一種充氣中空玻璃用硅酮密封膠的制備及性能評價

楊玉寧，楊振英，邢鳳群，郭月萍，程 鵬，金燕鴻，馮 培

（1.鄭州中原思藍(lán)德高科股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064）

隨著國家對建筑節(jié)能的重視，節(jié)能型中空玻璃目前被普遍的使用，充氣型中空玻璃是近幾年新興起的節(jié)能型中空玻璃，它主要是用氬氣、氙氣和氪氣等惰性氣體替換原本中空玻璃單元內(nèi)的干燥空氣，替換后可大幅度減少傳導(dǎo)和對流而產(chǎn)生的熱傳遞，使中空玻璃的隔熱保溫性能得到不同程度的提高。在實(shí)際使用過程中，由于分壓定律，空腔內(nèi)的惰性氣體傾向于透過密封層向外滲透。因此，密封膠的性能優(yōu)劣將直接影響充氣中空玻璃產(chǎn)品的使用壽命。本文主要研究了107硅橡膠的黏度、碳酸鈣的種類和用量對充氬氣中空玻璃性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

201硅油、107硅橡膠，江西星火有機(jī)硅廠；碳酸鈣，蘇州凱美樂化工有限公司、山西蘭花華明納米材料有限公司；交聯(lián)劑，湖北新藍(lán)天新材料股份有限公司；催化劑，南京能德化工有限公司；偶聯(lián)劑，湖北武大有機(jī)硅新材料股份有限公司；氣相SiO2，卡伯特。

1.2 主要儀器設(shè)備

雙行星攪拌釜，成都市樹風(fēng)工貿(mào)有限公司；電子萬能拉力機(jī)，深圳新三思材料檢測有限公司；二氧化硫氣體腐蝕試驗(yàn)箱、鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，上海林頻儀器股份有限公司；水-紫外線輻照試驗(yàn)箱、密封膠蠕變試驗(yàn)機(jī)、浸水（清潔劑）試驗(yàn)箱、密封膠疲勞試驗(yàn)機(jī)，鄭州中原思藍(lán)德高科股份有限公司；高低溫交變試驗(yàn)箱，上海增達(dá)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備有限公司；水蒸氣透過率測試儀，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；高低溫交變試驗(yàn)箱，上海增達(dá)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 硅酮密封膠A、B組分的制備

充氣中空玻璃用硅酮密封膠的配方分為A、B 2組分。

A組分：將107硅橡膠、甲基硅油、碳酸鈣放入雙行星攪拌機(jī)中，抽真空攪拌1 h，混合均勻后出釜制得A組分。

B組分：硅油、交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑、催化劑、碳黑等按一定比例加入雙行星攪拌釜中，抽真空攪拌1 h，混合均勻后出釜制得B組分。

1.4 性能的測試

硅酮密封膠的力學(xué)性能按ET AG002《結(jié)構(gòu)密封膠裝配系統(tǒng)技術(shù)認(rèn)證指南》測定[1]；

水汽滲透指數(shù)按EN1279-2《建筑用玻璃-中空玻璃第2部分：水氣滲透的長期試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件》[2]測定；

氣體泄漏率按EN1279-3《建筑用玻璃-中空玻璃第3部分：透氣率和氣體濃度的公差的長期測試方法和必要條件》[3]測定；

水蒸氣透過率和邊部密封粘接性能按EN 1279-4《建筑玻璃-中空玻璃單元第4部分：邊緣密封物理特征的測試方法》[4]進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

充氣中空玻璃用硅酮密封膠的基礎(chǔ)配方見表1。

2.1 107硅橡膠黏度對密封膠性能的影響

在其他各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的前提下，選擇3種不同黏度的107硅橡膠制成密封膠，參照GB/T528—2009制得啞鈴型試樣，測其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。同時用這3種密封膠作為二道密封膠制得充氣型中空玻璃，依據(jù)EN1279-3進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)后測其氣體含量，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 充氣中空玻璃用硅酮密封膠A、B組分基礎(chǔ)配方Tab.1 Basic compositions of component A and B of silicone sealant for aerated hollow glass

表2 107膠黏度對密封膠性能的影響Tab.2 Effect of viscosity of 107 rubber on sealant properties

由表2可以看出，①隨著107膠黏度的增加，密封膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率增加，這是因?yàn)?07膠的分子量增大，黏度增加，端羥基減少，從而在固化時交聯(lián)點(diǎn)減少，交聯(lián)密度降低，其所受應(yīng)力更好地通過交聯(lián)點(diǎn)分散到周圍的分子鏈上。②隨著107膠黏度增大氣體泄漏量也增大，主要是因?yàn)殡S著黏度的增加，膠體彈性增大，在高低溫循環(huán)過程中更容易變形，從而使氣體的泄漏量也增大。

2.2 不同碳酸鈣種類對密封膠性能的影響

在其他各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的前提下，選擇納米碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣（ 分 別 編 為1#、 2#、 3#） 制 成 密 封 膠 ， 參 照GB/T528—2009制得啞鈴型試樣，測其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同碳酸鈣種類對密封膠性能的影響Tab.3 Effect of calcium carbonate kind on sealant properties

由表3可看出，1#的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率最大，3#密封膠拉伸強(qiáng)度和伸長率最小，這是因?yàn)樘妓徕}具有補(bǔ)強(qiáng)抗撕裂抗老化作用，粒徑較小的表現(xiàn)出較為明顯的補(bǔ)強(qiáng)和拉伸性能[5]， 2#（ 輕質(zhì)碳酸鈣）和3#（ 重質(zhì)碳酸鈣）粒徑稍大，補(bǔ)強(qiáng)效果不如1#（納米碳酸鈣）。

2.3 納米碳酸鈣用量對密封膠性能的影響

在其他各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的前提下，加入不同量的納米碳酸鈣制成密封膠，對其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率進(jìn)行測試，同時用這3種密封膠作為二道密封膠制得充氣型中空玻璃，依據(jù)EN1279-3進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)后測其氣體含量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 納米碳酸鈣用量對密封膠性能的影響Tab.4 Effect of amount of nano calcium carbonate on sealant properties

從表4可以看出，隨著納米碳酸鈣用量的增大，密封膠的拉伸強(qiáng)度增加，斷裂伸長率降低，老化后的氣體泄漏量減小，但是隨著碳酸鈣的用量增大其流動性將受到限制，進(jìn)而影響密封膠的工藝性能，綜合考慮，選用碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%范圍內(nèi)。

3 充氣型中空玻璃密封膠的性能評價

對于充氣中空玻璃，二道密封膠的性能優(yōu)劣將直接影響產(chǎn)品的使用壽命。為了保證充氣中空玻璃的壽命，除了在制作過程中嚴(yán)格控制外，還應(yīng)對其二道密封膠性能，如水汽滲透性能、氣體泄漏率、粘接性能、力學(xué)性能等進(jìn)行綜合評價。

3.1 耐環(huán)境老化性能

3.1.1 水汽滲透指數(shù)

制作好的充氣中空玻璃依據(jù)EN1279-2進(jìn)行試驗(yàn)，整個試驗(yàn)過程分為2個階段，詳見圖1，第1階段是溫度從-18 ℃至53 ℃循環(huán)升溫和降溫（速度14 ℃/h，升至53 ℃和降至-18℃時分別保溫1 h），持續(xù)循環(huán)56次，每個循環(huán)為12 h，完成第1階段共需要28 d。第2階段是保持58 ℃及相對濕度95%條件下的溫度持續(xù)7個星期。通過上述2個階段加速老化試驗(yàn)后，測定干燥劑的初始、最終水氣含量，計算中空玻璃的平均水氣滲透百分比Iav及 最大水氣滲透百分比。按照本文中篩選出的優(yōu)良配方，制得的充氣中空玻璃的水分滲透指數(shù)檢測結(jié)果見表5。

圖1 氣體密封耐久性試驗(yàn)溫度-時間曲線Fig.1 Temperature-time curve for gas seal endurance test（注：1.第1階段高低溫循環(huán)試驗(yàn)；2.分2個試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)時，2個階段試樣轉(zhuǎn)移時間間隔≤4 h；3.第2階段恒溫恒濕試驗(yàn)。）

表5 水分滲透指數(shù)檢測結(jié)果Tab.5 Test results of water permeability index

通過表5可看出，用優(yōu)選出的配方作為二道密封膠制作的中空玻璃，水分滲透指數(shù)的平均值及最大值均符合EN1279-2的要求。

3.1.2 氣體泄露率

制作好的充氣中空玻璃依據(jù)EN1279-3進(jìn)行試驗(yàn)，整個試驗(yàn)過程分為2個階段，詳見圖1，第1階段是溫度從-18 ℃至53 ℃循環(huán)升溫和降溫（速度14 ℃/h），持續(xù)循環(huán)28次，每個循環(huán)為12 h，完成第1階段共需要28 d。第2階段是保持58 ℃及相對濕度95%條件下的溫度持續(xù)4個星期。然后測量其氣體的漏氣量，而后對中空玻璃內(nèi)的氣體濃度作出分析，從而計算出漏氣率。按照本文中篩選出的優(yōu)良配方，制得的兩塊充氣中空玻璃的氣體泄漏率檢測結(jié)果見表6。

表6 氣體泄漏率檢測結(jié)果Tab.6 Gas leakage rate test results

由表6可看出，用優(yōu)選出的配方作為二道密封膠制作的中空玻璃，氣體泄漏率符合EN1279-3的要求，密封性能良好。

3.2 水蒸氣透過率

按照EN1279-4中5.2制得2 mm厚的試樣，將水分含量＜5%的分子篩放到水蒸氣透過率測試儀試驗(yàn)盤中，再將試樣放到試驗(yàn)盤上，然后把試驗(yàn)盤放入在溫度為（23±1）℃，相對濕度大于等于90%的試驗(yàn)箱中，定期稱量測試盤的質(zhì)量，繪制時間-質(zhì)量曲線圖，當(dāng)至少6個點(diǎn)繪制的曲線趨于平直時，可以認(rèn)為該直線的斜度是水蒸汽透過率，按照本文中篩選出的優(yōu)良配方，制得的試樣檢測的水蒸氣透過 率 為 （16.6±0.6）g H O/（m2·24 h·22 mm），因此可看出該篩選的配方氣密性優(yōu)良。

3.3 邊部密封粘接性能

按照EN1279-4中5.1制作“H”型試樣，在標(biāo)準(zhǔn)條件下[T：（23±2）℃，RH：（50±5）%]養(yǎng)護(hù)21 d后，進(jìn)行4個條件下的老化試驗(yàn)，每個老化試驗(yàn)的試樣為7個，具體的老化試驗(yàn)過程為：在標(biāo)準(zhǔn)條件下放置7 d、溫度為（60±2）℃的烘箱中放置（168±5）h、標(biāo)準(zhǔn)條件下的去離子水中放置（168±5）h、紫外線強(qiáng)度（40±5）W/m2的紫外箱中放置（96±4）h，老化試驗(yàn)結(jié)束后將試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件放置24～48 h，然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。按照本文中篩選出的優(yōu)良配方，制得的“H”型試樣，檢測后在OAB區(qū)域（圖2）內(nèi)均無玻璃與密封膠的粘接破壞且無密封膠內(nèi)聚破壞。說明該優(yōu)選的配方密封膠的內(nèi)聚力和粘接力均良好。

3.4 力學(xué)性能

ETAG002《結(jié)構(gòu)密封膠裝配系統(tǒng)技術(shù)審核指南》是目前國際上檢測硅酮結(jié)構(gòu)密封膠最為先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)，是在給予硅酮結(jié)構(gòu)膠25年的設(shè)計使用壽命基礎(chǔ)上編寫的，現(xiàn)按照ETAG002要求全面考查充氣性中空玻璃二道硅酮密封膠力學(xué)、耐環(huán)境老化等方面的性能，檢測結(jié)果見表7。

圖2 OAB評價區(qū)域Fig.2 OAB evaluation area

表7 按ETAG002性能測試結(jié)果Tab.7 Results of ETAG002 performance tests

由表7可以看出，該優(yōu)選的配方各項(xiàng)性能均滿足ETAG002標(biāo)準(zhǔn)要求，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐環(huán)境老化性能等。

4 結(jié)語

1）107硅橡膠的黏度、碳酸鈣的種類和用量影響密封膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，同時也影響密封膠的氣密性。

2）按本文設(shè)計的配方和工藝制得的充氣性中空玻璃硅酮密封膠符合EN1279-2、EN1279-3，EN1279-4、 ETAG002的 標(biāo) 準(zhǔn) 要求，綜合性能良好，同時能提供25年的質(zhì)量保證。

[1]ETAG002 Guedelene for European technical aproval for structural sealant glazing kits(SSGK)[S].

[2]EN1279-2 Part 2:Long term test method and requirements for moisture penetration[S].

[3]EN1279-3 Part 3:Long term test method and requirements for gas leakage and for gas concentration tolerances[S].

[4]EN1279-4 part 4:Methods of test for the physical attributes of edge seals[S].

[5]肖品東.納米碳酸鈣在建筑用硅酮密封膠中的應(yīng)用[J].無機(jī)鹽工業(yè),2009,41(5):51-53．