有机硅改性建筑外墙接缝防水密封胶的性能及适应性研究

摘要：传统用于建筑外墙接缝防水密封胶在酸雨产生的弱酸环境下承压能力差，因此设计一种有机硅改性聚氨酯密封胶，并对其性能和适应性进行研究。制备有机硅低聚物并调整聚氨酯多元醇的比例，化合成预聚体，实现有机硅改性聚氨酯，通过一系列分析可知，得到的产品形态结构为韧性断裂，具有很好的抗冲击性，从拉伸性能、抗冲击强度、粘接性能以及吸水率的变化的测试结果可知，其室温耐水性要好于70℃水中的耐水性，耐热性也优于纯聚氨酯。为验证其在弱酸环境下的承压能力，设计适应性实验，实验结果表明，弱酸环境下，有机硅改性密封胶比传统密封胶的承压能力提高了0.1101MPa。

关键词：有机硅改性;性能研究;适应性分析

中图分类号：TU57;TQ433.4+38

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）09-0010-05

0 引言

隨着建筑行业的高层化和预制化，显示出弹性密封胶的重要作用。有机硅密封胶的需求量约占建筑弹性密封胶的一半左右，有机硅材料是一种含有硅碳键的高分子材料，在分子结构中，硅原子与有机基团的碳原子相连[1-2]。有机硅自身的结构使它具有很好的耐热性、阻燃性和憎水性，因此可以将其作为建筑外墙接缝防水密封胶的主要原料。由于现代社会人类的活动会产生大量的有害气体，排放到大气中经过“云内成雨过程”形成PH<5.6的酸雨，传统的有机硅密封胶在这种酸性环境下的承压效果减弱，为了弥补材料的缺陷，本文对有机硅改性聚氨酯密封胶的性能和适用性进行研究，能够提高有机硅的附着力和耐化学药品性，从而扩大有机硅的使用范围。

1 有机硅改性建筑外墙接缝防水密封胶的性能研究

有机硅改性可以制成具有高强度和高刚性的胶黏剂，用于建筑外墙接缝防水具有非常好的性能。本文使用聚氨酯作为有机硅改性的材料，能够弥补有机硅机械性能的短板[3-4]。通过调整有机硅低聚物与聚氨酯多元醇的比例，获得性能更全面的胶黏剂。本文设计到的主要原料如表1所示：

用到的实验仪器主要有：控温磁力搅拌器、电子天平、真空干燥箱、扫描电镜（SEM）、红外光谱仪（IR）、旋转粘度计，此外还用到动态粘弹仪，主要用于固化体系动态热力学性能分析。

1.1合成有机硅改性密封胶

有机硅改性是利用聚氨酯含有羟基封端的羟烃基的特性，能够制取羟烃基硅油，并与有机硅低聚物中的的官能团（-NCO）经过一系列反应，将聚氨酯链段引入相应的有机硅低聚物结构中，增强有机硅的耐弱酸性，聚氨酯会生成的活性较强的端基，通过聚合与扩链的连锁反应，最终生成有机硅改性聚氨酯[5-6]。

首先制备有机硅低聚物，使用甲基三乙氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷和二苯基二甲氧基硅烷，加入一定量的蒸馏水，在温度为70℃条件下的回流装置中，经过不断的搅拌、回流反应4h，直至混合液中所有的物质都完全融合、不再有分层情况后，升温至90℃，使反应生成的醇类物质沉底蒸发，并在115-120℃条件下预熟化，即合成出含有不同烷氧基的有机硅聚合物待用[7-8]。其反应机理如图1所示：

图1中的R与R'为氧基，本文有机硅低聚物是在无溶剂的条件下化合生成的，工艺简单绿色环保，将生成的低聚物与聚酯多元醇、乙二醇、1，4-丁二醇在130-160下反应2-5h，通过置换反应制成预聚体，反应过程如图2所示：

经过上述化合过程后，去除低级醇等一些副产物，保证反应能够有效进行。有机硅改性聚氨酯反应是通过含有碳羟基的有机硅，与聚氨酯中的异氰酸酯基发生酯交换反应，达到改性目的[9]。最后脱醇得到聚氨酯预聚体，对其进行红外光谱分析，结果如图3所示：

从图3可以看出，在3475cm^-1是C-OH的缔和OH振动吸收峰，1735cm^-1处是酯基振动峰，这两处与聚氨酯和有机硅的谱图振动峰有偏移，说明已经成功发生了酯交换。将制得的有机硅改性聚氨酯放置于室温下固化，并研究其性能。

1.2 分析有机硅改性密封胶形态结构

得到固化后的有机硅改性聚氨酯后，需要对其进行一系列的性能分析，以了解产品自身的特性以及适用范围[10-11]。下图是产品放大500倍后的有机硅改性体系断裂面的扫描电镜分析图片：

从图4可以看出，产品断裂面的形态全部都是明显的韧性断裂，这说明生成的产品具有良好的抗冲击强度。

1.3 分析有机硅改性密封胶耐水性

将浇铸成型的产品浸泡在室温以及70。C的水中，放置一段时间后，分别测定浇注体拉伸性能、抗冲击强度、粘接性能以及吸水率的变化，拉伸性能主要包括拉伸强度和断裂伸长率[12]。拉伸强度的计算公式为：

式（3）中，A代表冲击能量，b为试样被冲击区域的宽度，单位以cm计算，h为试样被冲击区域的厚度。在室温水中随着浸泡时间的不同，拉伸强度变化与抗冲击强度的变化如图5所示：

上图5中的图（a）为随着浸泡时间不同断裂伸长率的变化，可以看出两种水温下有机硅改性后的伸长率都变化不大，但是在室温水中的断裂伸长率要好于70℃水中的断裂伸长率，上图5中的图（b）为随着浸泡时间不同冲击强度的变化，图（c）为随着浸泡时间不同拉伸强度的变化，两种水温下有机硅改性后的冲击强度与拉伸强度都变化不大，但是室温水中的冲击强度与拉伸强度都要好于70℃水。

粘接性能的主要是测试剪切强度，通过改变剪切温度来观察变化，变化如表2所示：

从表2可以看出，无论是室温剪切还是高温剪切，有机硅改性后浸泡在室温水下的剪切强度几乎没有什么变化，浸泡在70℃水下剪切强度稍有下降。

吸水率的测定步骤是：将浇铸成型的产品试样称重后放人去离子水中，分别于室温、70℃下浸泡在一定时间后取出，并快速擦干称重，通过下式计算吸水率[13-15]：

W1表示吸水前的样品重量，W2表示吸水后的样品重量。下表为有机硅改性密封胶在室温、70℃水中不同浸泡时间的吸水率：

从上表可以看出，随着浸泡时间的增加，在室温下的吸水率变化很微小，70℃水下的吸水率稍有增加。

综上所述，从浇注体拉伸性能、抗冲击强度、粘接性能以及吸水率的变化可以发现，有机硅改性后的室温耐水性要好于70℃水中的耐水性。

1.4 分析有机硅改性密封胶耐热性

为了研究有机硅改性密封胶耐热性，本文选择纯聚氨酯与有机硅作为参照，与本文制取的有机硅改性密封胶进行热失重测试，热失重曲线如图6所示：表4为热重分析结果：

根据热失重曲线与热重分析结果能够看出，有机硅改性密封胶与有机硅从失重10%到失重50%所对应的温度相差的比较少，但是大大高于纯聚氨酯的温度。有机硅改性后的初始热分解分度大约在309℃左右，主要脱出小分子杂质，因此失重比较小;约在356℃出现快速分解，是因为温度的升高，侧基被氧化，释放出CO和C02等，失重增大;601℃失重趋于平衡，形成以硅一氧键为主的结构，耐热性更高，使失重曲线趋于平缓。因此可以说明，有机硅改性密封胶与纯有机硅一样，都具有较好的耐热性，且耐热性好于纯聚氨酯。

2 有机硅改性密封胶的适应性实验

有机硅改性密封胶具有良好的耐水性、柔韧性、耐热性，为建筑外墙接缝防水的应用提供了基础。为了进一步验证本文合成的有机硅改性密封胶在弱酸环境下的有效性，模拟实际工程中建筑外墙接缝中密封胶的承压，进行承压能力的适应性试验。

2.1 试验方案

将模拟建筑外墙的混凝土试件对齐拼装，使内部形成接缝，利用本文制取的有机硅改性密封胶进行嵌缝，向其中注水，并使用传统的密封胶作为对照组。为了保证胶体的完全固化，在胶体填筑后自然养护20d左右，再进行弱酸环境下的承压实验。配置含有硫酸根、亚硫酸根、硝酸根等离子的溶液，模拟酸雨造成的酸性环境，设置实验中每级加压的时间间隔、施加的壓力和变位大小，具体方案如表5所示：

在这4种变位组合下，记录混凝土试件承受的压力，并观察混凝土试件有无渗水情况，当第一次出现渗水情况时，记录下压力，并将实验结果进行统计分析。

2.2 实验结果与分析

在上述环境下，得到的实验结果如表6所示：

从表6的实验结果可以看出，利用设计的实验装置可以对实际工程中外墙接缝中的密封胶承压情况进行模拟，得到的数据真实可靠，在组合2和组合3中，本文制造的密封胶能够承受较大的压力而没有发生渗水现象，在组合1和组合4中，本文产品能够承受的压力平均为0.4547MPa，传统的密封胶能够承受的压力平均为0.3446MPa，因此可以得出结论，本文制造的有机硅改性密封胶在酸性环境下的承压能力优于传统密封胶。

3 结语

在建筑外墙接缝中，需要使用防水密封胶进行嵌缝，确保建筑体良好的防水性能。但是现有的密封胶在酸雨这种弱酸环境下，承压性能较差，因此设计一种有机硅改性聚氨酯的密封胶。文中设计了改性密封胶的工艺，分析了其形态结构以及耐水、耐热性能，通过适应性分析的实验结果可知，弱酸环境下，有机硅改性密封胶比传统密封胶的承压能力提高了0.1101MPa，在分析过程中可知，外力的加压顺序以及变位方式会影响密封胶的承压能力，在探明其中规律后，密封胶的承压能力有可能进一步提高。

参考文献

[1]朱雪锋，张洪涛，周菊梅，等.装配式建筑用单组分硅烷改性聚醚密封胶的制备及其可涂饰性研究[J].有机硅材料，2019，33（05）：360-364.

[2]薛雪雪，赵颖，许小海，等.低模量装配式建筑单纽分硅烷改性聚醚密封胶的制备与性能分析[J].新型建筑材料，2019，46（ 04）：103-106.

[3]张铭芮，马兴元，赵昭，等.梳状有机硅共聚改性水性聚氨酯的制备与性能研究[J]中国皮革，2019，48（叭）：43-48.

[4]颜干才，杜年军.不同种类碳酸钙对硅酮密封胶密度及防水性能的影响[J].中国建筑防水，2018（ 10）：10-13.

[5]彭小琴，陈炳耀，姚荣茂，等，脱醇型低模量密封胶的制备与性能研究[J].化学与粘合，2019，41（06）：450-452.

[6]余晓桃，孙明辉，欧静，等.家电行业用缩合型RTV-2有机硅密封胶的制备[J].粘接，2019（5）：79-82.

[7]李步春，王小会，庞坤海，等.机械疲劳对单组分有机硅结构密封胶力学性能的影响[J].有机硅材料，2018，32（03）：196-200.

[8]毛祖秋，石红翠，张博，等.有机硅改性水性聚氨酯丙烯酸酯的制备及性能[J].聚氨酯工业，2018，33 （03）：13-16.

[9]王浩田，张军，李慧，等.有机硅密封胶粘接结构的拉伸疲劳及棘轮效应研究[J].中国胶粘剂，2019，28（05）：1-7.

[10]邓洁.缩合型有机硅密封胶在建筑中的应用专利技术分析[J].河南科技，2019（03）：61-64.

[11]苏高申，罗跃，李凡，等，水下固化弹性密封胶/纳米Si0—2复合材料的研制及性能[J].高分子材料科学与工程，2018，34（06）：171-178.

[12]许艳艳，张燕青，董鹏飞，等.硅改性聚醚密封胶和硅酮密封胶的耐高温性能研究[J].粘接，2019，40（03）：29-32.

[13]胡棚，张连英，马超，等.硅烷改性聚醚密封胶的耐候性能研究[J].中国胶粘剂，2019.28（12）：10-14+19.

[14]刘宇哲，自制高强度硅烷改性聚醚胶在汽车玻璃中的应用研究[J].粘接，2019，40（05）：114-117.

[15]王雷，严石静，麦裕良，等，新型偶联剂的合成及其在透明硅烷改性聚醚密封胶中的应用[J].广东化工，2018，45 （15）：6-7+15.

作者简介：郑永兰（1969-），女，汉族，青海西宁人，高级工程师，研究方向：工业与民用建筑、工程咨询。

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