雙組分MS/聚氨酯改性密封膠的制備及性能測試比較研究

王彩雪，麻文娜，蘆白茹

(西安歐亞學(xué)院，陜西 西安 710065)

裝配式建筑是指在工廠完成建筑主要構(gòu)件的制作，將建筑構(gòu)件配送到工程現(xiàn)場進行組裝的一種新的建筑形式。裝配式建筑大幅度提高了建筑效率、降低了能源損耗及對自然環(huán)境的污染率[1]。因此，近年來裝配式建筑得到了廣泛應(yīng)用。裝配式建筑施工的關(guān)鍵是確保其外墻墻體構(gòu)件粘合牢固，接縫處具有較佳的防水密封性能[2]，這不僅關(guān)乎裝配式建筑的正常使用，也決定了裝配式建筑是否滿足用戶需求，使用戶具有較好的體驗感。另外，裝配式建筑為滿足設(shè)計美感要求，往往以明縫方式進行設(shè)計，密封膠表面不再涂抹隔離涂層，缺少隔離涂層的保護作用[3]，密封膠直接暴露于自然環(huán)境下，經(jīng)受風(fēng)吹、雨淋、日曬往往加快其老化過程，縮短使用周期。因此，這就對接縫防水密封膠的質(zhì)量及性能提出更高的要求。

通過對氯磺化聚乙烯添加不同含量的硅烷使其改性，并對其性能進行研究，在低溫和室溫條件下改性后氯磺化聚乙烯性能較改性前有所提升[4]；但該密封膠并不適合使用在溫度較高的地區(qū)。以水性聚苯丙乳液為基料制備硅酮改性密封膠，并對其耐老化、防水性能進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)密封膠在耐老化、抗菌、防塵等方面具有較強優(yōu)勢[5]；但其防水、粘合性方面性能并不突出?；谏鲜鰡栴}，本文提出裝配式建筑墻體修復(fù)接縫防水密封膠性能研究，制備了雙組分MS密封膠、聚氨酯改性密封膠，通過設(shè)定適合的催化劑、觸變劑含量提升密封膠性能，以滿足裝配式建筑墻體修復(fù)接縫防水需求。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

以上海外電國際貿(mào)易有限公司的工業(yè)用硅烷改性聚醚(MS)樹脂、自制聚氨酯預(yù)聚體作為基礎(chǔ)原料[6]，增塑劑選用南通潤豐石油化工有限公司的鄰苯二甲酸二異癸酯(DIDP)；長興協(xié)和高分子材料股份有限公司生產(chǎn)的工業(yè)級聚酰胺蠟(D680)為觸變劑；紫外線吸收劑、光穩(wěn)定劑來自常州新策高分子材料有限公司；白炭黑，濰坊衡爍納米材料有限公司。

1.2 試驗儀器

試驗用雙行星動力混合機，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；水分測試儀器，上海佳航儀器儀表有限公司；微機控制電子萬能試驗機，成都金山化學(xué)試劑有限公司。熱老化箱DHO-90A，上海燈晟儀器制造有限公司；紫外線老化箱，上?；巯膬x器設(shè)備有限公司；熱重分析儀TGA1000，天津市百世化學(xué)試劑有限公司；拉力機，濟南賽呈電子科技有限公司。

1.3 裝配式建筑墻體修復(fù)接縫防水密封膠的制備

1.3.1雙組分MS密封膠的制備

雙組分MS密封膠的材料主劑、固化劑配比如表1、表2所示。

表1 雙組分MS密封膠的材料主劑配比Tab.1 Material main agent ratio of two-component MS sealant

表2 雙組分MS密封膠的材料固化劑配比Tab.2 Material curing agent ratio of two-component MS sealant

雙組分MS密封膠制備主劑所需材料按表1的材料配比進行配備，備好后填入到雙行星攪拌釜中慢慢攪拌均勻，攪拌過程大約需12 min，并在常溫、常壓下完成[7]；經(jīng)加熱，在真空狀態(tài)下以高速對其攪拌大約70 min；經(jīng)真空脫泡12 min后，即可包裝。

雙組分MS密封膠的材料固化劑所需材料按表2的材料配比進行配備，然后將其置于雙行星攪拌釜內(nèi)，于常溫狀態(tài)慢慢攪拌，40 min左右后即可包裝好待用。

裝配式建筑墻體修補接縫雙組分MS密封膠，按10∶1的質(zhì)量比，將第1組分和第2組分混合，充分?jǐn)嚢杈鶆?，然后進行配制。該密封膠的制備是遵循JC/T 881—2017標(biāo)準(zhǔn)完成[8]。

1.3.2制備聚氨酯改性密封膠

有機硅改性制備的密封膠具有強度大、剛性好的特點，將其用于裝配式建筑外墻修復(fù)接縫，可有效提升其防水性能[9]。因此，選擇聚氨酯作為一種新型的粘結(jié)劑，用于建筑工程的外墻修補，其生產(chǎn)原料如表3所示。

表3 聚氨酯預(yù)聚體制備材料Tab.3 Polyurethane prepolymer preparation materials

將表3中的前3項材料與適量的蒸餾水混合，放置于溫度72 ℃的回流裝置中[10]，持續(xù)對其攪拌，經(jīng)4.5 h的回流反應(yīng)全部材料混合均勻，繼續(xù)加熱，將溫度升至90 ℃，回流反應(yīng)產(chǎn)生新的醇類物質(zhì)，該物質(zhì)沉入裝置底部并揮發(fā)，當(dāng)溫度加熱到115～120 ℃時經(jīng)預(yù)熟化后[11]，可獲得有機硅聚合物。再將其與表3中后3種材料混合，將其加熱至130 ℃以上，但不超過160 ℃，繼續(xù)進行2.5～4.5 h的置換反應(yīng)后，生成預(yù)聚體，通過脫醇處理后[12]即可獲得聚氨酯預(yù)聚體。

以聚氨酯預(yù)聚體作為基礎(chǔ)原料制備聚氨酯改性密封膠，其原料配比如表4所示。

表4 聚氨酯改性密封膠的原料配比Tab.4 Raw material ratio of polyurethane modified sealant

將納米碳酸鈣作干燥處理，干燥溫度125 ℃，干燥時間5 h。在雙行星攪拌機中添加表4中的原料并進行攪拌，攪拌操作需在真空下完成，攪拌均勻后作包裝處理。

1.4 測試內(nèi)容及測試方法

1.4.1表干時間試驗

測試溫度設(shè)定為(23±1)℃，環(huán)境濕度設(shè)定為(49±2)℃,準(zhǔn)備2塊干凈的玻璃板，各取適量雙組分MS密封膠、聚氨酯改性密封膠，分別涂抹在玻璃板上，涂抹2.5 mm后靜置。表干時間的確定標(biāo)準(zhǔn)是密封膠表面不粘手即可[13-14]，可通過每間隔5 min測試1次的方法確定其是否粘手。

1.4.2粘結(jié)性試驗

取4塊基材，表面清潔干凈，其中2塊作打底涂、2塊作無底涂處理，將防粘膠帶粘在基材一端，分別將2種密封膠涂在基材上，固化后測試其粘接性[15-16]；由于連綿雨季常導(dǎo)致裝配式建筑墻體接縫長時間受雨水浸泡[17-18]，因此設(shè)計浸水試驗對浸泡后的密封膠粘接性進行測試。分別將上述4種情況下的密封膠放入水中浸泡，測試浸泡5、30、50 d的粘接性能。

1.4.3老化試驗

設(shè)定以下3種老化條件，分別為：

(1)熱老化：對熱老化箱進行溫度設(shè)定，溫度設(shè)計為75 ℃，并在鼓風(fēng)條件下進行熱老化試驗；

(2)紫外老化：應(yīng)用紫外老化箱進行試驗，溫度設(shè)定為42 ℃；

(3)自然老化：試件直接放在自然環(huán)境中即可。

根據(jù)上述3種老化條件，將2種不同的密封膠在老化狀態(tài)下，進行400、800、1 200和1 600 h的老化試驗。

1.4.4溶脹試驗

將雙組分MS密封膠試件、聚氨酯改性密封膠試件分別置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)作干燥處理[19-20]，溫度設(shè)定為68 ℃，4.5 h后將其置于干燥器內(nèi)冷卻，待其冷卻到室溫后再將其拿出來。將試件剪下0.35 g置于放有溶劑的量筒內(nèi)進行溶脹試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同催化劑含量下2種密封膠的表干時間

設(shè)定當(dāng)下室外溫度為(23±1)℃，分析聚氨酯改性密封膠表干時間，結(jié)果如圖1所示。

圖1 聚氨酯改性密封膠表干時間Fig.1 Analysis of surface drying time of polyurethane modified sealant

由圖1可以看出，在此溫度下，當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時，聚氨酯改性密封膠的表干時間為2.1 h；不斷加大催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其表干時間隨之減少。當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.25%時，其表干時間降至0.4 h；之后繼續(xù)增加催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表干時間慢慢趨于穩(wěn)定，不再變化。

對雙組份MS密封膠的表干時間進行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 雙組分MS密封膠表干時間Fig.2 Analysis of surface drying time of two-component MS sealant

從圖2可以看出，隨著催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增多，雙組分MS密封膠表干時間呈逐步下降趨勢，同時溫度對雙組分MS密封膠的表干時間同樣具有關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)室外溫度為(23±1)℃，催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時，表干時間約為6.5 h；催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.75%時，表干時間降至2.5 h左右；繼續(xù)增大催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表干時間縮短幅度越來越小，且慢慢趨于平穩(wěn)；當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%時，表干時間為2 h左右。當(dāng)溫度升高至(38±1)℃時，其表干時間明顯縮短，催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6%、0.75%、1%時，表干時間分別為4、1和0.75 h。上述結(jié)果表明，聚氨酯改性密封膠催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%較適宜；雙組分MS密封膠催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%時較適宜。

2.2 觸變劑對2種密封膠的性能影響

添加觸變劑可使防水密封膠具有更好的流掛性，觸變劑的添加量對密封膠的性能產(chǎn)生一定影響，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)觸變劑下2種密封膠的性能分析如表5所示。

表5 添加不同觸變劑的2種密封膠的性能分析Tab.5 Performance analysis of two sealants with different thixotropic agents

由表5可知，以聚酰胺蠟作為雙組份MS密封膠的觸變劑時，具有較好的性能，當(dāng)選擇白炭黑作為觸變劑，添加量為1%時，MS密封膠具有較差的抗流掛性，其原因在于粒徑減小，使得比表面積加大，加強了生成的附聚體的剛性性能，并加大了與膠料的貼合面積，增加了密封膠的補強性，但降低了其彈性模量；表明選擇添加量2%的白炭黑較為合適。用聚酰胺蠟作觸變劑，對聚氨酯進行改性后，其性能更佳；而用白炭黑做觸變劑則表現(xiàn)出較差的性能。由此可知，聚酰胺蠟對密封膠性能更有利，應(yīng)將其作為2種密封膠的首選觸變劑。

2.3 2種裝配式建筑修復(fù)接縫防水密封膠粘結(jié)性分析

分別對雙組分MS密封膠與聚氨酯改性密封膠作冷拉-熱壓、浸水試驗，分析2種密封膠的粘接性能，結(jié)果如表6所示。

由表6可知，對雙組分MS密封膠與聚氨酯改性密封膠分別作冷拉-熱壓處理后，只有雙組分MS密封膠在無底涂時遭到破壞。對2種密封膠作浸水處理后，隨著浸水時間的不斷增長，2種密封膠的拉伸強度均呈降低趨勢，斷裂伸長率指標(biāo)也在不斷減少、粘接破壞程度越來越大，無底涂雙組合MS密封膠的粘接性能不滿足要求；而有底涂的雙組合MS密封膠完好無損。有底涂的聚氨酯改性密封膠粘接性能符合要求，無底涂的聚氨酯改性密封膠在浸水30 d后已無法滿足粘接性能要求。有底涂的雙組合MS密封膠性能優(yōu)于有底涂的聚氨酯改性密封膠。結(jié)果表明，底涂可對密封膠的粘接性能起到保護作用，提升密封膠的防水性能。因此，建議在裝配式建筑墻體修復(fù)拼接時先作底涂處理后再用密封膠密封。

表6 2種密封膠的粘接性能對比Tab.6 Comparison of adhesion of two sealants

2.4 2種裝配式建筑修復(fù)接縫防水密封膠溶脹分析

在浸水試驗的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對聚氨酯改性密封膠、雙組合MS密封膠進行老化試驗，分析在3種老化條件下，2種密封膠的溶脹變化情況，結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 聚氨酯改性密封膠的溶脹分析Fig.3 Swelling analysis of polyurethane modified sealant

從圖3可以看出，自然老化條件下，聚氨酯改性密封膠的溶脹倍率隨老化時間的增加而不斷降低；老化1 200 h前，熱老化、紫外老化條件下聚氨酯改性密封膠溶脹倍率均呈不斷下降趨勢，原因在于此期間聚氨酯改性密封膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使分子間更加緊湊，致使溶脹倍率降低，老化1 200～1 600 h階段，因發(fā)生熱降解、光降解，導(dǎo)致溶脹倍率均開始不斷增大，但紫外老化的溶脹倍率增幅大于熱老化。結(jié)果表明：聚氨酯改性密封膠更容易受到紫外老化的影響。

圖4 雙組分MS密封膠的溶脹分析Fig.4 Swelling analysis of two-component MS sealant

從圖4可以看出，隨著老化時間的不斷增長，自然老化、熱老化時的雙組分MS密封膠的溶脹倍率呈不斷下降趨勢，原因是上述條件導(dǎo)致密封膠的分子鏈遭到破壞，使其分子間結(jié)構(gòu)更加緊湊。紫外老化條件下，其溶脹倍率呈低-高-低-高趨勢變化，這主要與密封膠分子間的交聯(lián)反應(yīng)、光降解有關(guān)，由二者的共同作用所致。

3 結(jié)語

為滿足裝配式建筑墻體修復(fù)接縫時防水密封膠的性能要求，制備雙組分MS密封膠、聚氨酯改性密封膠，通過試驗分析為這2種密封膠選擇適合的催化劑、觸變劑用量；并對比分析2種密封膠的粘接性能、老化條件下的溶脹情況。

(1)常溫下催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%時，聚氨酯改性密封膠表干時間為0.4 h。溫度為(38±1)℃時，雙組分MS密封膠表干時間較短，催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%時，表干時間0.75 h；

(2)雙組分MS密封膠、聚氨酯改性密封膠均應(yīng)將聚酰胺蠟作為首選觸變劑；

(3)底涂可對密封膠的粘接性能起到保護作用，提升密封膠的防水性能，有底涂的雙組合MS密封膠性能優(yōu)于有底涂的聚氨酯改性密封膠；

(4)聚氨酯改性密封膠更容易受到紫外老化的影響。紫外老化條件下，雙組合MS密封膠溶脹倍率呈低-高-低-高趨勢變化。