影响硅酮结构胶寿命的老化因素和化解方法

影响硅酮结构胶寿命的老化因素和化解方法 来源:2012年会论文集 作者:崔洪 张海龙 张燕青 王晓红 日期:2012-5-29 页面功能 【字体：大 中 小】【打印】【关闭】【评论】摘要：硅酮结构胶作为结构粘结密封材料，在工程应用过程中大家非常关心其使用寿命。本论文通过实验方法检测了不同的环境因素和机械应力对硅酮结构胶老化前后粘结强度和粘接性的影响，并对比了不同的硅酮结构胶老化前后粘接强度的衰减速率。结果表明：不同的硅酮结构胶受到的不同环境因素和机械应力对其粘接强度和粘接性有不同的影响，而且老化前后密封胶性能的衰减快慢规律不一样；这些老化因素直接影响到硅酮结构胶的使用寿命。欧盟标准对硅酮结构胶的检测方法比较合理和科学，能够给出硅酮结构胶的使用寿命25年。关键词：硅酮结构胶 使用寿命 解决方法 欧盟标准本文由专家授权于中国幕墙网发表，未经许可严禁转载！前 言硅酮结构胶作为幕墙或其它结构粘结装配用材料，广泛用于板材与金属构架、板材与板材、板材与玻璃肋之间的结构粘结1,2。在整个幕墙结构系统中，板材、金属材料、玻璃材料的使用寿命较长，而硅酮结构胶作为有机高分子材料，它的使用寿命相对其它材料而言较低。因此，我们非常关心影响硅酮结构胶使用寿命的因素。硅酮结构胶的使用寿命与影响其老化的因素有关。它在使用过程中，不可避免要受到紫外线、热、机械应力等外界因素的影响3，使密封胶的内部发生物理或化学变化，性能变差，慢慢丧失其应起的作用。采用自然老化试验来衡量密封胶的使用寿命是最好的方法，但是试验周期长，环境条件无法控制，且每个地区的环境因素有所不同，各个影响因素无法分离研究，无法掌握老化的规律。要在短时间内完成测试是一件不可能的事情。因此，人们往往采用人工加速老化的试验方法在实验室中来评价密封胶的使用寿命。人工加速老化试验就是通过强化试验条件，加快老化进程，大幅度缩短测试周期，很快获得测试结果的方法。所以，在人工加速老化试验中，我们首先要知道材料在实际应用过程中对老化影响的因素，然后通过一系列综合的测试方法来模拟其在自然界中的影响因素，以此获得密封胶使用寿命的客观评价。欧盟标准ETAG 002结构密封胶装配系统技术审核指南和EN 15434建筑用玻璃-结构或抗紫外线密封胶在对硅酮结构密封胶的人工加速老化试验方法上比较多4,5。考察了硅酮结构胶在受到水-紫外线辐照、盐雾、酸雾、清洁剂、高温等环境因素方面的影响，在机械应力上，检测了拉伸试验、剪切试验、撕裂试验、机械疲劳、蠕变等力学性能方面的性能。在评价硅酮结构胶老化后的性能，不仅仅要求性能指标不小于某一值，而且还要求性能的衰减速率不能太快，要至少保持标准条件下性能的75%。本文针对硅酮结构胶在工程中的实际应用情况及其受到影响老化性能的条件，通过实验分析了对密封胶使用寿命的影响因素。结合欧盟标准对硅酮结构胶的检测方法，科学、合理来评价硅酮结构胶的使用寿命。1. 实验部分1.1 试验原料硅酮结构密封胶是从市场上取得的国内外知名企业生产销售的产品，然后按照标准试验条件进行养护。1.2 性能测试硅酮结构密封胶的性能测试按照GB 16776-2005、ETAG 002、EN 15434的检测方法进行测试。2. 结果与讨论2.1 影响硅酮结构胶使用寿命的因素2.1.1 环境因素对硅酮结构胶使用寿命的影响图1为硅酮结构密封胶的拉伸粘结强度与紫外光照射时间的关系。从图1中可以看到，硅酮结构胶固化后，在纯紫外光的连续照射下，在初始阶段， 最大拉伸粘结强度略有升高，然后下降。随后，随着时间的增加，其最大拉伸粘结强度基本保持不变。这说明了硅酮结构胶在纯紫外光的连续照射下其拉伸粘结性能变化不大。这是由于硅酮结构胶的主要基本组成为107硅橡胶（羟基封端聚二甲基硅氧烷），分子结构以硅-氧化学键为主，其化学键能比紫外光的能量大。所以，紫外光产生的能量很难打断硅氧化学键。这也是硅酮结构胶具有较长使用寿命的主要原因。图2为在水-紫外光共同作用下照射时间与硅酮密封胶寿命的关系。牌号1、2、3、4均为硅酮结构胶。从图2可以看到，在水与紫外光的共同作用下，硅酮结构胶体现出的寿命出现明显的差别。对于牌号4产品，在经过700小时的共同作用下，硅酮结构胶与基材就出现了粘结破坏；对于牌号3产品，只经过了300小时的时间，硅酮结构胶与基材就出现了粘结问题；而对于牌号2产品和牌号1产品，经过2500小时的作用，硅酮结构胶仍然能够保持其性能。结合图1和图2，这就说明了在硅酮结构胶在水和紫外光的共同作用下，不同产品的使用寿命就会出现巨大差异。因此，对于硅酮结构胶性能的考察，要从多方面进行。图3为在浸水的条件下浸泡时间与硅酮密封胶寿命的关系。牌号1、2、3、4均为硅酮结构胶。从图中可以看到，在水的连续作用下，牌号4产品仅仅经过7天的时间，硅酮密封胶与基材就出现了脱粘现象，不能够使用；对于牌号3产品，经过浸水63天的时间，硅酮密封胶与基材之间就出现了问题；而对于牌号2产品、牌号1产品，在水中浸泡13个月，密封胶仍然能够保持其良好的性能。这说明同为硅酮结构密封胶，但是抵抗浸水的时间是有很大差别的。2.1.2 机械应力对硅酮结构胶使用寿命的影响图4为不同牌号的硅酮结构密封胶在不用作用力下的拉伸粘结强度。硅酮结构密封胶用作在结构装配系统中时，是要承受各种作用力的。图4中硅酮结构胶是在标准状况下充分养护后进行的三项力学性能测试拉伸作用力、剪切作用力和撕裂作用力。黑色的柱状图代表硅酮结构胶受到的拉伸作用力，从图中可以看到，六种牌号的硅酮结构胶的最大拉伸粘结强度不一样，最低的如牌号4所示，为0.82MPa；最大的拉伸粘结强度为牌号5产品，为1.49MPa。对于硅酮结构胶受到的剪切强度和撕裂强度而言，最小的强度和最大的强度分别为牌号4和牌号5。但是对于同一牌号的硅酮结构胶，体现在拉伸强度、剪切强度和撕裂强度的大小上就不一样了。对于牌号1、2、4，最大的强度为拉伸强度；对于牌号5、6，最大的强度为剪切强度；对于牌号3，最大的强度为撕裂强度。这说明了不同的硅酮结构胶在最大粘结强度上体现出来所承受的作用力方式是不同的。图5分别为不同牌号的硅酮结构胶在标准条件下和高温条件下受到的剪切作用力。从图5中可以看到，硅酮结构胶在标准条件下不同牌号的密封胶体现出来的剪切强度大小不一样。经过高温剪切后，相对在标准条件下，剪切强度均有所降低，但是所降低的幅度大小一同。如牌号3、5、6产品的密封胶降低的幅度较大，而牌号1、2、4产品的密封胶降低的幅度较小。这说明了硅酮结构胶在不同条件下体现剪切性能是不一样的。2.2 解决硅酮结构胶使用寿命的办法硅酮结构胶在实际应用过程中受到的环境条件和机械应力非常复杂。因此，我们需要对影响其老化的因素进行综合的测试和分析。欧盟标准ETAG 002结构密封胶装配系统技术审核指南和EN 15434建筑用玻璃-结构或抗紫外线密封胶中对硅酮结构胶的检测项目非常多，而且具有合理性。具体体现在以下几点：2.2.1 密封胶产品的一致性鉴定方面欧盟标准增加了密封胶的红外光谱分析和热失重分析。通过红外光谱分析可以定性地检测出密封胶中是否添加了对其使用寿命有害的物质；通过热失重分析可以定量检测出密封胶中添加的低沸点物质的量多少。通过这两种方法的综合分析，可以对不同厂家牌号的产品区分开来，也可以检测出密封胶在投标过程和供货过程中是否使用的是同一牌号的密封胶产品。2.2.2 综合的环境因素对密封胶加速老化的检测方面欧盟标准在对密封胶老化的环境因素上检测内容的非常多，条件也非常苛刻。不仅仅有水-紫外辐照试验，而且在辐照时间上从国家标准的300小时提高到1008小时，并且紫外光的强度是国家标准紫外光强度的23倍，欧盟标准对水温的要求比国家标准高，而且控制范围更加严格。欧盟标准对密封胶受到的浸水实验环境检测也不一样。欧盟标准要求水为建筑清洁剂水溶液，而国家标准要求水为去离子水；对于水的温度要求上欧盟标准比国家标准高；并且浸泡时间上欧盟标准是国家标准的3倍。欧盟标准还增加了密封胶在使用过程中可能要受到的一些环境因素的影响，比如潮湿二氧化硫、盐雾、高温等环境对结构密封胶老化的影响。硅酮结构密封胶在二氧化硫环境中放置20个循环，然后测试其拉伸粘结强度，并要求其拉伸粘结强度与23时的最大拉伸粘结强度比值不小于0.75，内聚破坏面积不小于90%。硅酮结构密封胶在盐雾环境中放置480个小时，然后测试其拉伸粘结强度，并要求其拉伸粘结强度与23时的最大拉伸粘结强度比值不小于0.75，内聚破坏面积不小于90%。硅酮结构密封胶样品在100的高温环境中放置7天，然后测试其拉伸粘结强度，并要求其拉伸粘结强度与23时的最大拉伸粘结强度比值不小于0.75，内聚破坏面积不小于90%。欧盟标准对硅酮结构密封胶的环境检测要求如表1-1所示。2.2.3 复杂的受力对密封胶加速老化的检测方面欧盟标准不仅检测了国家标准对硅酮结构密封胶的物理力学性能的要求，而且增加了硅酮结构密封胶在使用过程中会受到的剪切、撕裂、机械疲劳、蠕变等作用力对其性能老化的影响。在硅酮结构密封胶初始机械性能上。对于拉伸粘结性能，欧盟标准与国家标准对其性能评价也不一致。欧盟标准要求密封胶非标况下的力学性能与23时的最大拉伸强度比值不能够小于0.75，内聚破坏面积不小于90%。并且增加了硅酮结构密封胶的剪切粘结强度。具体技术指标要求见表1-2所示。硅酮结构密封胶自身的抗撕裂性较差，欧盟标准中人为的在密封胶的试样两端切开一个撕裂口，然后评价其力学性能，技术指标要求见表1-3所示。而且，欧盟标准还考察了硅酮结构密封胶受到机械疲劳之后的拉伸粘结性，共进行5350次拉伸循环后评价其力学性能，技术指标要求见表1-3所示。欧盟标准还考察了硅酮结构密封胶长期剪切和循环拉伸下的蠕变性能，技术指标要求见表1-3所示。2.2.4. 对密封胶老化后的力学性能判定方法上欧盟标准是依据硅酮结构密封胶力学性能的衰减率来衡量密封胶的性能好坏。用这种方法来评价硅酮结构密封胶的使用寿命非常合理，具有科学性。而国家标准仅是依靠硅酮结构密封胶的力学性能不小于某一恒定值，没有考虑到密封胶的力学性能衰减的问题，也就不能够很好地评价密封胶的使用寿命。图6为老化试验前后硅酮结构胶拉伸粘接强度的变化。纵坐标为拉伸粘结强度的保持率，为密封胶老化的强度与标况下的强度之比值，样品1为不仅符合国家标准、而且还符合欧盟标准要求的硅酮结构胶，样品2为符合国家标准要求的硅酮结构胶。从图中可以看到，样品1经过不同的加速老化试验，密封胶老化后的粘结强度均有下降，经过撕裂作用力后下降的幅度最大，但是仍然能够保持标准状况下的79%左右。样品2经过老化后粘接性下降幅度出现较大的差别，下降幅度最小的为拉伸后的性能，能够保持原来的83%；下降幅度最大的为撕裂性能，只有原来性能的42%；而其它条件下老化后的性能保持率也大小不一样。这说明不同的硅酮结构胶，在经过加速老化试验后性能衰减快慢有很大的差别。性能衰减快慢与密封胶最终的使用寿命有着直接的关系。因此，要全面评价密封胶老化的试验方法以及老化前后性能衰减的快慢。如果硅酮结构胶能够符合ETAG 002结构密封胶装配系统技术审核指南和EN 15434建筑用玻璃-结构或抗紫外线密封胶对它的检测要求，再加上科学合理的硅酮结构胶施工技术规范，那么它的使用寿命可以达到25年。3 结论总之，硅酮结构胶作为有机高分子材料，其使用寿命受到很多因素的影响。不仅受到使用过程中不同环境因素的影响，而且还受到复杂机械应力的影响。用老化前后的粘接强度衰减速率来考察密封胶的使用寿命是非常合理和科学的。欧盟标准ETAG 002和EN 15434在对硅酮结构胶老化性能检测上考虑的比较齐全，道理充分。它是评价硅酮结构胶使用寿命的非常好的检测方法。参考文献1 黄小坤，赵西安，姜清海等主编，玻璃幕墙工程技术规范，北京：中国建筑工业出版社，20032 马启元，刘武强，张德恒等主编，建筑用硅酮结构密封胶，北京：中国标准出版社，20063 Mendelsohn M. 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