硅酮建筑密封胶的固化及应用

硅酮建筑密封胶的固化及应用

硅酮密封胶具有优异的耐老性和耐高低温性能，广泛应用于建筑业，尤其是建筑墙体、门窗和中空玻璃领域。与其他成型密封材料不同,密封胶出厂时只是密封在包装瓶或包装容器中,经过施工后才被安装到需要密封的部位,因此密封胶能否实现良好的粘结密封作用,不仅取决于密封胶本身的性能和质量,还取决于其应用过程操作是否正确。本文对硅酮建筑密封胶应用过程中常见的几种问题进行了分析,并提出相应的解决措施。1双组分硅酮建筑密封胶硅酮建筑密封胶包括单组分硅酮建筑密封胶和双组分硅酮建筑密封胶两种,二者固化特点不同,对应用过程的要求也不同(表1)。如表1所示,单组分硅酮建筑密封胶固化时需要与空气中的水分发生反应,固化过程从表面向内部逐步进行。如果胶缝太窄或深度太深,水很难渗透到胶层内部,深层的胶就无法固化;密闭场合无法获得空气中的水,胶也无法固化。因此,单组分硅酮建筑密封胶对胶缝的宽度、深度及其比例都有一定的要求。双组分硅酮建筑密封胶,由于A组分中含有反应所需的水分,A、B组分混合均匀即可完成固化反应,无需再与空气中的水发生反应。因此,双组分硅酮建筑密封胶从固化角度看,对胶缝尺寸几乎没有限制。此外,双组分硅酮建筑密封胶固化过程是内外同时进行的,没有水向胶层深处渗透的过程,固化速度远远超过单组分产品。如:23℃、50%相对湿度条件下,宽12mm、深6mm的无孔基材(玻璃或铝板)胶缝,使用单组分脱醇型密封胶时,其内部固化到不粘手的程度至少需要5d;使用双组分产品时,固化到相同程度需时不到24h。环境温度对硅酮建筑密封胶的固化和粘结反应有较大影响,一般在适当温度范围内,温度越高,固化速度越快,温度过高或过低都会对密封胶的固化和粘结产生不利影响。对于单组分产品,环境湿度也对密封胶的固化速度有很大影响,湿度越大,固化速度越快;双组分产品的固化速度则受环境湿度的影响很小,通常可以不予考虑。此外,密封胶种类对单组分硅酮建筑密封胶固化速度也有一定影响。单组分硅酮建筑密封胶通常分为脱醋酸型、脱酮肟型、脱醇型,配方体系不同,固化时释放的小分子物质也不同。固化速度一般呈:脱醋酸型(酸性)>脱酮肟型(中性)>脱醇型(中性)。2结构胶的性能要求硅酮建筑密封胶根据用途可分为结构胶和密封胶两类。结构胶主要用于有结构受力要求的场合,如隐框玻璃幕墙中玻璃与铝副框之间的粘结。对于结构胶而言,拉伸强度、粘结性能都是非常关键的性能指标,由于结构胶还要承受玻璃与铝框相对变形时产生的内应力,因此对弹性也有一定要求。密封胶主要用于接缝的密封,对弹性要求较高,对强度没有要求。密封胶弹性的好坏主要通过位移能力来衡量,位移能力越高,则密封胶能承受的接缝变形越大,密封性能越好。2.1胶的值与密封胶的关系硅酮结构胶宽度和厚度的设计按照JGJ102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》标准的规定进行,同时需注意以下几点内容:1)计算结构胶厚度时,需知道其变位承受能力值,即δ值。不同厂家、不同型号的结构胶产品,δ值往往不同,设计师进行设计计算时应咨询相关密封胶制造商,不能直接取规范条文说明中举例的12%或某些设计软件的默认值。2)结构胶的变位承受能力与密封胶的变位承受能力没有任何关系。虽然在规范中,两者都用δ来表示,但结构胶的δ值是指对应于受拉应力0.14MPa时的伸长率,一般约为8%~15%,目前还没有δ值高于20%的结构胶。而密封胶的δ值是指密封胶能够承受接缝宽窄变化的程度,一般分为7.5、12.5、20、25、35、50等级别。3)采用中空玻璃的隐框玻璃幕墙,中空玻璃二道密封应采用硅酮结构胶,且其宽度应根据JGJ102—2003进行设计计算,不能直接取最小宽度7mm。2.2密封胶连接设计2.2.1密封胶的选择因硅酮密封胶的接缝宽度根据JGJ102—2003标准的条文说明中给出的公式进行计算:式中,ωs为胶缝宽度,mm;α为面板材料的线胀系数,1/℃;△T为幕墙年温度变化,℃(可取80℃);δ为硅酮密封胶的位移能力;b为计算方向面板边长,mm;dc为施工偏差,mm(可取3mm);dE为考虑地震作用等其他因素影响的预留量,mm(可取2mm)。对于某一特定的幕墙,其板块尺寸、面板材料的线胀系数、幕墙年温度变化等都是固定的值,可根据所选密封胶的位移能力计算出最小胶缝宽度,也可根据初步设定的胶缝宽度推算密封胶所需的最小位移能力。选用的密封胶位移能力不高时,可能需要较大的接缝宽度;而接缝较窄时,则可能需要选择位移能力较高的密封胶来满足接缝密封的要求。只有胶缝宽度与所选用密封胶的位移能力相匹配时,密封胶才能够发挥良好的密封效果。理论上讲,只要接缝设计得当,并不一定要选择位移能力高的密封胶。但是,由于幕墙制作和安装过程中可能存在较大的偏差,导致局部胶缝过窄,这些部位的密封胶若无法满足接缝的变形,一段时间后就会发生开裂、漏水等问题。因此,实际工程中选用位移能力较高的密封胶,可以降低幕墙日后出现渗漏的概率。2.2.2计算接头厚度的开口厚度硅酮密封胶厚度的计算应满足以下要求:1热压的制作对于混凝土、砖、石或其他类似多孔材料中的对接密封胶,接缝宽度为6~13mm时,其接缝厚度可与接缝宽度相等;接缝宽度为13~25mm时,其接缝厚度应是宽度的1/2或6~13mm;接缝宽度为25~50mm时,其接缝深度应≤13mm;接缝宽度超过50mm时,应咨询密封胶制造商来确定厚度。2以产品尺寸限定接收点,确定热压,保证分对于金属、玻璃或其他类似无孔材料中的对接密封胶,接缝宽度为6~13mm时,其接缝厚度应为6mm;接缝宽度为13~25mm时,其接缝厚度应不大于宽度的1/2,最大为9mm;接缝宽度为25~50mm时,其接缝厚度应≤9mm;接缝宽度超过50mm时,应咨询密封胶制造商来确定厚度。3密封胶施工和密封胶施工3.1施工前的测试1粘结性能试验粘结性能试验是检查所用硅酮胶与基材间是否能形成良好粘结的试验。由于基材种类繁多,其表面处理形式和处理水平也千差万别,目前还没有一种胶能够保证对所有基材都一定粘结。因此,对于某一个具体工程,一定要对其选用的密封胶和基材进行粘结性能试验。不同颜色的铝材或玻璃,虽然可能是同一厂家的产品,也应按照不同材料进行粘结性能试验。粘结性能试验按照GB16776—2005《建筑用硅酮结构密封胶》附录B中的要求进行,试验需时21~28d,应该在施工前完成,以确保在施工前得到采用何种清洗剂、是否需要使用底涂液来提高粘结性等施工建议。如在施工之前无法完成该试验,则施工人员应进行GB16776—2005附录D.1.2和D.1.3中的试验,以确定密封胶与基材的粘结性能。总之,在施工前,应对密封胶与基材的粘结性能进行试验,以确保粘结良好。否则,如果施工后才发现粘结性差,则需要进行割胶、返工等工作,不仅延误工期,而且会造成材料和人工的浪费。2材料不影响密封胶或结构胶的寿命相容性是指密封材料之间或密封材料与其他材料相互接触时,相互不产生有害物理、化学反应的性能。该试验主要是保证实际工程中所用的材料不会对密封胶或结构胶产生不良作用,不会影响密封胶或结构胶的寿命。相容性试验按照GB16776—2005附录A中的要求进行,实验需时28d,也应该在施工前完成。如在施工后才发现所用材料对结构胶或密封胶会产生不良影响,也需要割胶、返工,同样会延误工期,并造成材料和人工的浪费。3.2结构胶和密封胶的使用环境硅酮结构胶应在清洁、通风良好的室内施工(用于全玻幕墙的结构胶必须在工地现场施工),环境温度应不低于4℃(温度低于4℃时,可能会在基材表面形成不易察觉的露或霜,影响结构胶的粘结效果)。使用单组分硅酮结构胶时,空气的相对湿度应保持在50%~90%。结构胶的养护应在10~40℃的通风环境下进行,较低温度会导致粘结和固化缓慢,甚至可能会不粘结或内部不固化。硅酮密封胶应在温度4~40℃、相对湿度40%~80%的清洁环境下施工,雨雪天气应停止施工。环境温度过低会降低密封胶的粘结性;环境温度过高,密封胶的抗下垂性会变差,使用时间和修整时间会缩短,同时固化速度会加快,容易产生气泡。相对湿度过低会使密封胶的固化速度变慢,表面容易发生变形;相对湿度过高可能会在基材表面形成冷凝水膜,影响密封胶与基材的粘结性。3.3混合过程的设计主要施工步骤:接缝准备→基材清洗→涂刷底涂液(如需要)→注胶→修整→养护。双组分产品在施工时需先将A、B组分按一定比例混合均匀,混合不均匀或混合比例超出推荐的范围,密封胶都无法达到应有的性能。混合过程通常需要专门的设备来完成,如双组分打胶机。注胶前需通过蝴蝶试验来确定混胶是否均匀,通过拉断试验来确定混合比例是否正常。4实际工程使用的要10个点的原因硅酮胶出现与基材粘结不好或不粘结的情况,可能有以下几种原因:(1)施工前未进行粘结性试验;(2)未按照粘结性能试验结果推荐的方法进行清洗;(3)未按照粘结性能试验结果推荐的方法施加底涂液;(4)养护时间太短(双组分产品);(5)养护温度偏低(双组分产品);(6)实际工程使用的基材与进行粘结性能试验的基材不一致;(7)实际工程使用的基材批次之间存在差异;(8)硅酮胶产品批次之间存在差异。硅酮胶与基材的粘结和硅酮胶自身的固化不同,硅酮胶自身固化是硅酮胶自身发生的化学反应,硅酮胶与基材的粘结是硅酮胶与基材表面发生的化学反应。对于单组分产品,这两个反应的速度比较接近,表现为胶固化后,对基材也形成了粘结。但是,对于双组分产品,其固化速度通常会快于粘结速度,表现为胶已经固化了,但进行剥离粘结试验时,胶还没有对基材形成良好的粘结。温度偏低时,粘结速度与固化速度的差别会更大,通常需要更长的养护时间才能对基材形成良好的粘结。硅酮胶与基材不粘结时,首先要通过抽样、试验等方法对产生问题的原因进行分析,然后才能确定解决方案。可能的解决方案有:清洗基材、更换清洗剂、施加底涂液或更换底涂液、提高养护温度、延长养护时间、对基材进行表面处理、更换密封胶等。2产品的质量评定硅酮胶固化速度慢可能有以下几种原因:(1)温度低;(2)湿度低(单组分产品);(3)胶缝太窄、太深(单组分产品);(4)B组分偏少(双组分产品);(5)硅酮胶过期。硅酮胶固化速度较慢时,可通过提高养护温度、提高养护湿度(单组分产品)、两次打胶或双面打胶、增加B组分比例(双组分产品)、更换密封胶等方式解决。3蝴蝶试验混合胶的不均匀性双组分硅酮胶施工时,蝴蝶试验混胶不均匀,通常是因为双组分打胶机胶枪内的静态混合器已损坏,只需更换混合棒即可解决问题。4温度和质量双组分硅酮胶施工时,拉断时间过长,可能是因为环境温度偏低或B组分比例偏低;拉断时间过短,可能是因为环境温度偏高或B组分比例太高。此外,密封胶本身质量的波动也会导致拉断时间的波动。增加或减少B组分的比例可以加快或减慢拉断时间,但应在推荐的混合比例范围内进行调节,否则,可能导致密封胶无法达到预期的性能,甚至出现变脆、深层固化慢、强度降低等现象。5密封胶内固定术双组分硅酮胶固化后,可能会在胶体内部、表面及与基材粘结的界面形成很多密集的气泡,大大降低了胶体的拉伸粘结强度。这通常是由于有气体进入A、B组分的物料管,经双组分打胶机枪头内部的静态混合器时被分散成极微小的气泡,固化过程中,气泡由于表面张力的作用向界面(胶体表面、胶体与基材的界面)迁移,最终表现为固化后的胶表面和胶与基材界面有密集的小气泡。进入物料管的气体可能是胶本身带入的(A组分或B组分分装过程中裹入气体),也可能是打胶过程中操作不当带入的(换桶时排气未排干净或一桶物料压盘压到底部时未及时换桶,导致空气吸入)。A、B组分内部裹有气体导致的气泡一般发生在一组密封胶使用的中间过程;而换桶不当导致的气泡一般发生在一组密封胶刚开始使用或即将用完时。胶体内部及界面出现密集气泡时,应及时查找原因,并有针对性地进行解决,如更换密封胶供应商或对操作工人进行培训。6填塞时泡沫棒的使用注意事项硅酮胶内部出现单独的气泡,可能有以下几种原因:(1)注胶时裹入了空气;(2)接口或附件材料潮湿,潮气侵入胶缝;(3)泡沫棒选用不当;(4)泡沫棒在填塞过程中表面被戳破,受挤压后从破孔处放气;(5)某些基材与密封胶发生反应。胶体内部出现单独的气泡时,应注意:(1)注胶应均匀、连续、注满接口;(2)接口及附件材料必须干燥;(3)选用合适尺寸的泡沫棒,且不能使用铲刀、螺丝刀等尖锐工具填塞泡沫棒。某些基材,如混凝土、水泥等,容易与密封胶发生化学反应,导致密封胶内部出现气泡、不粘结、不固化等现象。施工前进行粘结性试验可避免此类气泡的产生。7硅酮胶“起鼓现象”的解决措施及对策当环境相对湿度较低时(<50%),单组分硅酮胶固化速度变慢,固化至足够深度需要的时间较长。当硅酮胶表面已经固化,内部还没有完全固化时,如果胶缝发生较大的宽窄变化(通常由面板的热胀冷缩引起),胶缝的表面就会受到影响,出现不平整现象。由于硅酮胶的固化速度、模量以及胶缝宽窄变化幅度等因素的不同,胶缝不平整的表现也不同,有时是整条胶缝中间隆起,有时是连续的鼓包,有时是扭曲的变形,统称为“起鼓现象”(图1)。硅酮胶出现“起鼓现象”可能的原因:(1)板块尺寸大导致接缝变位大;(2)板块的线胀系数较大(如铝板、聚碳酸酯板)导致接缝变位大;(3)板块昼夜温差较大;(4)环境湿度偏低,相对湿度低于40%。硅酮胶“起鼓现象”是固化速度、环境湿度、环境温差、胶缝宽度、面板材质及尺寸等因素综合作用的结果,上述几种因素都处于不利的情况下,硅酮胶出现“起鼓现象”的概率就会较高。在相对湿度非常低的情况下(<30%),面板线胀系数较小的玻璃幕墙或面板尺寸不大的铝板幕墙的胶缝也可能出现“起鼓现象”。因此,“起鼓现象”是密封胶在干燥气候条件下,由于固化速度变慢,同时接缝发生的变形较大而导致的,并不是密封胶本身有质量问题。要解决硅酮胶“起鼓现象”,就必须消除上述造成起鼓的不利因素。由于环境湿度、面板种类和尺寸以及接缝尺寸一般很难改变,剩下的能改变的因素就只有温差和胶的固化速度。因此,对于我国北方地区春秋季节容易出现起鼓现象的情况,解决方案如下:(1)选用固化速度相对较快的胶;(2)湿度过低或胶缝相对变形太大,选用了固化速度相对较快的胶仍出现起鼓现象时,可采用适当的遮阳措施降低面板温度,减小温差导致的接缝变形,并选择合适的施胶时间,在面板被阳光曝晒或即将被曝晒时先不施工,当阳光移走以后再施工。胶缝出现“起鼓现象”时,虽然外表看起来好像胶缝内有气泡鼓出,但实际上胶缝内部是实心的,不会影响密封胶的受力和密封性能。8密封胶修整的长硅酮胶表面结皮,可能是由于修整方式不规范引起的。具体包括反复修整胶缝或施胶后曝露于空气中的时间过长,超出密封胶规定的修整时间,导致修整时硅酮胶表面已经开始固化,形成结皮。将胶缝修整后剩余的回收胶再次填入胶缝使用也容易发生表面结皮现象。缩短打胶操作与修整操作之间的间隔时间,将打出的胶尽快修整可有效避免结皮现象。此外,温度过高或干燥、风大的环境会加快硅酮胶的表干过程,容易导致硅酮胶表面结皮。9界面粘结的施工水泥、混凝土类基材偏碱性,当养护时间较短、内部含水较高时,容易与硅酮胶发生反应,导致粘结不良、内部不固化、界面气泡、变色、渗出浆状物等现象。在对此类基材施工之前,基材必须养护足够的时间,待完全干燥后才能施工。施工前必须先进行粘结性能试验,观察粘结的情况,确认没有问题再进行大面积施工。施工过程中也要进行严格的质量监控,对施工完成的部位,应进行抽检(待密封胶固化后),以确保密封胶的粘结性。水泥类基材,建议选用脱酮肟型硅酮胶。10脱酮型硅酮胶硅酮胶出现局部变色可能有以下几种原因:(1)与橡胶接触(橡胶加工过程中加入的橡胶油偏黄,与硅酮胶接触后,这些物质会扩散到硅酮胶内部导致其变黄);(2)与酸(某些外墙清洗液)、碱性(水泥浆)物质接触;(3)脱酮肟型硅酮胶在酸性环境中易发生整体变色;(4)某些特殊颜色的胶经过日照后发生变色。为避免硅酮胶变色问题,施工前应进行配套材料与硅酮胶的相容性测试,施工和使用过程中应避免出现上述容易引起变色的因素,如选择日照后不会变色的特殊颜色密封胶。11充填矿物油密封胶压缩技术胶缝出现开裂、漏水(图2)可能有以下几种原因:(1)接缝设计不合理,如胶缝过窄导致施胶困难,密封不到位;(2)密封胶位移能力不能满足接缝变形需求;(3)板块安装尺寸偏差过大;(4)密封胶前期固化过程中,接缝变形过大;(5)三边粘结,导致密封胶位移能力受限;(6)施胶厚度不符合规范要求,如施胶太薄,导致使用过程中出现破损或粘结破坏;(7)使用了填充矿物油的密封胶。胶缝出现开裂、漏水现象时,应先分析问题产生的原因,根据具体情况选择解决措施:(1)按规范要求设计胶缝;(2)选用位移能力与设计相匹配的密封胶;(3)严格按照操作规程施工,保证密封胶厚度;(4)避免三边粘结等。填充了矿物油的密封胶价格较低,但固化后其内部矿物油与有机硅体系不相容,会很快扩散出来,导致胶体收缩、开裂或脱胶。因此,选胶时不能一味追求低价。12表面活性剂的迁移石材属于多孔性材料,与其接触的材料中的某些化学物质容易迁移进入石材表面。基材为石材时需选用石材专用硅酮密封胶,使用普通密封胶很容易出现石材被污染现象(图3)。13密封胶中矿物油易渗,密封失效机理中空玻璃出现一道密封胶(丁基胶)被溶解的流油现象,多数是由于中空玻璃二道密封胶或邻近的密封胶、门窗胶中填充了矿物油。随着使用时间的推移,矿物油逐渐从密封胶中扩散出来,渗透到中空玻璃一道密封胶中,使其溶解,表现为丁基胶出现溢出物、空洞、流淌,导致中空玻璃密封失效,出现漏水、漏气、起雾、虹彩等现象(图4)。选用不含矿物油的密封胶产品或在使用前