裝配式建筑用硅烷改性聚醚密封膠的開發(fā)及性能研究

康杰分，沈春林，褚建軍，王玉峰

（蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215151）

0 前言

裝配式建筑現(xiàn)場(chǎng)拼接構(gòu)配件，存在大量的拼接縫，成為雨水滲透的通道。裝配式建筑防水密封設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在預(yù)制外墻板縫間的防水密封。目前國內(nèi)裝配式建筑外墻板防水方法主要采用節(jié)點(diǎn)自防水，內(nèi)側(cè)、中間和外側(cè)設(shè)置3道防水體系，分別是止水條防水、空腔構(gòu)造防水和密封材料防水。其中作為裝配式建筑最外側(cè)防水的密封材料在接縫中發(fā)揮著主要防護(hù)作用。

目前，市場(chǎng)上用于裝配式混凝土建筑外墻接縫的密封材料產(chǎn)品單一，建筑設(shè)計(jì)選擇有限，其中歐美市場(chǎng)以聚氨酯密封膠（PU）和硅烷改性聚醚（MS）密封膠為主，日本市場(chǎng)早期以聚氨酯密封膠為主，因?yàn)榫郯滨ツ秃蛐圆患?，后來開發(fā)了耐候性更理想的MS密封膠，目前日本的裝配式建筑主要以MS密封膠為主，市場(chǎng)占有率超過80%。國內(nèi)裝配式建筑由于起步較晚，接縫密封材料的研究和生產(chǎn)單位也較少，重大裝配式建筑的接縫設(shè)計(jì)主要參照國外經(jīng)驗(yàn)，材料也是選擇國外成熟配套供應(yīng)商，國內(nèi)企業(yè)還處于探索應(yīng)用階段[1-3]。MS密封膠也存在一定的缺陷，主要為硅氧烷的耐堿性差，用在混凝土基材上容易出現(xiàn)堿降解而脫膠，MS密封膠的主鏈為烷氧基結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品回彈性差。此外MS樹脂和配套的交聯(lián)促進(jìn)劑目前主要依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)研發(fā)起步晚，基礎(chǔ)薄弱，不利于裝配式建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本項(xiàng)目開發(fā)一款與裝配式建筑適應(yīng)性好、使用壽命長、安全環(huán)保的MS密封膠，為裝配式混凝土建筑的防水密封和安全性提供保障。

1 試驗(yàn)

1.1 主要試驗(yàn)材料

硅烷改性聚醚：自制，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示；納米碳酸鈣：工業(yè)級(jí)，湖南金箭新材料科技有限公司；活性碳酸鈣：工業(yè)級(jí)，立達(dá)超微工業(yè)（蘇州）有限公司；鈦白粉：工業(yè)級(jí)，金浦鈦業(yè)股份有限公司；鄰苯二甲酸二異壬酯（DINP）：工業(yè)級(jí)，常州盛川化工有限公司；二月桂酸二丁基錫（MT-101）、辛酸亞錫（T-9）：工業(yè)級(jí)，南通名泰化工有限公司；雙嗎啉胺催化劑：DBU-101，工業(yè)級(jí)，提愛思化學(xué)（上海）有限公司；乙烯基硅氧烷除水劑：工業(yè)級(jí)，南京能德化工有限公司；氨基硅烷交聯(lián)劑：Dynasylan 1189，工業(yè)純，贏創(chuàng)特種化學(xué)上海有限公司；抗老化劑：HP3，工業(yè)級(jí)，臺(tái)灣永光化學(xué)。

1.2 主要試驗(yàn)儀器及設(shè)備

紫外老化試驗(yàn)箱：BUV-2100C，蘇州拓博機(jī)械設(shè)備有限公司；萬能拉力試驗(yàn)機(jī)：CMT6104型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；水分測(cè)定儀：AKF-2010V，上海禾工科學(xué)儀器有限公司；行星強(qiáng)力分散釜（5 L），無錫旭科機(jī)器人有限公司。

1.3 MS密封膠的制備

將硅烷改性聚醚、活性碳酸鈣、活性納米碳酸鈣、鈦白粉、增塑劑和除水劑加入行星強(qiáng)力分散釜，開啟真空，釜中負(fù)壓控制在-0.08 MPa以下，在常溫下分散30 min，用氮?dú)饨獬?fù)壓，測(cè)試水分含量，物料含水率高于0.05%時(shí)，繼續(xù)加入除水劑分散10 min，重新進(jìn)行水分含量測(cè)試，當(dāng)水分含量達(dá)到0.05%以內(nèi)時(shí)，加入交聯(lián)劑、除水劑、催化劑和其他助劑，常溫混合10 min，出料包裝。

2 結(jié)果與討論

2.1 MS密封膠的性能

密封膠原料的配比：硅烷改性聚醚25份、DINP增塑劑20份、活性碳酸鈣20份、活性納米碳酸鈣30份、鈦白粉1份、抗老化劑1份、復(fù)合催化劑0.1份、除水劑2份、氨基硅烷交聯(lián)劑0.9份。MS密封膠的成型和性能按照J(rèn)C/T 881—2017《混凝土建筑接縫用密封膠》的要求進(jìn)行，其基本性能見表1。

本試驗(yàn)制備的硅烷改性聚醚樹脂主鏈?zhǔn)怯芍咀瀹惽杷狨ヅc聚醚多元醇縮合而成的含有氨基甲酸酯的化合物，烷氧基醚長鏈賦予產(chǎn)品低溫柔性和高延伸率，氨基甲酸酯基團(tuán)賦予產(chǎn)品高回彈率。MS樹脂與鈦白粉本身具備良好的耐紫外線老化性能，添加1份抗老化劑，制備的密封膠具備優(yōu)異的耐候性，經(jīng)過1000 h紫外老化后依然保持很好的延伸率，外觀無粉化和開裂現(xiàn)象。產(chǎn)品經(jīng)過熱老化、高低溫循環(huán)和拉伸-壓縮疲勞試驗(yàn)后依然具有很好的粘結(jié)效果。從破壞性試驗(yàn)結(jié)果來看，與界面粘結(jié)破壞面積為0，屬于內(nèi)聚破壞。因此，MS密封膠可以用于戶外的裝配式建筑縫密封，為裝配式建筑拼接縫提供長久防護(hù)效果。MS密封膠采用常溫生產(chǎn)工藝，能耗低、生產(chǎn)效率高，且無溶劑，產(chǎn)品和制備工藝綠色環(huán)保。

表1 MS密封膠的基本性能

2.2 觸變劑的選擇及其對(duì)密封膠性能的影響

觸變性是密封膠用于建筑立面施工的基本需求，可以防止密封膠下垂、流淌和塌陷?？勺鳛槊芊饽z作為觸變劑的材料有聚氯乙烯糊、聚酰胺蠟、有機(jī)膨潤土、氣相二氧化硅、納米碳酸鈣。氣相二氧化硅比較蓬松，計(jì)量、輸送和分散難度比較大，且價(jià)格昂貴，生產(chǎn)的密封膠黏度也偏大；聚氯乙烯糊含水率高、耐高溫穩(wěn)定性差；聚酰胺蠟價(jià)格昂貴，性價(jià)比不高；有機(jī)膨潤土含水率高，且含金屬離子，不利于密封膠的儲(chǔ)存。本項(xiàng)目選擇經(jīng)特殊活化劑改性的納米碳酸鈣作為觸變劑，開發(fā)了一款高效觸變性、低黏度的單組分MS密封膠。

采用B-100型活性納米碳酸鈣，制備不同活性納米碳酸鈣含量的一系列密封膠，其他密封膠原料的配比為：硅烷改性聚醚樹脂25份、增塑劑20份、活性碳酸鈣20份、鈦白粉1份、抗老化劑1份、復(fù)合催化劑0.1份、除水劑2份、氨基硅烷交聯(lián)劑0.9份。活性納米碳酸鈣用量對(duì)密封膠的性能影響見表2。

表2 活性納米碳酸鈣用量對(duì)密封膠性能的影響

由表2可知，當(dāng)活性納米碳酸鈣用量達(dá)到30份時(shí)，密封膠具有很好的抗下垂性。隨著活性納米碳酸鈣用量的增加，密封膠的拉伸模量也隨之增大，說明活性納米碳酸鈣對(duì)密封膠有較好的補(bǔ)強(qiáng)作用；但是隨著活性納米碳酸鈣用量增加，擠出性變差，說明密封膠的黏度也增大，會(huì)影響密封膠的施工效率和增加材料損耗。

本試驗(yàn)考察了4種型號(hào)的納米碳酸鈣對(duì)MS密封膠性能的影響（見表3），其中A、B、C三款型號(hào)為未活化納米碳酸鈣，B-100為B型納米碳酸鈣的活化產(chǎn)品。

表3 不同納米碳酸鈣對(duì)密封膠性能的影響

由表3可知，就未活化納米碳酸鈣而言，拉伸模量隨著碳酸鈣粉比表面積的增大而增大，擠出性隨著碳酸鈣粉比表面積的增大而變小。這是因?yàn)榧{米碳酸鈣比表面積越大，其粒徑越小，對(duì)密封膠的補(bǔ)強(qiáng)作用就越強(qiáng)，從而拉伸模量也相應(yīng)提高。而在相同用量條件下，納米碳酸鈣的比表面積越大，吸油值越高，使密封膠的拉伸模量提高和觸變性變好，對(duì)應(yīng)的流動(dòng)性則相對(duì)較差。B-100型納米碳酸鈣為B型納米碳酸鈣的活化產(chǎn)品，活化后比表面積基本不變，但活化劑降低了納米碳酸鈣表面的吸油值，從而可以降低密封膠的黏度，擠出性得到了明顯的改善，同時(shí)密封膠的拉伸模量和觸變性沒有受到影響。所以活化納米碳酸鈣B-100比普通納米碳酸鈣更適合MS密封膠的制備。

2.3 催化劑的選擇及其對(duì)密封膠性能的影響

單組分MS密封膠的固化成型屬于濕氣固化，固化過程受催化劑的影響較大，采用市場(chǎng)通用金屬錫類催化劑二月桂酸二丁基錫和辛酸亞錫時(shí)，由于催化活性太高，產(chǎn)品經(jīng)常在反應(yīng)釜中凝膠，或是在儲(chǔ)存過程中黏度明顯增大或凝膠。采用亞胺類催化劑時(shí)催化活性較低，雖然有利于體系儲(chǔ)存穩(wěn)定，但產(chǎn)品深度固化速率降低，會(huì)造成MS密封膠早期表面發(fā)黏現(xiàn)象。本試驗(yàn)采用辛酸亞錫T-9和雙嗎啉胺DBU-101復(fù)合作為催化劑，密封膠原料的配比為：硅烷改性聚醚25份、DINP增塑劑20份、活性碳酸鈣20份、B-100活性納米碳酸鈣30份、鈦白粉1份、抗老化劑1份、復(fù)合催化劑0.1份、除水劑2份、氨基硅烷交聯(lián)劑0.9份?？疾炝藦?fù)合催化劑對(duì)密封膠性能的影響，結(jié)果見表4。

表4 催化劑對(duì)密封膠性能的影響

由表4可知，辛酸亞錫催化劑能改善MS密封膠表面發(fā)黏情況，隨著有機(jī)錫催化劑比例的增加，密封膠的干燥速度加快，但是對(duì)膠的后期儲(chǔ)存穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。當(dāng)m（T9）∶m（DBU-101）=2∶8時(shí)，密封膠體系的表干和實(shí)干時(shí)間適中，表面不發(fā)黏，儲(chǔ)存30 d后擠出性能保持在530 mL/min，說明體系儲(chǔ)存穩(wěn)定性能良好。當(dāng)m（T9）∶m（DBU-101）超過2∶8時(shí)，30 d的擠出性出現(xiàn)明顯下降，使密封膠體系黏度明顯增大，儲(chǔ)存不穩(wěn)定。所以建議將有機(jī)錫T-9與胺類催化劑DBU-101復(fù)合使用，以m（T9）∶m（DBU-101）=2∶8為宜。

2.4 密封膠儲(chǔ)存穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)

MS密封膠屬于濕固化產(chǎn)品，對(duì)濕氣比較敏感，生產(chǎn)之前原材料需要嚴(yán)格脫水，生產(chǎn)過程中需要氮?dú)獗Ｗo(hù)，避免產(chǎn)品與空氣接觸。但是在生產(chǎn)和出料過程中不可避免要與空氣接觸，這樣空氣中的水分也會(huì)影響密封膠的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。為了解決濕氣對(duì)密封膠儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，在生產(chǎn)過程中加入適量的除水劑，以提高M(jìn)S密封膠的后期儲(chǔ)存穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的除水劑為對(duì)甲基苯磺酰異氰酸酯（PTSI），與水反應(yīng)劇烈，計(jì)量和輸送比較麻煩，生產(chǎn)難度較大。乙烯基硅烷偶聯(lián)劑與水反應(yīng)比較溫和，有利于生產(chǎn)過程控制。本試驗(yàn)采用乙烯基硅氧烷偶作為除水劑，通過不同儲(chǔ)存期擠出性的變化，評(píng)價(jià)產(chǎn)品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，測(cè)試結(jié)果見圖1。

由圖1可見，MS密封膠的擠出性隨儲(chǔ)存時(shí)間的延長而變小，說明體系的黏度在增大，目前常溫儲(chǔ)存1年左右的產(chǎn)品其擠出性還能達(dá)到370 mL/min左右，遠(yuǎn)優(yōu)于JC/T 881—2017《混凝土接縫用建筑密封膠》中規(guī)定的≥150 mL/min的要求。說明MS密封膠的儲(chǔ)存穩(wěn)定性優(yōu)異，產(chǎn)品能滿足1年的儲(chǔ)存需求，且具有優(yōu)異的施工性。

3 結(jié)語

（1）以含氨基甲酸酯基團(tuán)的硅烷改性聚醚樹脂為基膠，以活性納米碳酸鈣為抗流掛劑，以乙烯基硅氧烷為除水劑，以有機(jī)錫和雙嗎啉亞胺復(fù)合作為催化劑，制備了高回彈、低黏度、快速固化、儲(chǔ)存穩(wěn)定的耐侯型單組分MS建筑密封膠。

（2）采用30份活性納米碳酸鈣作為密封膠的抗流掛劑，制備的產(chǎn)品具備優(yōu)異的抗流掛性。同時(shí)活性納米碳酸鈣能明顯降低MS密封膠的黏度，既能減少生產(chǎn)和施工過程中材料的損耗，又能提高生產(chǎn)及施工效率。

（3）采用乙烯基硅氧烷作為除水劑，采用m（T9）∶m（DBU-101）=2∶8比例復(fù)配作為催化劑，可使MS密封膠既實(shí)現(xiàn)了快速固化，又保持了優(yōu)異的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。