荷載、熱變形、地震作用等傳遞到骨架及建筑主體結(jié)構(gòu),由于硅酮結(jié)構(gòu)膠本身具有很好的彈性變形能力,使得建筑物主體與裝飾玻璃板片間形成彈性連接,大大減少了地震和颶風等自然災害的破壞程度,這是隱框幕墻具有的非常顯著的優(yōu)點。
在上世紀六十年代末,硅酮結(jié)構(gòu)膠開始在建筑物門廳或大堂、鋪面的落地玻璃的安裝中使用,它實際上是一種半隱框玻璃幕墻,在1970年開始用于鋁合金半隱框玻璃幕墻。1971年產(chǎn)生了第一個由硅酮結(jié)構(gòu)膠裝配的全隱框鋁合金玻璃幕墻,1976年硅酮結(jié)構(gòu)膠用于半隱框中空玻璃幕墻,1978年用于全隱框中空玻璃幕墻。從此,硅酮結(jié)構(gòu)膠開始在歐美、亞洲及全世界的隱框、半隱框玻璃幕墻中大量使用。
雖然全隱框玻璃幕墻與半隱框和明框幕墻及其他結(jié)構(gòu)相比,抗震及抗臺風等性能更為優(yōu)越,但由于其沒有機械固定裝置,因此比其他裝飾結(jié)構(gòu)具有更大的安全風險。人們對硅酮結(jié)構(gòu)膠的耐久性給予了極大的關(guān)注,許多學者也進行了大量的人工加速老化試驗,得出的結(jié)論是硅酮結(jié)構(gòu)膠在30年內(nèi)的性能基本保持不變,20年人工自然暴曬試驗也證明硅酮結(jié)構(gòu)膠性能變化很小,但這些試驗的結(jié)果卻無法給玻璃幕墻的壽命下準確結(jié)論,因為涉及的因素太多,例如結(jié)構(gòu)膠在實際使用過程中的受力狀態(tài)與試驗條件完全不同,所用的鋁材與氧化膜粘接強度是否足夠大并保持不變,鍍膜玻璃與鍍膜的附著力大小,打膠操作工人的熟練程度等等不確定因素。到目前為止,對用硅酮結(jié)構(gòu)粘接密封的全隱框玻璃幕墻的安全壽命的權(quán)威性說法是第一個幕墻有30年的歷史而沒有出現(xiàn)任何問題,全世界的玻璃幕墻也沒有因為結(jié)構(gòu)膠的原因而發(fā)生重大安全事故,用戶應該采用被證明過的材料和技術(shù)工藝,在幕墻的制作和安裝過程中要有好的質(zhì)量控制程序,并在以前SSG系統(tǒng)成功使用經(jīng)驗的基礎上來設計和使用幕墻。本文作者2002年到美國Florida參加ASTM會議時親自去全世界第一座中空玻璃幕墻建筑考察,該樓于1978年建成,所處的環(huán)境比較惡劣,到現(xiàn)在有30多年的使用歷史,仍然保持良好狀態(tài)。
中國的有機硅工業(yè)發(fā)源地在四川,原化工部晨光化工研究院在偏僻的富順縣從1960年中后期開始進行有機硅原材料和后加工產(chǎn)品的攻關(guān)和開發(fā),為我國的導彈衛(wèi)星和尖端武器提供了必不可少的高性能有機硅材料,也為今天國內(nèi)有機硅單體工業(yè)及后加工產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展貢獻了基礎性技術(shù)與工藝。硅酮膠的發(fā)源地同樣是在四川,1970年晨光化工研究院為我國人造衛(wèi)星太陽能電池板開發(fā)了高性能的有機硅粘結(jié)劑,它就是現(xiàn)代硅酮建筑結(jié)構(gòu)膠的前身。1980年晨光化工研究院承擔了國家“七五”重點科技攻關(guān)項目,進行硅酮建筑密封膠的開發(fā),并向四川、江蘇、廣東等地的三家企業(yè)進行了技術(shù)轉(zhuǎn)讓,從1990年開始為硅酮膠的工業(yè)化生產(chǎn)而專門設計生產(chǎn)了200升、500升和1000升真空行星攪拌混合機,沒有這樣的專用設備,或采用價格高出5-10倍的進口同類設備,無法使國內(nèi)企業(yè)形成競爭力。所有這些工作為我國的硅酮膠大批量工業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造了必要條件。四川在為國內(nèi)企業(yè)提供硅酮膠技術(shù)與設備的同時還及時輸出人才,他們在沿海企業(yè)貢獻了自己的艱苦努力和智慧,幫助這些企業(yè)實現(xiàn)了我國硅酮膠的大批量生產(chǎn)銷售和出口,使得我國成為世界硅酮膠的重要生產(chǎn)基地。
國內(nèi)硅酮膠的開發(fā)雖然工作始于上世紀六十年代,但主要用于國防工業(yè),到八十年代開始轉(zhuǎn)向民用,但由于條件的限制,并沒有大量的產(chǎn)品投放市場。進入1990年后,開發(fā)速度明顯加快,廣東南海嘉美公司在1993年建成了第一條4000t/a酸性膠生產(chǎn)線,首次實現(xiàn)了我國硅酮膠的大批量國產(chǎn)化,現(xiàn)在國內(nèi)擁有20kt/a的生產(chǎn)線的硅酮膠生產(chǎn)企業(yè)超過十五家,全國目前大大小小的硅酮膠企業(yè)超過150家,生產(chǎn)能力超過500kt,實際年產(chǎn)量已超過400kt。由于主要原材料已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化,國產(chǎn)產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用數(shù)量方面已大大超過進口產(chǎn)品,國內(nèi)已有不少公司的產(chǎn)品實現(xiàn)了大批量出口。國內(nèi)酸性膠生產(chǎn)方面有一個相當嚴重的問題就是有部分生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量十分低下,它們?yōu)榱私档统杀?,在生產(chǎn)配方中大量使用廉價的礦物油。添加少量高質(zhì)量的烷烴油可以部分降低成本而不至于大大降低產(chǎn)品的質(zhì)量,但若使用過量的礦物油將使產(chǎn)品出現(xiàn)不能完全固化、顏色變化很大、滲油嚴重等一系列問題,就是這些質(zhì)量低劣的廉價產(chǎn)品導致市場價格進入了極度惡性的競爭。隨著有機硅原材料價格的大幅下降和消費水平的提高,此種現(xiàn)象近幾年有所減少,但仍然有不少偽劣產(chǎn)品充斥市場。在中性膠的開發(fā)生產(chǎn)方面,國內(nèi)已有幾十個單位的批量產(chǎn)品投放市場。與進口產(chǎn)品相比,質(zhì)量相當,但價格則有競爭優(yōu)勢,故國內(nèi)產(chǎn)品已占到市場的主要份額,總產(chǎn)量超過300kt/a的水平;不少企業(yè)推出的功能性產(chǎn)品和耐候膠已完全能取代進口產(chǎn)品,而且價格比較低。
我國在上世紀80年代初從北京長城飯店安裝第一幅玻璃幕墻開始使用硅酮結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品,進入90年代開始大量使用硅酮結(jié)構(gòu)膠粘接密封全隱框和半隱框幕墻,90年代先后落成的國內(nèi)最高的深圳地王大廈,廣州中信廣場和上海金茂大廈,均采用了隱框或半隱框玻璃幕墻,所使用的硅酮結(jié)構(gòu)膠全部是進口產(chǎn)品。美國Dow Corning的DC-795(單組分),983(雙組分);GE公司的SSG4000(單組分),SSG4400(雙組分)長期以來一直占據(jù)了國內(nèi)市場的主要份額,直到1998年這種局面才被打破,部分本國產(chǎn)品開始批量進入市場。由于玻璃幕墻涉及到人們的生命安全,國家專門制訂了硅酮結(jié)構(gòu)膠強制性國家標準GB16776,并由原國家經(jīng)貿(mào)委牽頭成立的專門領(lǐng)導小組根據(jù)該標準對國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)和產(chǎn)品進行生產(chǎn)認定制度,1998年首批通過生產(chǎn)認定有三個企業(yè)的四個產(chǎn)品,而原來在國內(nèi)廣泛使用的幾個國外產(chǎn)品由于不符合強制性國家標準而被禁止使用。隨著2002年國家政策的調(diào)整,這種認定改由專門協(xié)會進行,到目前為止,經(jīng)認定的硅酮結(jié)構(gòu)膠國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)超過五十家、產(chǎn)品牌號超過100個,從近幾年國家法定檢測機構(gòu)對國內(nèi)外認定產(chǎn)品的抽樣檢測結(jié)果可以看出,進口產(chǎn)品之間的質(zhì)量相差比較遠,國產(chǎn)產(chǎn)品之間也有較大差別,幾個著名廠家的產(chǎn)品在各項性能指標特別是在拉伸粘接強度方面比許多進口產(chǎn)品要好,國產(chǎn)硅酮結(jié)構(gòu)膠應用已由小型幕墻工程發(fā)展到大型和超大型幕墻工程,使用效果良好。上世紀90年代末廣州新白云國際機場,廣州會展中心、深圳會展中心等超大型幕墻建筑均采用了國產(chǎn)硅酮結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品。北京2008年奧運會大部分比賽場館和上海世博會大部分場館主要采用國內(nèi)硅酮膠產(chǎn)品,高度超過100層的廣州國際金融中心(簡稱西塔)也成功使用了國產(chǎn)品牌,國產(chǎn)產(chǎn)品的市場占有率已從零迅速上升到70%左右,現(xiàn)在已大大超過國外品牌而占據(jù)國內(nèi)市場的主要份額。所有這些充分說明了我國在硅酮結(jié)構(gòu)膠這一高技術(shù)產(chǎn)品領(lǐng)域的迅速崛起。隨著我國大型幕墻公司的成長,在國外承建了不少大型幕墻項目,國產(chǎn)硅酮幕墻膠產(chǎn)品也作為配套材料源源不斷進入國際市場,世界最高的建筑迪拜哈利法塔也是采用中國的硅酮幕墻產(chǎn)品,充分說明我國企業(yè)生產(chǎn)的硅酮幕墻膠產(chǎn)品具有世界一流水平,其他硅酮膠產(chǎn)品也憑借價廉物美占據(jù)了全球40%以上的份額!
最近五年來,國內(nèi)硅酮膠企業(yè)主要在實現(xiàn)硅酮膠生產(chǎn)工藝的連續(xù)化方面進行了大量技術(shù)改造,大大提高了生產(chǎn)效率,有效降低了正常損耗和能耗,目前超過60%的國內(nèi)品牌都采用了先進的連續(xù)化生產(chǎn)工藝,實現(xiàn)了跨越式發(fā)展,達到了世界先進水平。我國在短短的二十年時間內(nèi)已經(jīng)從一個純進口國發(fā)展成為世界強國,實現(xiàn)了硅酮膠行業(yè)的中國夢!硅酮膠行業(yè)是典型依靠自主創(chuàng)新發(fā)展起來的民族工業(yè),值得國人驕傲!
衡量一個產(chǎn)品的質(zhì)量高低主要是看其采用標準的先進程度,在建筑密封膠快速發(fā)展的同時,世界各國在產(chǎn)品標準及試驗方法標準等方面也進行了大量的工作,到目前為止全世界已形成了美國ASTM、歐洲EN標準、中國標準和國際ISO標準體系。
美國作為一個世界頭號政治、經(jīng)濟和軍事大國,其硅酮建筑密封膠技術(shù)水平仍處于世界第一,在產(chǎn)品標準和試驗方法標準方面也處于世界領(lǐng)先地位。美國的硅酮密封膠標準起始于上世紀60年代,其材料與試驗協(xié)會ASTM成立了專門機構(gòu)——建筑接縫密封膠材料委員會ASTM C-24負責起草和發(fā)布硅酮及其它密封膠產(chǎn)品及方法標準。ASTM 在建筑密封膠標準方面最大的貢獻是其發(fā)布了 C920 《彈性接縫密封膠》,它不是以產(chǎn)品的主體材料結(jié)構(gòu)作為分類的標準,而是包含了SR、PU、PS等高性能密封膠產(chǎn)品,包括了除高速公路,機場跑道和橋梁接縫以外的建筑物、廣場、停車場和人行道的接縫密封膠的分級、分類、技術(shù)要求和試驗方法,該標準自1979年首次發(fā)布以來經(jīng)過了多次修訂,最新版本為2011年修訂版,ASTM C920是目前世界許多公司采用最多和最有影響力的密封膠標準。
國際標準化組織對建筑密封膠的制訂非常重視,專門成立了ISO/TC59/SC-8房屋建筑用膠粘劑產(chǎn)品委員會,發(fā)布了ISO11600:1993《建筑密封膠分類和要求》,它是根據(jù)使用功能將密封膠劃分為建筑和安裝玻璃用兩大類,再按位移能力分不同級別、模量類別和彈性/塑性種類,然后再規(guī)定物理力學性能和施工方面的要求;經(jīng)過近5年多的修訂,ISO/TC59技術(shù)委員會SC8分會終于推出了最新版本ISO11600:2002(E),該版本對部分內(nèi)容特別是試樣的破壞程度判斷標準進行重大修改,該標準包含了硅酮類建筑密封膠產(chǎn)品;ISO還就建筑密封膠的性能測試制訂了比較完善的試驗方法。
英國曾發(fā)布了BS5889《單組分型硅酮密封膠》,其檢測項目和試驗方法與ASTM C920比較接近,該項標準已經(jīng)作廢。日本作為硅酮建筑密封膠大國,在二十世紀六十年代就發(fā)布了JIS 5755《建筑用硅酮密封膏》,70年代中期又制定了JIS A 5757《不同用途建筑密封材料性能》和JIS 5758《建筑密封材料》標準,其中JIS A5758綜合性強,內(nèi)容全面,科學合理,使用方便,很受設計部門的歡迎,它的地位與ASTM C920 在美國的地位相似。但國際標準發(fā)布后,日本為了全球貿(mào)易的需要,積極采用國際標準,推出了采用國際標準的JIS A5758-1997 《建筑密封材料》,取代了原來的標準。
我國的硅酮建筑密封膠標準的制訂工作與其產(chǎn)業(yè)化情況一樣,起步比較晚,直到上世紀90年代才有了第一個國家標準GB/T14683-1993 《硅酮建筑密封膏》,為了標準的實施,國家在此之前發(fā)布了GB/T13477-1992《建筑密封材料試驗方法》,幾年后我國發(fā)布了強制性國家標準GB16776-1997《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》,另外在1992年發(fā)布的兩個建材行業(yè)標準JC485-92《建筑窗用彈性密封劑》和《中空玻璃用彈性密封劑》中也包含了硅酮密封膠品種。
GB/T14683-93是參照當時的日本標準而制訂的,適用于通用型硅酮密封膠的標準,由于當時國內(nèi)硅酮密封膠的發(fā)展水平低,人們對其技術(shù)要求也認識不足,加上一些政策上的導向,從現(xiàn)在看該標準存在比較大的缺陷。JC485和486的情形有些相似。因此總的說來,我國90年代硅酮密封膠標準處于初級階段,而且配套的試驗方法標準也不完善,與發(fā)達國家和國際標準相比有很大的差距。
進入21世紀后,我國硅酮膠標準體系建設加快了步伐,制訂或修訂了一系列標準,其中基礎性標準為GB/T13477-2002《建筑密封材料試驗方法》,它將14項ISO有關(guān)建筑密封膠的試驗方法和5項ASTM試驗方法轉(zhuǎn)化作為標準試驗方法,該標準的發(fā)布實施基本滿足近期內(nèi)我國硅酮及其它建筑密封膠產(chǎn)品的性能測試需要。GB/T14683-2003是硅酮玻璃密封膠和通用型中性硅酮膠產(chǎn)品標準,修改采用ISO11600標準。幾乎在同一時期國家還發(fā)布實施了六個行業(yè)標準,它們完全是按用途而確定標準的名稱和內(nèi)容,均修改采用ISO11600標準,每一個標準都包含了硅酮類建筑密封膠。到2000年后期,國標委又先后根據(jù)用途發(fā)布了幾類產(chǎn)品的國家標準,包括防火型、石材專用、中空玻璃用硅酮結(jié)構(gòu)膠等。
上述國家和行業(yè)標準的正式發(fā)布實施,我國基本上形成了硅酮建筑密封膠的標準體系,我國已經(jīng)成為硅酮膠標準化大國。但與發(fā)達國家相比仍有一定差距,應該認真研究美國ASTM、EN和ISO的標準體系,采取綜合的方法取長補短,在注重產(chǎn)品標準的同時,還應對產(chǎn)品的使用工藝的一些共性問題制定專門的標準,在試驗方法方面還要特別加快制定人工老化試驗方法及一些特殊功能項目的檢測試驗方法,適應產(chǎn)品及產(chǎn)品標準的快速發(fā)展。同時本行業(yè)還應抓緊利用ISO密封膠標準秘書處設在中國的大好機會,主導制訂或修訂幾個密封膠方面的國際標準,掌握國際話語權(quán)。
自硅酮結(jié)構(gòu)膠在上世紀70年代初首次用于玻璃幕墻工程以來,雖然已有40年的歷史,由于各國政府機構(gòu)對玻璃幕墻的設計、制作、安裝及維護都采取了非常嚴格的措施,對結(jié)構(gòu)膠的生產(chǎn)和使用持非常謹慎的態(tài)度,因此全世界各國的玻璃幕墻建筑總面積有數(shù)千萬平方米,但真正出現(xiàn)重大安全事故的卻很少。
為了控制硅酮結(jié)構(gòu)膠的生產(chǎn)和使用,制訂科學嚴格的產(chǎn)品標準是一項重要措施,此項工作在20世紀90年代取得了很大的進展,進入21世紀又有比較大的改進,并形成了美國、中國和歐洲三大硅酮結(jié)構(gòu)膠標準體系。
美國作為最早生產(chǎn)和使用硅酮結(jié)構(gòu)膠的國家,現(xiàn)在仍然是硅酮結(jié)構(gòu)膠強國,對其標準化工作十分重視,在80年代在ASTM C24委員會中專門成立了C24.35分會負責起草有關(guān)硅酮結(jié)構(gòu)膠的系列標準。 ASTM經(jīng)過近十年的努力于1991年在世界上首次發(fā)布了硅酮結(jié)構(gòu)膠標準ASTM C1184,而且分別于1995年、2000年、2005年和2013年發(fā)布了修訂版,在標準的總體內(nèi)容上并無太大的區(qū)別,幾個版本還有一個共同特點,就是指出不是滿足該標準的產(chǎn)品都能作為結(jié)構(gòu)膠使用,工業(yè)界還有一些技術(shù)指標正在討論之中,它們包括模量、伸長率、耐久性等,一旦成熟將作為標準內(nèi)容,另外指出對實際工程中的粘接性試驗和相容性試驗的重要性。
自玻璃幕墻在20世紀80年代初被引進國內(nèi)建筑裝飾業(yè)以來,在短短的二十年時間內(nèi)得到了迅猛發(fā)展,硅酮結(jié)構(gòu)膠的年用量超過10000噸,已形成中外品牌共同競爭發(fā)展的態(tài)勢。我國在硅酮結(jié)構(gòu)膠的標準化工作方面起步較晚,它是在國家有關(guān)部門加強對硅酮結(jié)構(gòu)膠的管理后才加快了制訂的步伐,于1997年5月正式發(fā)布了中國國家標準GB16776-1997《建筑用硅酮密封膠》,這也是全球的第二個硅酮結(jié)構(gòu)膠國家標準。由于玻璃幕墻涉及到人們生命財產(chǎn)安全,因此該標準被批準為強制性國家標準。GB16776的主要測試項目與ASTM C1184相同,主要區(qū)別在硬度范圍、拉伸粘結(jié)強度、粘結(jié)破壞面積、耐老化等要求方面。2002年國家又下達了GB16776的修訂任務,2005年該標準的修訂工作已經(jīng)完成并發(fā)布,主要的修改部分是提高了拉伸粘結(jié)強度要求、增加了最大拉伸粘結(jié)強度伸長率的要求。
歐洲地區(qū)對硅酮結(jié)構(gòu)膠的生產(chǎn)、選擇和使用也有嚴格要求,在1999年發(fā)布了標準指南 ETAG No.002《結(jié)構(gòu)密封裝配系統(tǒng)歐洲技術(shù)認證指南》,該標準內(nèi)容不論是結(jié)構(gòu)還是形式均與ASTM C1184或GB16776有較大差別。它實際上與我國頒布的JGJ102“玻璃幕墻技術(shù)規(guī)范”的內(nèi)容比較接近,對幕墻的各種性能和整體評價,以及各種組成部分的材料與材質(zhì)的性能和測試評估方法進行較為詳細的描述,其中當然也包括了對硅酮結(jié)構(gòu)膠性能要求的闡述,與ASTM C1184和GB16776相比較,ETAG No.002在性能要求方面更為全面,指標設計更為完整,可以說是獨具特色。歐洲對結(jié)構(gòu)膠的使用也十分謹慎,與中國一樣實施認證制度,其認證依據(jù)是ETAG No.002。