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建筑幕墙密封胶的加速耐老化测试方法研究
2019年01月01日    阅读量:36423    新闻来源:道康宁(上海)管理有限公司 王文开  |  投稿

1 简介

在过去的二十多年里,密封胶工业经历了高速发展及技术变革。一方面,出现了许多基于新聚合物、新固化体系和新配方的密封胶产品;另一方面,激烈的商业竞争迫使厂家大大缩短了产品开发周期。一些知名的密封胶,同一配方的产品已经销售超过二十年,而许多新产品还没有经受过足够时间的考验中国涂料在线coatingol.com。现在,要想对一个新产品确立可信赖的性能评价仍然需要通过长期的室外测试和项目现场的性能评估来获取。


为了缩短评估时间,可以使用不同的短期实验室老化测试方法,这些测试方法已经被获得一定的成功,但由于缺乏与产品实际的使用寿命直接关联性,同时也被建筑规范者所质疑。[1]因此,密封胶工业迫切地需要一种令人信服的测试方法能快速评测产品的性能。实验室加速老化试验是最可能在尽可能短的时间内对产品的长期性能进行评估的方法;但是,仍然需要整合这些测试方法并改善这些测试方法的准确性。人们都意识到提高密封胶产品的使用长期性的重要性。在国外,RILEM TC139-DBS, 在1991~2000 年期间对建筑密封胶的老化测试方法进行研究。本文将对此研究及老化测试方法进行介绍。


2 密封胶耐老化性能测试方法的开发

在密封胶的整个使用寿命期间,要持续地经受接口的机械拉伸变化和环境老化影响。导致密封胶接口失败的主要原因包括接口的循环位移、太阳光、温度变化(冷、热)和水汽(水)的影响。当然密封胶在使用过程中也需要承受许多其它因素的影响,例如:灰尘堆积、酸雨、清洗溶剂、微生物的滋生以及与其它建筑材料的相窖性等。[2]在研究开发密封胶耐老化性能测试方法时,我们必须集中考虑对密封胶老化产生影响的最主要因素,因此,选择被认为最主要的老化影响因素进行测试:阳光辐射、水汽、纬度和接口的位移。接口位移是影响密封胶老化的一个主要因素,在密封胶固化期间和完全固化后都有影响。


根据不同的密封胶接口类型,密封胶要承受不同程度的位移量。并且通常会同时承受不同位移作用力影响,甚至可能出现三个不同方向的作用力,如剪切力、拉伸力和压缩力的同时作用;而对不同基材接口,可能所承受的位移作用力速率也会不同;因此考虑到测试的实际可操作性及对密封胶接口最常承受的作用力,研究决定对测试的范围缩小,只进行位移循环拉伸测试,且此测试只针对弹性密封胶。此耐老化测试方法为:将被测试的密封胶施打于两块平行放置的基材中间制成样品,样品养护可以选择静态养护(无位移)或动态养护(有位移);然后将样品按照已设置的重复老化循环测试程序(光、热和水汽)和循环拉伸测试程序进行测试。


老化测试包括用人工气候老化仪器进行8 周的加速老化,可选择加做快速机械老化循环(默认:200 个循环),然后再按照IS09047[3](第8 节,第1 周)的要求,对样品根据一定的位移量进行热位移循环测试,参见图1。完成每一个老化程序后,将样品定伸至所需的比例, 查看样品外观、粘结性, 按照IS0 /DIS11600 的要求记录。以上的耐老化测试程序可以不断重复进行,具体的测试流程如图2。


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默认的测试参数和程序如下:

· 基材默认阳极氧化铝, 参见IS013640(IS01996)[4]。

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

·养护条件(A,BorC)-默认:A 参见IS011600。

·人造光源(xenon-arc,fluorescent UVA-340lamp) - 默认: 氙灯, 参见ISO4892 -1 -3(IS01998a)[6]。

·老化程序: 耐久性加速气候老化, 水汽条件(喷洒或浸泡),光源的温度,水汽温度,光照的时间和水汽循环默认值是氙灯/ 喷水, 氙灯/ 水浸泡和荧光灯UVA-340 / 喷水。

·快速老化循环(可选):包含疲劳循环,机械拉伸及耐老化循环,默认:200 个循环-参见JIS A l439(JISCl997);[7]。

·热机械循环(IS09047):机械拉伸及耐老化循环-默认值如测试程序所定。


3 耐久性老化测试结果

3.1 牛津布鲁克大学的研究(1999-2000)

最初的研究是由牛津布鲁克大学完成的,[8]选择了12 家厂家的15 种高性能的密封胶产品,其中5 种硅酮胶、4 种聚氯酯胶、3 种硅酮改性聚醚胶、2 种聚硫胶和一种溶剂型硅酮改性丙烯酸胶。测试基材采用IS0-DISl3640 规定的阳极氧化铝。所有样品均经过4 个耐老化循环测试。每一个耐老化循环包括8 周的荧光灯/ 冷凝人工老化测试和2 个IS09047 位移循环(4 天);在经过了4 个耐老化循环测试之后,并未达到想象中老化效果。因此在第4 个耐老化循环之后,决定增加了1000 个机械疲劳拉伸循环(±25%拉伸幅度,5 个循环/ 分钟)。测试结果显示了在以后的测试方法中增加机

械疲劳拉伸循环的可能性。图3 是样品经过测试后外观。


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经过前三个耐老化循环,硅酮胶表面表面基本无变化,第四次耐老化循环后,一些硅酮胶出现了少量的粘结破坏,主要是出现在应力最高的接口角部位置。这些硅酮胶,在附加的机械疲劳测试中加深了一些粘结破坏, 不同胶呈现不同的破坏程度。大体上来说,除了动态养护的样品胶体有轻微的变形, 静态养护和动态养护的样品性能基本无差别。耐老化测试对硅酮胶性能没有明显的影响, 无开裂、细裂纹和明显的变色出现。


经过测试聚氨酯密封胶出现了巨大的差别。除了不同的压缩形变,一个单组分的聚氨酯胶出现了明显的降解;另一个单组分聚氨酯胶接口出现了粘结破坏,变色和表面的细裂纹。其它两种双组分的聚氨酯胶在第一个耐老化循环后就出现了严重的变色, 在经历第二个循环后胶体出现了水泡和裂纹。胶体裂纹最终导致了密封胶在经历了机械老化后完全断裂了。


硅酮改性聚醚密封胶在前两个耐老化循环中并无太大变化,一个密封胶在第二个循环后出现表面裂纹,另两个密封胶承受住四个耐老化循环的考验,没有或仅仅有微小的粘结破坏。所有的硅酮改性聚醚胶经过机械疲劳测试都出现了粘结失败。单组分聚硫胶固化非常慢,在经过了三个耐老化循环后,仍有一些部分的胶未完全固化。由于这些胶未完全固化,这些未固化部分演变成胶体裂纹,在第二和第三个循环时就完全断裂了。


很明显,这些胶固化太慢无法承受幕墙装配接口的大位移和快速位移。双组分的聚硫胶表现相对更好,虽然在第二个循环时也出现了胶体裂纹,并在随后的循环中不断加深。硅酮改性丙烯酸密封胶表现的比其它改性胶更好。在前三个循环中并无明显降解,在第四个循环后,密封胶接口边缘出现一些粘结破坏;机械疲劳循环加大了粘结破坏区域。


总体来说, 牛津布鲁克大学的研究证实了RILEM 的耐老化循环测试方法能够区分产品的耐气候老化和机械老化性能。测试过程出现的破坏类型和胶体表面变化与实际应用过程的出现的情况相似。这个研究证实了密封胶最初的弹性模量并不能很好地表征密封胶的长期使用性能,显然,更重要的是在经历了老化后性能的变化(硬化、逆反应等)。动态养护降低了一些产品的老化性能,但却改善了其它性能。耐老化循环测试对大多数密封胶的产生老化降解效果比预期来的慢,而机械疲劳老化性能明显地加深了密封胶的降解。因此,RILEMTCl39.DBS 最终技术推荐文件中增加机械疲劳老化做为可选的测试项目加入到每一个耐老化循环中。


3.2 东京技术学院的研究(2001)

在RILEM 的耐老化测试方法研究之后, 日本密封胶工业协会进行了进一步的研究。这个研究由东京技术学院在横滨(Takana & Miyauchi 2002)组织开展的。[9]这个研究选择了11 种密封胶,包括了2 种硅酮胶,2 种硅酮改性聚醚胶,2 种聚硫胶,2种聚氨酯胶—都是一个单组分胶和一个双组分胶;一个硅酮改性聚丁基胶,一个双组分固化丙烯酸胶和一个单组分水性体系的丙烯酸胶。


双组分的聚硫胶采用的是一种新的聚醚/ 聚硫共聚物的异氰酸固化体系。样品基材采用的是根据IS0-DISl3640 规定的阳极氧化铝,所有样品都依据密封胶厂商的推荐施打了底涂液。双组分聚氨酯胶、双组分固化丙烯酸胶和单组分水性丙烯酸胶样品表面还喷涂了高弹性的涂料。所有密封胶样品的养护都按方法A[5]。气候老化测试用氙灯光源的自动老化仪进行,耐老化循环包含(或不包含)200 个循环的机械疲劳老化。


硅酮密封胶样品在前两个耐老化循环中无明显降解现象。两个硅酮改性密封胶在第一个耐老化循环中都出现了一定程度的粉化现象,但最终还是通过了三个耐老化循环。而单组分的聚硫胶尽管出现了中度的粉化和裂纹, 也通过了三个耐老化循环;不做机械疲劳循环测试时,虽然有严重的粉化和开裂, 双组分聚硫胶还是通过了前两个循环,在第三个循环时失败; 包含了机械疲劳循环测试时,在第二个循环时就失败了。无论是否包含机械疲劳循环测试,单组分聚氨酯胶都通过了三个耐老化循环,有一些粉化,但没有明显的开裂;而双组分聚氨酯胶在第一个耐老化循环时就出现严重的粉化和开裂,如果表面有喷涂涂料时,能通过第一个循环,但无法通过第二个循环。双组分固化丙烯酸胶通过了三个耐老化循环, 无论表面是否有涂料保护;水性丙烯酸胶则最多只能通过无机械疲劳测试的第二个耐老化循环,无论是否有涂料保护。

基于以上的测试结果,验证了此耐老化评估方法的可行性;今后的研究将着重于验证耐老化测试和室外实际老化之间的对比参照性。


4 总结

两个研究都验证了RILEM 耐老化测试方法能够区别产品的抗老化性能,且测试样品的失败和外观变化都和产品实际使用过程中出现的老化情况类似,因此是一种值得信赖的建筑密封胶加速耐老化评估方法。另外,虽然两个研究中的密封胶产品不同,难以直接对比,但是可以看出使用氙灯源老化比采用荧光灯灯源老化的加速老化效果明显;在两个研究中机械疲劳循环都能加速密封胶的老化。最后,动态养护可以用于模拟密封胶固化初期有位移的情况。


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