有機(jī)硅改性建筑外墻接縫防水密封膠的性能及適應(yīng)性研究

摘要：傳統(tǒng)用于建筑外墻接縫防水密封膠在酸雨產(chǎn)生的弱酸環(huán)境下承壓能力差，因此設(shè)計(jì)一種有機(jī)硅改性聚氨酯密封膠，并對(duì)其性能和適應(yīng)性進(jìn)行研究。制備有機(jī)硅低聚物并調(diào)整聚氨酯多元醇的比例，化合成預(yù)聚體，實(shí)現(xiàn)有機(jī)硅改性聚氨酯，通過(guò)一系列分析可知，得到的產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)為韌性斷裂，具有很好的抗沖擊性，從拉伸性能、抗沖擊強(qiáng)度、粘接性能以及吸水率的變化的測(cè)試結(jié)果可知，其室溫耐水性要好于70℃水中的耐水性，耐熱性也優(yōu)于純聚氨酯。為驗(yàn)證其在弱酸環(huán)境下的承壓能力，設(shè)計(jì)適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，弱酸環(huán)境下，有機(jī)硅改性密封膠比傳統(tǒng)密封膠的承壓能力提高了0.1101MPa。

關(guān)鍵詞：有機(jī)硅改性;性能研究;適應(yīng)性分析

中圖分類號(hào)：TU57;TQ433.4+38

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）09-0010-05

0 引言

隨著建筑行業(yè)的高層化和預(yù)制化，顯示出彈性密封膠的重要作用。有機(jī)硅密封膠的需求量約占建筑彈性密封膠的一半左右，有機(jī)硅材料是一種含有硅碳鍵的高分子材料，在分子結(jié)構(gòu)中，硅原子與有機(jī)基團(tuán)的碳原子相連[1-2]。有機(jī)硅自身的結(jié)構(gòu)使它具有很好的耐熱性、阻燃性和憎水性，因此可以將其作為建筑外墻接縫防水密封膠的主要原料。由于現(xiàn)代社會(huì)人類的活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，排放到大氣中經(jīng)過(guò)“云內(nèi)成雨過(guò)程”形成PH<5.6的酸雨，傳統(tǒng)的有機(jī)硅密封膠在這種酸性環(huán)境下的承壓效果減弱，為了彌補(bǔ)材料的缺陷，本文對(duì)有機(jī)硅改性聚氨酯密封膠的性能和適用性進(jìn)行研究，能夠提高有機(jī)硅的附著力和耐化學(xué)藥品性，從而擴(kuò)大有機(jī)硅的使用范圍。

1 有機(jī)硅改性建筑外墻接縫防水密封膠的性能研究

有機(jī)硅改性可以制成具有高強(qiáng)度和高剛性的膠黏劑，用于建筑外墻接縫防水具有非常好的性能。本文使用聚氨酯作為有機(jī)硅改性的材料，能夠彌補(bǔ)有機(jī)硅機(jī)械性能的短板[3-4]。通過(guò)調(diào)整有機(jī)硅低聚物與聚氨酯多元醇的比例，獲得性能更全面的膠黏劑。本文設(shè)計(jì)到的主要原料如表1所示：

用到的實(shí)驗(yàn)儀器主要有：控溫磁力攪拌器、電子天平、真空干燥箱、掃描電鏡（SEM）、紅外光譜儀（IR）、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，此外還用到動(dòng)態(tài)粘彈儀，主要用于固化體系動(dòng)態(tài)熱力學(xué)性能分析。

1.1合成有機(jī)硅改性密封膠

有機(jī)硅改性是利用聚氨酯含有羥基封端的羥烴基的特性，能夠制取羥烴基硅油，并與有機(jī)硅低聚物中的的官能團(tuán)（-NCO）經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)，將聚氨酯鏈段引入相應(yīng)的有機(jī)硅低聚物結(jié)構(gòu)中，增強(qiáng)有機(jī)硅的耐弱酸性，聚氨酯會(huì)生成的活性較強(qiáng)的端基，通過(guò)聚合與擴(kuò)鏈的連鎖反應(yīng)，最終生成有機(jī)硅改性聚氨酯[5-6]。

首先制備有機(jī)硅低聚物，使用甲基三乙氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷和二苯基二甲氧基硅烷，加入一定量的蒸餾水，在溫度為70℃條件下的回流裝置中，經(jīng)過(guò)不斷的攪拌、回流反應(yīng)4h，直至混合液中所有的物質(zhì)都完全融合、不再有分層情況后，升溫至90℃，使反應(yīng)生成的醇類物質(zhì)沉底蒸發(fā)，并在115-120℃條件下預(yù)熟化，即合成出含有不同烷氧基的有機(jī)硅聚合物待用[7-8]。其反應(yīng)機(jī)理如圖1所示：

圖1中的R與R'為氧基，本文有機(jī)硅低聚物是在無(wú)溶劑的條件下化合生成的，工藝簡(jiǎn)單綠色環(huán)保，將生成的低聚物與聚酯多元醇、乙二醇、1，4-丁二醇在130-160下反應(yīng)2-5h，通過(guò)置換反應(yīng)制成預(yù)聚體，反應(yīng)過(guò)程如圖2所示：

經(jīng)過(guò)上述化合過(guò)程后，去除低級(jí)醇等一些副產(chǎn)物，保證反應(yīng)能夠有效進(jìn)行。有機(jī)硅改性聚氨酯反應(yīng)是通過(guò)含有碳羥基的有機(jī)硅，與聚氨酯中的異氰酸酯基發(fā)生酯交換反應(yīng)，達(dá)到改性目的[9]。最后脫醇得到聚氨酯預(yù)聚體，對(duì)其進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果如圖3所示：

從圖3可以看出，在3475cm^-1是C-OH的締和OH振動(dòng)吸收峰，1735cm^-1處是酯基振動(dòng)峰，這兩處與聚氨酯和有機(jī)硅的譜圖振動(dòng)峰有偏移，說(shuō)明已經(jīng)成功發(fā)生了酯交換。將制得的有機(jī)硅改性聚氨酯放置于室溫下固化，并研究其性能。

1.2 分析有機(jī)硅改性密封膠形態(tài)結(jié)構(gòu)

得到固化后的有機(jī)硅改性聚氨酯后，需要對(duì)其進(jìn)行一系列的性能分析，以了解產(chǎn)品自身的特性以及適用范圍[10-11]。下圖是產(chǎn)品放大500倍后的有機(jī)硅改性體系斷裂面的掃描電鏡分析圖片：

從圖4可以看出，產(chǎn)品斷裂面的形態(tài)全部都是明顯的韌性斷裂，這說(shuō)明生成的產(chǎn)品具有良好的抗沖擊強(qiáng)度。

1.3 分析有機(jī)硅改性密封膠耐水性

將澆鑄成型的產(chǎn)品浸泡在室溫以及70。C的水中，放置一段時(shí)間后，分別測(cè)定澆注體拉伸性能、抗沖擊強(qiáng)度、粘接性能以及吸水率的變化，拉伸性能主要包括拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率[12]。拉伸強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式（3）中，A代表沖擊能量，b為試樣被沖擊區(qū)域的寬度，單位以cm計(jì)算，h為試樣被沖擊區(qū)域的厚度。在室溫水中隨著浸泡時(shí)間的不同，拉伸強(qiáng)度變化與抗沖擊強(qiáng)度的變化如圖5所示：

上圖5中的圖（a）為隨著浸泡時(shí)間不同斷裂伸長(zhǎng)率的變化，可以看出兩種水溫下有機(jī)硅改性后的伸長(zhǎng)率都變化不大，但是在室溫水中的斷裂伸長(zhǎng)率要好于70℃水中的斷裂伸長(zhǎng)率，上圖5中的圖（b）為隨著浸泡時(shí)間不同沖擊強(qiáng)度的變化，圖（c）為隨著浸泡時(shí)間不同拉伸強(qiáng)度的變化，兩種水溫下有機(jī)硅改性后的沖擊強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度都變化不大，但是室溫水中的沖擊強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度都要好于70℃水。

粘接性能的主要是測(cè)試剪切強(qiáng)度，通過(guò)改變剪切溫度來(lái)觀察變化，變化如表2所示：

從表2可以看出，無(wú)論是室溫剪切還是高溫剪切，有機(jī)硅改性后浸泡在室溫水下的剪切強(qiáng)度幾乎沒有什么變化，浸泡在70℃水下剪切強(qiáng)度稍有下降。

吸水率的測(cè)定步驟是：將澆鑄成型的產(chǎn)品試樣稱重后放人去離子水中，分別于室溫、70℃下浸泡在一定時(shí)間后取出，并快速擦干稱重，通過(guò)下式計(jì)算吸水率[13-15]：

W1表示吸水前的樣品重量，W2表示吸水后的樣品重量。下表為有機(jī)硅改性密封膠在室溫、70℃水中不同浸泡時(shí)間的吸水率：

從上表可以看出，隨著浸泡時(shí)間的增加，在室溫下的吸水率變化很微小，70℃水下的吸水率稍有增加。

綜上所述，從澆注體拉伸性能、抗沖擊強(qiáng)度、粘接性能以及吸水率的變化可以發(fā)現(xiàn)，有機(jī)硅改性后的室溫耐水性要好于70℃水中的耐水性。

1.4 分析有機(jī)硅改性密封膠耐熱性

為了研究有機(jī)硅改性密封膠耐熱性，本文選擇純聚氨酯與有機(jī)硅作為參照，與本文制取的有機(jī)硅改性密封膠進(jìn)行熱失重測(cè)試，熱失重曲線如圖6所示：表4為熱重分析結(jié)果：

根據(jù)熱失重曲線與熱重分析結(jié)果能夠看出，有機(jī)硅改性密封膠與有機(jī)硅從失重10%到失重50%所對(duì)應(yīng)的溫度相差的比較少，但是大大高于純聚氨酯的溫度。有機(jī)硅改性后的初始熱分解分度大約在309℃左右，主要脫出小分子雜質(zhì)，因此失重比較小;約在356℃出現(xiàn)快速分解，是因?yàn)闇囟鹊纳?，?cè)基被氧化，釋放出CO和C02等，失重增大;601℃失重趨于平衡，形成以硅一氧鍵為主的結(jié)構(gòu)，耐熱性更高，使失重曲線趨于平緩。因此可以說(shuō)明，有機(jī)硅改性密封膠與純有機(jī)硅一樣，都具有較好的耐熱性，且耐熱性好于純聚氨酯。

2 有機(jī)硅改性密封膠的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)

有機(jī)硅改性密封膠具有良好的耐水性、柔韌性、耐熱性，為建筑外墻接縫防水的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文合成的有機(jī)硅改性密封膠在弱酸環(huán)境下的有效性，模擬實(shí)際工程中建筑外墻接縫中密封膠的承壓，進(jìn)行承壓能力的適應(yīng)性試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)方案

將模擬建筑外墻的混凝土試件對(duì)齊拼裝，使內(nèi)部形成接縫，利用本文制取的有機(jī)硅改性密封膠進(jìn)行嵌縫，向其中注水，并使用傳統(tǒng)的密封膠作為對(duì)照組。為了保證膠體的完全固化，在膠體填筑后自然養(yǎng)護(hù)20d左右，再進(jìn)行弱酸環(huán)境下的承壓實(shí)驗(yàn)。配置含有硫酸根、亞硫酸根、硝酸根等離子的溶液，模擬酸雨造成的酸性環(huán)境，設(shè)置實(shí)驗(yàn)中每級(jí)加壓的時(shí)間間隔、施加的壓力和變位大小，具體方案如表5所示：

在這4種變位組合下，記錄混凝土試件承受的壓力，并觀察混凝土試件有無(wú)滲水情況，當(dāng)?shù)谝淮纬霈F(xiàn)滲水情況時(shí)，記錄下壓力，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在上述環(huán)境下，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示：

從表6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置可以對(duì)實(shí)際工程中外墻接縫中的密封膠承壓情況進(jìn)行模擬，得到的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，在組合2和組合3中，本文制造的密封膠能夠承受較大的壓力而沒有發(fā)生滲水現(xiàn)象，在組合1和組合4中，本文產(chǎn)品能夠承受的壓力平均為0.4547MPa，傳統(tǒng)的密封膠能夠承受的壓力平均為0.3446MPa，因此可以得出結(jié)論，本文制造的有機(jī)硅改性密封膠在酸性環(huán)境下的承壓能力優(yōu)于傳統(tǒng)密封膠。

3 結(jié)語(yǔ)

在建筑外墻接縫中，需要使用防水密封膠進(jìn)行嵌縫，確保建筑體良好的防水性能。但是現(xiàn)有的密封膠在酸雨這種弱酸環(huán)境下，承壓性能較差，因此設(shè)計(jì)一種有機(jī)硅改性聚氨酯的密封膠。文中設(shè)計(jì)了改性密封膠的工藝，分析了其形態(tài)結(jié)構(gòu)以及耐水、耐熱性能，通過(guò)適應(yīng)性分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，弱酸環(huán)境下，有機(jī)硅改性密封膠比傳統(tǒng)密封膠的承壓能力提高了0.1101MPa，在分析過(guò)程中可知，外力的加壓順序以及變位方式會(huì)影響密封膠的承壓能力，在探明其中規(guī)律后，密封膠的承壓能力有可能進(jìn)一步提高。

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作者簡(jiǎn)介：鄭永蘭（1969-），女，漢族，青海西寧人，高級(jí)工程師，研究方向：工業(yè)與民用建筑、工程咨詢。

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