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建筑设计师如何选用硅酮密封胶

发布:ycmuhaoz 浏览:1754次

建筑设计师如何选用硅酮密封胶


(河南富硅科技有限责任公司)


 

有机硅材料是一类性能优异、功能独特、用途极广的新型材料,为化工新型材料中产业


规模最大的行业之一,有机硅聚合物是含有硅元素的众多高分子化合物的总称,因主链以硅


氧键(-Si-O -)组成,侧链带有有机基团,兼具无机和有机聚合物的双重性能,性能独特。


有机硅材料因具有电气绝缘、耐辐射、阻燃、耐腐蚀、耐高低温,以及生物相容性好等优良


特性,使其在航天、航空、汽车、战车、舰船、建筑、电子、电气、纺织、造纸、医疗卫生、


食品、日用化学品等有着广泛的应用。可以说,有机硅材料是一种关系着高新技术、国防现


代化、国民经济及人民生活水平的新材料。室温硫化硅橡胶俗称硅酮密封胶,是有机硅材料


的一种,作为一种常用的建筑密封胶,其市场需求也随着人民生活水平的不断提高而越来越


大,其规格、品种、质量也进一步增加和提高。由于硅酮密封胶的种类繁多,使用的部位与


要求也纷繁复杂,因此许多建筑设计师对怎样选择合适的硅酮密封胶深感困惑。本文主要针


对各种硅酮密封胶的不同用途,设计师如何选择使用硅酮密封胶,以及使用过程中所遇到的


问题作相应的概述。


1.按使用部位选择硅酮密封胶


一般而言,大多数硅酮密封胶是按照应用部位不同而命名的,例如幕墙用硅酮结构密封


胶、石材用硅酮密封胶、采光顶用硅酮密封胶、混凝土板块接缝用硅酮密封胶、门窗用硅酮


密封胶、中空玻璃用硅酮密封胶等等。下面重点讨论一下如何按照应用部位不同来选择不同


的硅酮密封胶。


1.1 结构装配部位


1.1.1 普通幕墙的结构装配


建筑幕墙通常由面板(玻璃、铝板、石板、陶瓷板等)和幕墙的支承结构(铝横梁立柱、


钢结构、玻璃肋等等)组成。采用各种幕墙作为外围护结构的建筑物,一般都是主体框架结


构的建筑物,在幕墙结构设计中,幕墙的支承结构(龙骨)和主体框架结构之间,通常采用


角铁等钢性连接,而支承结构和幕墙面板板块之间,按 JGJ102《玻璃幕墙工程技术规范》


规定必须采用硅酮结构密封胶柔性连接。在这个部位上的硅酮结构密封胶必须达到国家强制


标准 GB 16776《建筑用硅酮结构密封胶》的要求,需要承受多种荷载,并保证对幕墙面板


长久的粘结性,绝不允许有脱落现象发生,一旦硅酮结构密封胶出现问题,有可能造成幕墙


面板从天而降的危险。硅酮结构密封胶自身强度大、韧性高,在高低温、浸水或紫外光照射


 


的各种苛刻条件下依然保持良好的力学性能,能够在几十年的时间内满足使用要求。


1.1.2 更高要求的幕墙结构装配


高层和超高层幕墙、大分格玻璃幕墙、复杂结构玻璃幕墙、使用夹层中空玻璃的幕墙、


抗震 9 度设防地区的玻璃幕墙对硅酮密封胶提出了更高的要求。上述几种情况下,硅酮结构


密封胶承受的荷载均可能较常规幕墙大,如果遇到几种情况的组合,按照现有规范进行设计


计算,硅酮结构胶宽度必然大大增加,严重时会影响幕墙的视觉效果,更会由于面板基材的


耗费量增加而增加幕墙的建造成本。因此,在这样的部位需要使用高性能硅酮结构密封胶,


这种硅酮密封胶的拉伸强度和断裂伸长率都较普通的硅酮结构密封胶高,在同样粘结宽度情


况下可以承受更大的荷载作用,更适合于这种特殊要求的玻璃幕墙。


1.1.3 更高消防安全要求的幕墙结构装配


在人口稠密或公众场合等特殊建筑中,对消防安全的要求级别更高,需要使用阻燃性更


好的建筑材料,这样的结构装配部位就需要采用阻燃硅酮结构密封胶,根据阻燃需求的不同,


阻燃密封胶可以达到 FV-0、FV-1、FV-2 级等,但我们建议设计师选择阻燃级别最高等级 FV-0


级的阻燃密封胶。


1.2 建筑幕墙面板接缝部位


建筑幕墙面板与面板之间伸缩缝需要硅酮密封胶进行填缝密封,这样的密封胶俗称为硅


酮耐候密封胶。填缝用密封胶虽然不需要承受幕墙面板的各种荷载,但需要承受由风载荷、


基材随温度变化热胀冷缩产生的变形而引起的位移,不仅仅需要密封胶有一定的力学强度,


更重要的是需要耐候密封胶具有很好的抗位移能力,也就是说,在处于拉伸或压缩情况下仍


然能够保持密封胶的粘结性不破坏;也要有较好的弹性回复率,当面板位移消失后能够很好


地回复到原状。因此,接缝用耐候密封胶和结构用密封胶属于用途不同的两种产品,不能够


不加区别地使用,接缝用耐候密封胶需要参照标准 JC/T 882-2001《幕墙玻璃用接缝密封胶》。


1.3 石材面板部位


石材面板部位使用的密封胶,必须采用专用的石材密封胶。专用的石材硅酮密封胶一般


分为两种,石材填缝用硅酮密封胶和干挂石材弹性硅酮密封胶,石材填缝用硅酮密封胶一般


用于石材幕墙工程石材板块间的填缝密封,类似于上述耐候硅酮密封胶。而干挂石材用硅酮


密封胶一般用于石材和金属挂钩之间的粘结密封。玻璃、石材、彩钢板的表面结构均不相同,


表面能也不一致。如果使用耐候密封胶,就会给石材幕墙带来渗透污染的隐患。例如:石材


幕墙所用的石材是天然材料,不同产地、不同品种的石材在成份、结晶形态、微观结构上存


在很大的差别。石材本身是一种多孔性的材料(如大理石、石灰石、砂石、花岗石等)易受


 


污染,且污染后难以清洁。一般的耐候密封胶中含有增塑剂(油)等非反应性低分子物质,


待密封胶硫化后会从胶层内部迁移至表面而被石材所吸收,在石材表面出现油污和吸尘,造


成污染石材。因此,应用在石材上的硅酮密封胶必须选用专门的石材用硅酮密封胶,而且在


使用前必须作石材与密封胶的污染性测试。石材填缝用硅酮密封胶需要参照标准 JC/T


883-2001《石材用建筑密封胶》。


有人认为,结构用硅酮密封胶比石材用硅酮密封胶昂贵,因此,将结构用硅酮密封胶用


于石材上也许会有更好的密封效果,其实,这些观点都是不太正确的,硅酮结构密封胶主要


强调了它本身的强度和粘结性,不能保证对石材无污染。石材用接缝用硅酮密封胶主要强调


有较好的变位能力和对石材的无污染性,所以不能相互替代。


干挂石材幕墙,过去常用刚性环氧类石材干挂胶,在实际工程中也容易出现问题。由于


石材、干挂胶、钢挂件都是钢性材料,它们各自的热膨胀系数都不一样,容易造成石材开槽


处被涨裂(一般是比较细小的裂痕)。建筑物震动时,也完全将应力传递给石材面板,由于


石材本身的脆性,受力点很容易被震裂。如果采用弹性干挂胶,在石材和挂件同时发生不同


程度的膨胀或收缩时,弹性的干挂胶就可以吸收这两种材料之间的变位应力,避免石材开裂


现象的发生。目前硅宝公司生产销售的“弹性石材干挂胶”,使用效果良好。


1.4 采光顶部位


采光顶部位用胶,不仅要求密封胶透明度好,美观大方,对采光顶基材如玻璃、聚碳、


有机玻璃有优异的粘结性,对基材无污染,而且还对密封胶的模量及位移能力提出了更高的


要求。由于采光顶的荷载与幕墙的荷载不一样,采光顶由于自身重量荷载、雪荷载、风荷载、


不对称荷载等引起的变位及采光顶屋面材料和支撑材料的热胀冷缩引起的变位,使采光顶的


变位大而且复杂。不但有水平的位移,还有剪切位移,特别当使用 PC 基材时,由于 PC 板


的热胀冷缩倍数很高,一般是玻璃的 6-7 倍。这就要求密封胶具有低模量、高位移能力,这


样的密封胶的随从性才好,当有应力或变位产生时,密封胶能自由的伸缩,不会对采光顶整


体结构产生影响。如果使用高模量密封胶,当受到拉伸时,因其模量高,胶体本身内聚力大,


胶与基材粘结面受两边拉力影响,容易引起粘结破坏,导致采光顶漏水;当受到压缩时,因


其较硬,材料本身所受的压力大,会对采光顶整个结构的应力应变产生影响。因此,在设计


采光顶用硅酮密封胶时,不仅仅需要对胶的透明度有所考虑,更重要的是需要一种低模量高


伸长的硅酮密封胶。最好使用 50 LM(50 低模量级)的密封胶,50 LM 的硅酮密封胶也就是位


移能力 50%、标准试验条件下 200%定伸拉伸模量小于 0.4Mpa 的硅酮密封胶。


1.5 门窗之间的部位


 


现代建筑门窗大多是彩色铝合金门窗,彩色铝合金门窗的铝合金与玻璃之间的缝隙要使


用一种可室温固化的密封胶填充,待密封胶固化完全后,玻璃和铝合金通过密封胶粘结形成


整体,密封性好,还可以防水。市面上门窗用密封胶有很多种,如聚丙烯酸酯密封膏、氯丁


胶、聚氨酯胶、硅酮胶等等。聚丙烯酸酯密封膏不管是对彩色铝合金还是对玻璃,都只有简


单的附着力,没有形成粘结整体,受外力后粘结破坏面积几乎为 100%。在使用过程中,彩


色铝合金门窗受热胀冷缩的影响,在风力、重力等载荷的作用下一定会产生位移,这种位移


容易使对基材没有强粘结的聚丙烯酸酯密封膏与基材的粘附界面破坏。因此,使用一段时间


后,聚丙烯酸酯密封膏与彩色铝合金及玻璃之间就发生脱离,失去了密封防水的作用。氯丁


胶是将分子链柔性大、常温下呈橡胶态的高聚物溶入有机溶剂中,并加入填料制得。这种密


封胶施胶后随着有机溶剂的挥发,放出大量有害气体,对环境造成很大影响,大大损害了施


工人员的健康。在固化过程中,密封胶与墙体及门窗体都不发生化学反应,密封胶自身也不


发生任何反应,没有形成交联网状结构,固化后高分子材料的粘弹性就明显体现出来,表面


易发粘,容易吸收大量灰尘,严重影响美观。所以,在设计门窗用密封胶时,选用硅酮密封


胶是较合适的。因为在其固化的过程中,门窗用硅酮密封胶中的偶联剂与铝合金或玻璃表面


的活性基团发生化学反应,结合成牢固的化学键,一般而言,受外力破坏后,门窗用硅酮密


封胶与基材的粘结面几乎没有破坏。铝合金门窗的热胀冷缩、风力、重力等荷载基本上不会


对它的密封性能造成影响,起到长久的密封、防水作用。虽然在价格上,门窗用硅酮密封胶


的确比聚丙烯酸酯密封膏和氯丁胶贵,但随着社会的发展,人们对建筑的品质和美观要求越


来越高,这种优秀的产品已经越来越广泛地作为门窗胶应用到实际工程中。


2.按变位要求选择适合模量的硅酮密封胶


2.1 根据实际变位选择不同模量的密封胶


除硅酮结构密封胶而外,设计接缝用密封胶时大多都要考虑密封胶模量的问题,如前面


所述硅酮耐候胶、石材胶、采光顶胶等等,如何按照不同的模量设计密封胶也是比较值得探


讨的。错误的观点认为接缝用硅酮密封胶的级别越高越好。这种认识的误区造成了工程中不


必要的浪费。接缝用硅酮密封胶的级别越高,其生产成本相应增高,造成产品的价格较高,


实际造价也会水涨船高。例如:以 1 片 2000mm×1000mm 的铝塑复合板为例,其热膨胀系


数约为 23.2× -6mm/mm/℃,当材料表面的温差为 70℃时,可以按公式(1)计算出铝塑板因10


温差产生的位移。


热胀冷缩产生的位移=铝板长度×铝料热膨胀系数×温差


(1)


 


=2000×23.2× -6×10 70


=3.25mm

若已知设计的伸缩缝宽度和热胀冷缩产生的位移量可以按公式(2)计算出所需要密封胶的位移能力。

最小的缝隙宽度=热位移×(100/密封胶位移能力)假设本例接缝设计宽度为 13mm,则13mm=3.25mm×(100/密封胶位移能力)计算得知所需硅酮密封胶的位移能力为±20%,即是 20 级的接缝密封胶。选择满足 JC/T884-2001《彩色涂层钢板用建筑密封胶》标准中的 20 级的彩色钢板用耐候胶就可满足实际要求,模量根据需要选择。在本例中,如果选择 25 级耐候密封胶,则比 20 级的耐候密封胶在工程造价上会有所提高。

2.2 接缝宽度对密封胶的影响错误观点认为,幕墙面板伸缩缝的缝宽对密封胶没有任何影响,密封胶的模量选择主要应考虑基材的热胀冷缩系数,因此在建筑设计时对缝宽设计比较随意。有的则是在幕墙工程施工的过程中,由于工人粗心大意,不注重尺寸精度,对缝宽把握不好,将本来设计的较宽的伸缩缝变得较窄,而将较窄的伸缩缝变为较宽。事实上,幕墙的伸缩缝宽对接缝用密封胶使用效果有非常大的影响,举例来说,幕墙面板在热胀冷缩的情况下变位为 3 mm,设计伸缩缝宽为 6 mm,那需要接缝用密封胶达到 50 级产品要求;若设计伸缩缝的宽度为 12 mm,则同样幕墙面板需要接缝用密封胶达到 25 级产品要求;若设计伸缩缝的宽度为 15mm,则同样幕墙面板需要接缝用密封胶达到 20 级产品要求。因此在设计中,不能忽略接缝宽度的设计,在施工中也需要精确掌握施工精度,不能随意增加,特别是不能随意减小接缝的宽度,否则很容易造成密封胶被拉裂的情况。在一些幕墙工程面板接缝处硅酮密封胶被拉裂,不能武断地断定使用了劣质的产品,而要仔细分析面板接缝宽度是否合理,面板热胀冷缩产生的位移是否已经超出了密封胶所能承受的极限。

3.施工时应注意的事项

硅酮密封胶按包装组分可分为单组份硅酮密封胶和双组分硅酮密封胶,由于受施工条件的限制,只有单组分硅酮耐候密封胶适用于现场施工,本文主要讨论单组分硅酮密封胶施工时应注意的事项。单组分硅酮耐候密封胶的固化原理为:吸收空气中的水蒸气后进行水解交联反应。这就决定了单组份硅酮密封胶由外至内缓慢固化。固化速度主要取决于温度、湿度和水蒸气的渗透速度,单组分硅酮密封胶按国家标准 GB 16776 要求需要养护 21 天才能达到

最大粘接强度;未完全固化的单组份硅酮密封胶的弹性恢复率、定伸粘结性均未达到标准要求的范围,在此期间受外界环境因素变化的影响很大。如果外界环境因素变化太大,可能引起密封胶的表面外观不平整,甚至引起粘结破坏的问题。因此,单组份硅酮密封胶施工时要求材料表面干燥、清洁,施工环境温度适中。

单组份硅酮密封胶在实际施工中应值得关注的几个事项:

1. 泡沫棒的施工。

单组分硅酮密封胶作接缝密封用都必须使用泡沫棒作衬垫,以避免三面粘结的情况发生和有效地控制施打密封胶的深度,同时可以让密封胶注射入接口后能刮出正确的接口形状,因为当接口的形状呈沙漏状时可发挥出最佳的位移能力。泡沫棒应选用闭孔型聚乙烯类或开孔型聚氨酯类。泡沫棒在施工时如未按规范施工,可能造成密封胶固化初期的表面外观不平或起泡现象。例如:安装泡沫棒时用尖锐物体戳破或擦破闭孔性泡沫棒后,当施打完密封胶后,泡沫棒内的气体膨胀、放气,而此时密封胶只是表面外层固化而未完全硫化,表面层被气体向外顶出,密封胶表面就会出现起泡现象。如图1 所示。

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图 1 密封胶的起泡现象

此外,施工安装时选择的泡沫棒太大,或者被拉得太紧时,施打密封胶后,泡沫棒回缩过程中会拖动密封胶,则会出现不规则的长条状向外凸出的胶体表面。

2. 表面清洁

获得很好的密封胶粘结性的一个关键就是有一个干净的材料表面。材料表面是密封粘接

的关键之处,但往往是最容易被忽视的。无论何种材料表面,在现场施工时都会粘染不清洁的物质,如油污、脱模剂、灰尘、指纹、水气或保护胶带膜去除后残存的物质等等。这些物质在施打密封胶前都应用溶剂进行清洗干净,但并不是每种溶剂都可以有效地清除每一种污染物,有些溶剂的使用可能会严重地损坏某种材料的表面,所以正确的选择使用溶剂对粘结性材料来说是表面处理要求的一部分。对于一些非多孔性的材料如:玻璃可用异丙醇(IPA)、

丁酮(MEK)清洗;铝材可用丁酮、丙酮清洗;粉末喷涂的表面大多数都用保护膜保护,

用乙酸乙酯清洗效果最佳。彩色喷涂面可参照粉末喷涂铝料施工。但对于多孔性材料如大理石、花岗石等石材根据表面条件的不同,有的表面需要打磨清洁,有的需要溶剂清洗或两者都要。打磨清洁法包括抛光、锯除、喷沙或高压水冲洗,机械打磨或这些方法的综合,若打磨后表面还是脏的,就必须使用“二块抹布”清洁法清洁,多孔性材料在清洁的过程中可能会吸收溶剂或底涂,必须等溶剂完全挥发掉,方可施打密封胶。清洗溶剂也可以根据不同的季节进行选择。其中 IPA 和 MEK 可溶解在水中,所以非常

适合在冬天使用,它能有效去除基材表面的冷凝水及结霜。甲苯和二甲苯不能溶于水,故较适合于夏天使用,但有一定的毒性。

3. 施工温度

硅酮密封胶一般在 5~40℃范围内施工。基材表面温度过高(50℃以上)时不能施工。

此时施工可能造成硅酮密封胶的固化反应速度过快,产生的小分子物质来不及迁移出胶体表面而在胶体内部聚集形成气泡,从而破坏胶缝的表面美观。温度过低,硅酮密封胶的固化速度会越慢,固化过程会显著延长,在这个过程中材料可能受温差影响产生膨胀或收缩,挤压密封胶变形引起外观走形。

温度低于 4℃时,基材的表面容易结露或结冰、结霜等,为粘结带来很大隐患。但如果注意对结露、结冰、结霜的表面清理干净,作好一些细节的把握,也是可以正常打胶施工的。

前面已经谈到,材料表面清洁是密封粘接的关键之处,基材在打胶之前必须用溶剂清洗干净,然而,清洗溶剂挥发后会带走大量热量,使基材表面的温度瞬间低于环境温度,在处于温度较低的环境中时,容易使周围的水分凝结到基材的表面,这少量的水分施胶工人是很难察觉得到,按照正常情况施胶,就很容易造成粘结失败,密封胶与基材的脱离。避免出现类似情况的方法就是,用溶剂清洗基材后立即用干布条再清理一遍,凝聚的少量水分也会被布条擦干,再立即施胶就比较稳妥。

温度引发的材料热胀冷缩现象发生的位移量太大时不宜施工。此时施工将造成接缝在耐候密封胶固化过程中始终朝一个方向运动,一直处于拉伸或压缩状态,结果会使固化后的耐候密封胶内部应力很大,并可能超过设计时的位移能力而造成内聚或粘结破坏。

4.硅橡胶使用中易出现的问题及分析

4.1 起泡现象

硅橡胶施胶后由于一些原因会引起的起泡现象,气泡不但影响密封胶的美观,还会在一定程度上降低密封胶的力学性能。一般而言,密封胶起泡有空心泡和实心泡两种,形成空心泡的原因主要有:①注胶时接缝处潮湿,有时泡沫棒潮湿也会起泡;②硅胶未硫化前在阳光下暴晒;③基材表面温度过高;④不连续或胶枪的移动速度与出胶速度不一致,生成施胶不均匀,容易裹进部份空气,形成空心泡;⑤泡沫棒释放气体。胶缝宽度和泡沫棒直径比太小而不易塞入,施工人员在操作时用锐利的器具强得塞入,造成闭孔性泡沫棒表面破裂。施胶完成后,闭孔性泡沫棒释放气体形成空心。形成实心泡的主要原因有:①泡沫棒过长或拉得太紧垫入胶缝。施胶完成后未完全硫化时,泡沫棒应力回缩至初始状态,拉动耐候密封胶回缩引起凹凸不平的实心包;②施工中刮平不当造成。这种状况多在白色或浅色耐候密封胶中出现。刮平过程中采用平缝处平整度不够,当阳光直射时反光,略似凹凸不平的现象。

4.2 起鼓现象

除气泡现象而外,密封胶在固化后容易产生起鼓现象,也影响了密封胶的美观,造成起鼓现象的主要原因有:①温差大,接口热胀冷缩使板块位移规律滑移。这种情况多数在铝塑板幕墙中容易出现。铝塑板是线膨胀系数较大的材料,特别是北方的春、秋两季昼夜温差较大,温差有时可能高达 50~60℃,铝塑板的热胀冷缩愈加明显,使得未硫化完全的硅胶受拉伸、压缩而起皱形成棱状纹路,从而密封胶表面出现凹凸不平。②风力的影响。我国大部份都是处于季风区,高层建筑由于受到风载荷作用,出现摇摆振动现象。幕墙板块结构位移而挤压胶缝接口,如果接口上的密封胶未完全硫化,就会随板块挤压而凹凸不平呈规则性起鼓。


4.3 开裂现象

起泡和起鼓影响密封胶的美观,对使用性能不会产生影响,而密封胶出现开裂现象,不但不美观,而且大大影响密封使用性能,会出现幕墙漏水或粘结失败的恶劣后果,引起密封胶开裂主要由于:①选型不对,作为接缝用的硅酮密封胶按照标准有 20HM、20LM、25HM、25LM 等多种型号。不同型号的硅酮密封胶在实际中有不同的位移量,如果设计时位移量大,应选用低模量、高弹性的耐候密封胶,如果选用高模量、低弹性的耐候密封胶就会造成内聚力太大而开裂;②基材清洁度不够,硅酮密封胶硫化后因表面清洁度不够造成粘结强度低,位移形变时因粘结强度差而从表面脱落开裂;③密封胶本身的原因,选用了劣质的密封胶,一些厂家在密封胶制作过程中为了降低成本往往使用了过多的填料以及一些廉价未处理的填料,有的添加了过量的增塑剂等等,这样制作得到来的劣质密封胶使用过程中很容易开裂。

5.结论

由此可见,如何选择硅酮密封胶总结为以下几点:

(1)需要按照密封胶应用的不同位置选择适当的硅酮密封胶,不能混用,乱用,不同的部位需要不同性能特点的密封胶。

(2)需要按照设定变位来选择相应模量的密封胶,不是模量越大越好,选择合适模量

的密封胶才能达到良好的使用效果。

(3)密封胶施工过程中应该尽量注意泡沫棒的安装、基材表面清洁以及施工温度环境

是否符合要求。

(4)密封胶使用后出现的起泡、起鼓、开裂现象,应该具体问题具体分析,找出解决

办法。