雙組分硅酮結構膠耐溫性趨勢研究

陳繼芳，楊曉菲，楊秀麗，熊曉波，張敬偉，張超，張燕紅

摘 要：研究選取市場上4個廠家的6個雙組分硅酮結構膠產品，進行不同溫度條件下的拉伸性能測試和同一溫度下的耐久性試驗，總結其性能變化趨勢，以防止結構膠在不可靠的環境中使用。在-30～200℃內，隨測試溫度升高，拉伸粘接強度和伸長率以近似線性下降趨勢變化。同一溫度長期耐久性因老化溫度不同和配方差異有不同變化趨勢，在150℃以上溫度長期使用時應考慮結構膠與玻璃的粘接問題。

關鍵詞：硅酮結構密封膠;耐溫性;長期耐久性;趨勢

中圖分類號：TQ436+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）12-0026-04

Research on the Temperature Resistance Trend of Two-Component Silicone Structural Sealant

Chen Jifang， Yang Xiaofei， Yang Xiuli， Xiong Xiaobo， Zhang Jingwei， Zhang Chao，

Zhang Yanhong

（Zhengzhou Zhongyuan Silande High Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou 450007， China）

Abstract：Six two-component silicone structural sealants from four manufacturers in the market are selected to conduct tensile tests at different temperatures and durability tests at the same temperature to summarize their performance trends， so as to prevent the use of structural sealant in an unreliable environment. Within -30～200℃， the tensile bonding strength and elongation change in an approximate linear downward trend with the increase of test temperature. The long-term durability at the same temperature has different trends due to different aging temperatures and formulas. When using it at the temperature above 150℃ for a long time， the bonding between structural sealant and glass should be considered.

Key words：silicone structural sealant; temperature resistance; long-term durability; trend

0 引言

雙組分硅酮結構密封膠廣泛用于建筑玻璃幕墻中空玻璃外道密封和附框粘接等[1]。硅酮密封膠中起主要作用的成分是羥基封端聚二甲基硅氧烷，其主鏈主要由Si—O—Si鍵組成，分子鏈斷裂能很高，具有良好的耐高低溫性能，可在-50～200℃內長期使用[2]。GB 16776—2005《建筑用硅酮結構密封膠》對結構膠耐溫性要求為在-30℃和90℃下拉伸粘接強度不小于0.45 MPa，且粘接破壞面積不大于5%，未考察硅酮膠在此范圍內性能變化規律以及超出此溫度范圍結構膠的變化情況。本研究選取市場上4個廠家的6個雙組分硅酮結構膠產品，進行不同測試溫度下的拉伸性能測試和同一溫度下的耐久性試驗，總結其性能變化規律，以防止結構膠在不可靠的環境中使用。

1 實驗

本方案選取了國內外4個廠家6個牌號的硅酮結構密封膠，記為結構膠1#～結構膠6#，參考GB/T 13477.8—2017《建筑密封材料試驗方法 第8部分：拉伸粘接性的測定》試驗方法，將待測結構膠粘接在兩個平行基材的表面之間，制成“工”字型粘接試件，見圖1;選用粘接基材為浮法玻璃和陽極氧化鋁。試件在標準試驗條件（溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%）養護后按實驗要求進行不同溫度處理，測試密封膠在不同測試溫度下的拉伸性能和在同一溫度下的長期耐久性。

1.1 不同溫度條件下拉伸性能測試

將6個牌號試件分別放在-30、23、90、120、150、180和200℃環境中1 h，并在此環境測試工型試件拉伸粘接性，記錄最大拉伸粘接強度（以下簡稱拉伸粘接強度）、最大拉伸粘接強度時的伸長率（以下簡稱伸長率）和破壞形式。

1.2 同一溫度下耐久性試驗

將足量試件分別放置在90、120、150和180℃環境中，間隔一定時間（7 d、2個月、4個月……）取出1組放在標準試驗條件下（24±4）h后測試拉伸粘接性。記錄拉伸粘接強度、伸長率和破壞形式。

2 結果分析

2.1 不同測試溫度下拉伸性能變化

6個牌號結構膠在-30～200℃拉伸粘接性破壞形式均為內聚破壞，將拉伸粘接強度和伸長率測試結果匯總，結果如圖2所示。由圖2可知，在-30～200℃內，6個牌號結構膠拉伸粘接強度與溫度呈現負相關關系。隨溫度升高，拉伸粘接強度下降，其變化趨勢接近于線性變化。為估算出拉伸粘接強度與溫度的變化情況，在散點圖中做出線性趨勢線，趨勢線公式見表1。按表1公式計算，溫度從23℃升高10℃，6個牌號結構膠拉伸強度下降0.03～0.06 MPa，降幅為（2.8%～4.3%）/10℃。

伸長率變化與拉伸粘接強度類似，在-30～200℃內，6個牌號結構膠伸長率與溫度呈現負相關關系，溫度升高，伸長率下降。按趨勢線公式進行估算，溫度從23℃升高10℃，6個牌號結構膠伸長率數值下降2.5%～10%，降幅為（2%～4.5%）/10℃。

結構膠拉伸強度和伸長率隨測試溫度升高而下降的原因可能是，結構膠與玻璃形成粘接的因素是化學鍵和分子間的物理相互作用力等。隨溫度升高，結構膠主體網狀結構的大分子活動增強，分子間隙變大，造成分子間的物理相互作用力被破壞，內聚力降低，最大拉伸粘接強度下降，隨之最大拉伸粘接強度時的伸長率也下降。

2.2 同一溫度下耐久性試驗

長期高溫后出現粘接破壞，統計試件出現5%以上粘接破壞的時間，如表2所示。

從表2可見，在溫度90、120℃環境下放置12個月，6個牌號結構膠均未出現粘接破壞現象。在溫度150℃環境中，2#、5#和6#在8個月內未出現粘接破壞現象;1#、3#和4#分別在6、3和5個月時開始出現粘接破壞現象，其中3#結構膠最差，在3個月即開始出現粘接破壞現象。在溫度180℃環境中，所有膠在5個月時均出現粘接失效現象，無法進行拉伸試驗，最短7 d時即有3個牌號結構膠出現粘接破壞現象。大部分粘接失效出現在玻璃界面。

統計各結構膠的拉伸粘接強度變化率，如圖3～圖6所示。拉伸粘接強度變化率計算方法：

拉伸粘接強度變化率=（老化后拉伸粘接強度/

23℃拉伸粘接強度-1）×100%。

由圖3可知，在溫度90℃長期老化至12個月過程中，6個牌號結構膠7 d時拉伸粘接強度變化率均為正值，與初始相比變大。結構膠1#、2#放置12個月后拉伸粘接強度仍大于初始值，變化趨勢為先增大后減小，轉折點在老化6個月時。結構膠3#、4#在高溫2個月后拉伸粘接強度基本都小于初始值，并隨時間延長呈現逐漸減小趨勢，老化12個月時衰減率在15%以上。結構膠5#、6#在12個月內拉伸強度基本呈減小趨勢，但在6個月以內仍大于初始值。至12個月時，6個牌號結構膠試件未出現粘接破壞，強度變化率在-17.8%～+2.4%。

由圖4可知，在溫度120℃長期老化至12個月過程中，結構膠1#、2#、5#、6#的大部分測試點拉伸粘接強度大于初始值，結構膠3#的大部分測試點拉伸強度小于初始值，結構膠2#、3#、4#呈現隨時間延長拉伸強度逐漸下降的趨勢。至12個月時，6個牌號結構膠試件未出現粘接破壞，強度變化率在-13.1%～+17.6%。

由圖5可知，結構膠2#、3#在溫度150℃環境放置8個月，拉伸粘接強度基本呈減小趨勢;但結構膠2#大部分測試點拉伸粘接強度仍大于初始值。結構膠3#除3個月時外拉伸粘接強度均小于初始值。結構膠1#、6#老化后大部分測試點拉伸粘接強度大于初始值，但無明顯趨勢。所有試件在溫度150℃中放置8個月時均已失去彈性，強度變化率在-28.0%～26.0%。結合表2，結構膠1#、3#、4#分別在老化6、3和5個月開始出現粘接破壞現象，對強度的變化有一定的影響。

由圖6可知，在溫度180℃長期老化至5個月過程中，結構膠1#、2#、3#拉伸強度呈衰減趨勢;結構膠4#、6#呈增大趨勢，所有試件在5個月時均發生粘接破壞現象，強度變化率為-100%。

從表2及圖3～圖6可知，不同牌號結構膠在高溫下的耐久性沒有統一規律，造成以上差異的主要原因是配方差異所致。結構膠分子在高溫環境中始終存在兩個方向的變化，一個是未反應完的交聯劑偶聯劑與主鏈上羥基繼續反應，交聯度提高;另一個是分子鏈斷裂。當交聯度提高作用大于分子鏈斷裂作用時，拉伸強度提高;反之，拉伸強度減小。幾種結構膠之間配方設計不同，交聯度不同，粘接能力也不同，導致了長期高溫老化后的不同變化趨勢。

3 結語

（1）在溫度-30～200℃內，隨測試溫度升高，拉伸粘接強度和伸長率以近似線性下降趨勢變化;但每種結構膠降幅不同，所測6個牌號結構膠拉伸粘接強度降幅在（2.8%～4.3%）/10℃，伸長率降幅在（2%～4.5%）/10℃。

（2）同一溫度長期耐久性因老化溫度不同有不同結果，在溫度90、120℃環境中老化1年，結構膠拉伸粘接強度變化率不超過20%，未出現粘接破壞現象，可認為在溫度120℃環境中使用1年結構膠與玻璃和鋁基材的粘接仍然可靠。在溫度150℃老化8個月、溫度180℃老化5個月時結構膠失去彈性，發生大面積粘接破壞現象，所以在溫度超過150℃長期使用時，應考慮結構膠與玻璃的粘接性問題。

（3）同一溫度長期耐久性因配方差異有不同結果，結構膠1#、2#、6#在發生粘接失效前拉伸強度大于初始值，結構膠3#在發生粘接失效前拉伸強度幾乎都小于初始值。

參考文獻

[1]幸松民，王一璐. 有機硅合成工藝及產品應用[M]. 北京：化學工業出版社，2000.

[2]張國彬，牟亞軍，劉國良，等. 硅橡膠長期貯存老化機理分析[J]. 裝甲兵工程學院學報，2016，30（1）：104-110.