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建筑幕墻密封膠的加速耐老化測試方法研究
2019年01月01日    閱讀量:41395    新聞來源:道康寧(上海)管理有限公司 王文開  |  投稿

1 簡介

在過去的二十多年里,密封膠工業經歷了高速發展及技術變革。一方面,出現了許多基于新聚合物、新固化體系和新配方的密封膠產品;另一方面,激烈的商業競爭迫使廠家大大縮短了產品開發周期。一些知名的密封膠,同一配方的產品已經銷售超過二十年,而許多新產品還沒有經受過足夠時間的考驗中國涂料在線coatingol.com。現在,要想對一個新產品確立可信賴的性能評價仍然需要通過長期的室外測試和項目現場的性能評估來獲取。


為了縮短評估時間,可以使用不同的短期實驗室老化測試方法,這些測試方法已經被獲得一定的成功,但由于缺乏與產品實際的使用壽命直接關聯性,同時也被建筑規范者所質疑。[1]因此,密封膠工業迫切地需要一種令人信服的測試方法能快速評測產品的性能。實驗室加速老化試驗是最可能在盡可能短的時間內對產品的長期性能進行評估的方法;但是,仍然需要整合這些測試方法并改善這些測試方法的準確性。人們都意識到提高密封膠產品的使用長期性的重要性。在國外,RILEM TC139-DBS, 在1991~2000 年期間對建筑密封膠的老化測試方法進行研究。本文將對此研究及老化測試方法進行介紹。


2 密封膠耐老化性能測試方法的開發

在密封膠的整個使用壽命期間,要持續地經受接口的機械拉伸變化和環境老化影響。導致密封膠接口失敗的主要原因包括接口的循環位移、太陽光、溫度變化(冷、熱)和水汽(水)的影響。當然密封膠在使用過程中也需要承受許多其它因素的影響,例如:灰塵堆積、酸雨、清洗溶劑、微生物的滋生以及與其它建筑材料的相窖性等。[2]在研究開發密封膠耐老化性能測試方法時,我們必須集中考慮對密封膠老化產生影響的最主要因素,因此,選擇被認為最主要的老化影響因素進行測試:陽光輻射、水汽、緯度和接口的位移。接口位移是影響密封膠老化的一個主要因素,在密封膠固化期間和完全固化后都有影響。


根據不同的密封膠接口類型,密封膠要承受不同程度的位移量。并且通常會同時承受不同位移作用力影響,甚至可能出現三個不同方向的作用力,如剪切力、拉伸力和壓縮力的同時作用;而對不同基材接口,可能所承受的位移作用力速率也會不同;因此考慮到測試的實際可操作性及對密封膠接口最常承受的作用力,研究決定對測試的范圍縮小,只進行位移循環拉伸測試,且此測試只針對彈性密封膠。此耐老化測試方法為:將被測試的密封膠施打于兩塊平行放置的基材中間制成樣品,樣品養護可以選擇靜態養護(無位移)或動態養護(有位移);然后將樣品按照已設置的重復老化循環測試程序(光、熱和水汽)和循環拉伸測試程序進行測試。


老化測試包括用人工氣候老化儀器進行8 周的加速老化,可選擇加做快速機械老化循環(默認:200 個循環),然后再按照IS09047[3](第8 節,第1 周)的要求,對樣品根據一定的位移量進行熱位移循環測試,參見圖1。完成每一個老化程序后,將樣品定伸至所需的比例, 查看樣品外觀、粘結性, 按照IS0 /DIS11600 的要求記錄。以上的耐老化測試程序可以不斷重復進行,具體的測試流程如圖2。


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默認的測試參數和程序如下:

· 基材默認陽極氧化鋁, 參見IS013640(IS01996)[4]。

·基材尺寸-默認75mm×2mm×6mm 參見IS08339(IS01984)[5]。

·養護條件(A,BorC)-默認:A 參見IS011600。

·人造光源(xenon-arc,fluorescent UVA-340lamp) - 默認: 氙燈, 參見ISO4892 -1 -3(IS01998a)[6]。

·老化程序: 耐久性加速氣候老化, 水汽條件(噴灑或浸泡),光源的溫度,水汽溫度,光照的時間和水汽循環默認值是氙燈/ 噴水, 氙燈/ 水浸泡和熒光燈UVA-340 / 噴水。

·快速老化循環(可選):包含疲勞循環,機械拉伸及耐老化循環,默認:200 個循環-參見JIS A l439(JISCl997);[7]。

·熱機械循環(IS09047):機械拉伸及耐老化循環-默認值如測試程序所定。


3 耐久性老化測試結果

3.1 牛津布魯克大學的研究(1999-2000)

最初的研究是由牛津布魯克大學完成的,[8]選擇了12 家廠家的15 種高性能的密封膠產品,其中5 種硅酮膠、4 種聚氯酯膠、3 種硅酮改性聚醚膠、2 種聚硫膠和一種溶劑型硅酮改性丙烯酸膠。測試基材采用IS0-DISl3640 規定的陽極氧化鋁。所有樣品均經過4 個耐老化循環測試。每一個耐老化循環包括8 周的熒光燈/ 冷凝人工老化測試和2 個IS09047 位移循環(4 天);在經過了4 個耐老化循環測試之后,并未達到想象中老化效果。因此在第4 個耐老化循環之后,決定增加了1000 個機械疲勞拉伸循環(±25%拉伸幅度,5 個循環/ 分鐘)。測試結果顯示了在以后的測試方法中增加機

械疲勞拉伸循環的可能性。圖3 是樣品經過測試后外觀。


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經過前三個耐老化循環,硅酮膠表面表面基本無變化,第四次耐老化循環后,一些硅酮膠出現了少量的粘結破壞,主要是出現在應力最高的接口角部位置。這些硅酮膠,在附加的機械疲勞測試中加深了一些粘結破壞, 不同膠呈現不同的破壞程度。大體上來說,除了動態養護的樣品膠體有輕微的變形, 靜態養護和動態養護的樣品性能基本無差別。耐老化測試對硅酮膠性能沒有明顯的影響, 無開裂、細裂紋和明顯的變色出現。


經過測試聚氨酯密封膠出現了巨大的差別。除了不同的壓縮形變,一個單組分的聚氨酯膠出現了明顯的降解;另一個單組分聚氨酯膠接口出現了粘結破壞,變色和表面的細裂紋。其它兩種雙組分的聚氨酯膠在第一個耐老化循環后就出現了嚴重的變色, 在經歷第二個循環后膠體出現了水泡和裂紋。膠體裂紋最終導致了密封膠在經歷了機械老化后完全斷裂了。


硅酮改性聚醚密封膠在前兩個耐老化循環中并無太大變化,一個密封膠在第二個循環后出現表面裂紋,另兩個密封膠承受住四個耐老化循環的考驗,沒有或僅僅有微小的粘結破壞。所有的硅酮改性聚醚膠經過機械疲勞測試都出現了粘結失敗。單組分聚硫膠固化非常慢,在經過了三個耐老化循環后,仍有一些部分的膠未完全固化。由于這些膠未完全固化,這些未固化部分演變成膠體裂紋,在第二和第三個循環時就完全斷裂了。


很明顯,這些膠固化太慢無法承受幕墻裝配接口的大位移和快速位移。雙組分的聚硫膠表現相對更好,雖然在第二個循環時也出現了膠體裂紋,并在隨后的循環中不斷加深。硅酮改性丙烯酸密封膠表現的比其它改性膠更好。在前三個循環中并無明顯降解,在第四個循環后,密封膠接口邊緣出現一些粘結破壞;機械疲勞循環加大了粘結破壞區域。


總體來說, 牛津布魯克大學的研究證實了RILEM 的耐老化循環測試方法能夠區分產品的耐氣候老化和機械老化性能。測試過程出現的破壞類型和膠體表面變化與實際應用過程的出現的情況相似。這個研究證實了密封膠最初的彈性模量并不能很好地表征密封膠的長期使用性能,顯然,更重要的是在經歷了老化后性能的變化(硬化、逆反應等)。動態養護降低了一些產品的老化性能,但卻改善了其它性能。耐老化循環測試對大多數密封膠的產生老化降解效果比預期來的慢,而機械疲勞老化性能明顯地加深了密封膠的降解。因此,RILEMTCl39.DBS 最終技術推薦文件中增加機械疲勞老化做為可選的測試項目加入到每一個耐老化循環中。


3.2 東京技術學院的研究(2001)

在RILEM 的耐老化測試方法研究之后, 日本密封膠工業協會進行了進一步的研究。這個研究由東京技術學院在橫濱(Takana & Miyauchi 2002)組織開展的。[9]這個研究選擇了11 種密封膠,包括了2 種硅酮膠,2 種硅酮改性聚醚膠,2 種聚硫膠,2種聚氨酯膠—都是一個單組分膠和一個雙組分膠;一個硅酮改性聚丁基膠,一個雙組分固化丙烯酸膠和一個單組分水性體系的丙烯酸膠。


雙組分的聚硫膠采用的是一種新的聚醚/ 聚硫共聚物的異氰酸固化體系。樣品基材采用的是根據IS0-DISl3640 規定的陽極氧化鋁,所有樣品都依據密封膠廠商的推薦施打了底涂液。雙組分聚氨酯膠、雙組分固化丙烯酸膠和單組分水性丙烯酸膠樣品表面還噴涂了高彈性的涂料。所有密封膠樣品的養護都按方法A[5]。氣候老化測試用氙燈光源的自動老化儀進行,耐老化循環包含(或不包含)200 個循環的機械疲勞老化。


硅酮密封膠樣品在前兩個耐老化循環中無明顯降解現象。兩個硅酮改性密封膠在第一個耐老化循環中都出現了一定程度的粉化現象,但最終還是通過了三個耐老化循環。而單組分的聚硫膠盡管出現了中度的粉化和裂紋, 也通過了三個耐老化循環;不做機械疲勞循環測試時,雖然有嚴重的粉化和開裂, 雙組分聚硫膠還是通過了前兩個循環,在第三個循環時失敗; 包含了機械疲勞循環測試時,在第二個循環時就失敗了。無論是否包含機械疲勞循環測試,單組分聚氨酯膠都通過了三個耐老化循環,有一些粉化,但沒有明顯的開裂;而雙組分聚氨酯膠在第一個耐老化循環時就出現嚴重的粉化和開裂,如果表面有噴涂涂料時,能通過第一個循環,但無法通過第二個循環。雙組分固化丙烯酸膠通過了三個耐老化循環, 無論表面是否有涂料保護;水性丙烯酸膠則最多只能通過無機械疲勞測試的第二個耐老化循環,無論是否有涂料保護。

基于以上的測試結果,驗證了此耐老化評估方法的可行性;今后的研究將著重于驗證耐老化測試和室外實際老化之間的對比參照性。


4 總結

兩個研究都驗證了RILEM 耐老化測試方法能夠區別產品的抗老化性能,且測試樣品的失敗和外觀變化都和產品實際使用過程中出現的老化情況類似,因此是一種值得信賴的建筑密封膠加速耐老化評估方法。另外,雖然兩個研究中的密封膠產品不同,難以直接對比,但是可以看出使用氙燈源老化比采用熒光燈燈源老化的加速老化效果明顯;在兩個研究中機械疲勞循環都能加速密封膠的老化。最后,動態養護可以用于模擬密封膠固化初期有位移的情況。


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