有機硅改性建筑外墻接縫防水密封膠的性能及適應性研究

摘要：傳統用于建筑外墻接縫防水密封膠在酸雨產生的弱酸環境下承壓能力差，因此設計一種有機硅改性聚氨酯密封膠，并對其性能和適應性進行研究。制備有機硅低聚物并調整聚氨酯多元醇的比例，化合成預聚體，實現有機硅改性聚氨酯，通過一系列分析可知，得到的產品形態結構為韌性斷裂，具有很好的抗沖擊性，從拉伸性能、抗沖擊強度、粘接性能以及吸水率的變化的測試結果可知，其室溫耐水性要好于70℃水中的耐水性，耐熱性也優于純聚氨酯。為驗證其在弱酸環境下的承壓能力，設計適應性實驗，實驗結果表明，弱酸環境下，有機硅改性密封膠比傳統密封膠的承壓能力提高了0.1101MPa。

關鍵詞：有機硅改性;性能研究;適應性分析

中圖分類號：TU57;TQ433.4+38

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0010-05

0 引言

隨著建筑行業的高層化和預制化，顯示出彈性密封膠的重要作用。有機硅密封膠的需求量約占建筑彈性密封膠的一半左右，有機硅材料是一種含有硅碳鍵的高分子材料，在分子結構中，硅原子與有機基團的碳原子相連[1-2]。有機硅自身的結構使它具有很好的耐熱性、阻燃性和憎水性，因此可以將其作為建筑外墻接縫防水密封膠的主要原料。由于現代社會人類的活動會產生大量的有害氣體，排放到大氣中經過“云內成雨過程”形成PH<5.6的酸雨，傳統的有機硅密封膠在這種酸性環境下的承壓效果減弱，為了彌補材料的缺陷，本文對有機硅改性聚氨酯密封膠的性能和適用性進行研究，能夠提高有機硅的附著力和耐化學藥品性，從而擴大有機硅的使用范圍。

1 有機硅改性建筑外墻接縫防水密封膠的性能研究

有機硅改性可以制成具有高強度和高剛性的膠黏劑，用于建筑外墻接縫防水具有非常好的性能。本文使用聚氨酯作為有機硅改性的材料，能夠彌補有機硅機械性能的短板[3-4]。通過調整有機硅低聚物與聚氨酯多元醇的比例，獲得性能更全面的膠黏劑。本文設計到的主要原料如表1所示：

用到的實驗儀器主要有：控溫磁力攪拌器、電子天平、真空干燥箱、掃描電鏡（SEM）、紅外光譜儀（IR）、旋轉粘度計，此外還用到動態粘彈儀，主要用于固化體系動態熱力學性能分析。

1.1合成有機硅改性密封膠

有機硅改性是利用聚氨酯含有羥基封端的羥烴基的特性，能夠制取羥烴基硅油，并與有機硅低聚物中的的官能團（-NCO）經過一系列反應，將聚氨酯鏈段引入相應的有機硅低聚物結構中，增強有機硅的耐弱酸性，聚氨酯會生成的活性較強的端基，通過聚合與擴鏈的連鎖反應，最終生成有機硅改性聚氨酯[5-6]。

首先制備有機硅低聚物，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，加入一定量的蒸餾水，在溫度為70℃條件下的回流裝置中，經過不斷的攪拌、回流反應4h，直至混合液中所有的物質都完全融合、不再有分層情況后，升溫至90℃，使反應生成的醇類物質沉底蒸發，并在115-120℃條件下預熟化，即合成出含有不同烷氧基的有機硅聚合物待用[7-8]。其反應機理如圖1所示：

圖1中的R與R'為氧基，本文有機硅低聚物是在無溶劑的條件下化合生成的，工藝簡單綠色環保，將生成的低聚物與聚酯多元醇、乙二醇、1，4-丁二醇在130-160下反應2-5h，通過置換反應制成預聚體，反應過程如圖2所示：

經過上述化合過程后，去除低級醇等一些副產物，保證反應能夠有效進行。有機硅改性聚氨酯反應是通過含有碳羥基的有機硅，與聚氨酯中的異氰酸酯基發生酯交換反應，達到改性目的[9]。最后脫醇得到聚氨酯預聚體，對其進行紅外光譜分析，結果如圖3所示：

從圖3可以看出，在3475cm^-1是C-OH的締和OH振動吸收峰，1735cm^-1處是酯基振動峰，這兩處與聚氨酯和有機硅的譜圖振動峰有偏移，說明已經成功發生了酯交換。將制得的有機硅改性聚氨酯放置于室溫下固化，并研究其性能。

1.2 分析有機硅改性密封膠形態結構

得到固化后的有機硅改性聚氨酯后，需要對其進行一系列的性能分析，以了解產品自身的特性以及適用范圍[10-11]。下圖是產品放大500倍后的有機硅改性體系斷裂面的掃描電鏡分析圖片：

從圖4可以看出，產品斷裂面的形態全部都是明顯的韌性斷裂，這說明生成的產品具有良好的抗沖擊強度。

1.3 分析有機硅改性密封膠耐水性

將澆鑄成型的產品浸泡在室溫以及70。C的水中，放置一段時間后，分別測定澆注體拉伸性能、抗沖擊強度、粘接性能以及吸水率的變化，拉伸性能主要包括拉伸強度和斷裂伸長率[12]。拉伸強度的計算公式為：

式（3）中，A代表沖擊能量，b為試樣被沖擊區域的寬度，單位以cm計算，h為試樣被沖擊區域的厚度。在室溫水中隨著浸泡時間的不同，拉伸強度變化與抗沖擊強度的變化如圖5所示：

上圖5中的圖（a）為隨著浸泡時間不同斷裂伸長率的變化，可以看出兩種水溫下有機硅改性后的伸長率都變化不大，但是在室溫水中的斷裂伸長率要好于70℃水中的斷裂伸長率，上圖5中的圖（b）為隨著浸泡時間不同沖擊強度的變化，圖（c）為隨著浸泡時間不同拉伸強度的變化，兩種水溫下有機硅改性后的沖擊強度與拉伸強度都變化不大，但是室溫水中的沖擊強度與拉伸強度都要好于70℃水。

粘接性能的主要是測試剪切強度，通過改變剪切溫度來觀察變化，變化如表2所示：

從表2可以看出，無論是室溫剪切還是高溫剪切，有機硅改性后浸泡在室溫水下的剪切強度幾乎沒有什么變化，浸泡在70℃水下剪切強度稍有下降。

吸水率的測定步驟是：將澆鑄成型的產品試樣稱重后放人去離子水中，分別于室溫、70℃下浸泡在一定時間后取出，并快速擦干稱重，通過下式計算吸水率[13-15]：

W1表示吸水前的樣品重量，W2表示吸水后的樣品重量。下表為有機硅改性密封膠在室溫、70℃水中不同浸泡時間的吸水率：

從上表可以看出，隨著浸泡時間的增加，在室溫下的吸水率變化很微小，70℃水下的吸水率稍有增加。

綜上所述，從澆注體拉伸性能、抗沖擊強度、粘接性能以及吸水率的變化可以發現，有機硅改性后的室溫耐水性要好于70℃水中的耐水性。

1.4 分析有機硅改性密封膠耐熱性

為了研究有機硅改性密封膠耐熱性，本文選擇純聚氨酯與有機硅作為參照，與本文制取的有機硅改性密封膠進行熱失重測試，熱失重曲線如圖6所示：表4為熱重分析結果：

根據熱失重曲線與熱重分析結果能夠看出，有機硅改性密封膠與有機硅從失重10%到失重50%所對應的溫度相差的比較少，但是大大高于純聚氨酯的溫度。有機硅改性后的初始熱分解分度大約在309℃左右，主要脫出小分子雜質，因此失重比較小;約在356℃出現快速分解，是因為溫度的升高，側基被氧化，釋放出CO和C02等，失重增大;601℃失重趨于平衡，形成以硅一氧鍵為主的結構，耐熱性更高，使失重曲線趨于平緩。因此可以說明，有機硅改性密封膠與純有機硅一樣，都具有較好的耐熱性，且耐熱性好于純聚氨酯。

2 有機硅改性密封膠的適應性實驗

有機硅改性密封膠具有良好的耐水性、柔韌性、耐熱性，為建筑外墻接縫防水的應用提供了基礎。為了進一步驗證本文合成的有機硅改性密封膠在弱酸環境下的有效性，模擬實際工程中建筑外墻接縫中密封膠的承壓，進行承壓能力的適應性試驗。

2.1 試驗方案

將模擬建筑外墻的混凝土試件對齊拼裝，使內部形成接縫，利用本文制取的有機硅改性密封膠進行嵌縫，向其中注水，并使用傳統的密封膠作為對照組。為了保證膠體的完全固化，在膠體填筑后自然養護20d左右，再進行弱酸環境下的承壓實驗。配置含有硫酸根、亞硫酸根、硝酸根等離子的溶液，模擬酸雨造成的酸性環境，設置實驗中每級加壓的時間間隔、施加的壓力和變位大小，具體方案如表5所示：

在這4種變位組合下，記錄混凝土試件承受的壓力，并觀察混凝土試件有無滲水情況，當第一次出現滲水情況時，記錄下壓力，并將實驗結果進行統計分析。

2.2 實驗結果與分析

在上述環境下，得到的實驗結果如表6所示：

從表6的實驗結果可以看出，利用設計的實驗裝置可以對實際工程中外墻接縫中的密封膠承壓情況進行模擬，得到的數據真實可靠，在組合2和組合3中，本文制造的密封膠能夠承受較大的壓力而沒有發生滲水現象，在組合1和組合4中，本文產品能夠承受的壓力平均為0.4547MPa，傳統的密封膠能夠承受的壓力平均為0.3446MPa，因此可以得出結論，本文制造的有機硅改性密封膠在酸性環境下的承壓能力優于傳統密封膠。

3 結語

在建筑外墻接縫中，需要使用防水密封膠進行嵌縫，確保建筑體良好的防水性能。但是現有的密封膠在酸雨這種弱酸環境下，承壓性能較差，因此設計一種有機硅改性聚氨酯的密封膠。文中設計了改性密封膠的工藝，分析了其形態結構以及耐水、耐熱性能，通過適應性分析的實驗結果可知，弱酸環境下，有機硅改性密封膠比傳統密封膠的承壓能力提高了0.1101MPa，在分析過程中可知，外力的加壓順序以及變位方式會影響密封膠的承壓能力，在探明其中規律后，密封膠的承壓能力有可能進一步提高。

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作者簡介：鄭永蘭（1969-），女，漢族，青海西寧人，高級工程師，研究方向：工業與民用建筑、工程咨詢。

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