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          高性能門窗用雙組分聚氨酯組角膠研究

          來源:2021論文集  作者:李云龍 應天祥 盧燊 方康峻 陶小樂 劉明  日期:2021-5-8
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              摘要:本論文首先介紹了高性能門窗的發展及雙組分聚氨酯組角膠應用情況,其次研究了雙組分聚氨酯組角膠密閉條件下的固化情況,并分析了固化時間、打膠厚度、混合比對粘接強度的影響;最后研究了之江JS-335雙組分聚氨酯組角膠在實際門窗中的粘接性能以及整體性能。結果表明,JS-335雙組分聚氨酯組角膠可以顯著提高角部位置粘接強度,角部粘接強度大于角碼強度,同時JS-335雙組分聚氨酯組角膠綜合性能優異,具有廣泛的市場應用前景。
              關鍵詞:雙組分;聚氨酯組角膠;粘接強度;膠厚度;混合比

            本篇文章內容由[中國幕墻網ALwindoor.com]編輯部整理發布:

            摘要:本論文首先介紹了高性能門窗的發展及雙組分聚氨酯組角膠應用情況,其次研究了雙組分聚氨酯組角膠密閉條件下的固化情況,并分析了固化時間、打膠厚度、混合比對粘接強度的影響;最后研究了之江JS-335雙組分聚氨酯組角膠在實際門窗中的粘接性能以及整體性能。結果表明,JS-335雙組分聚氨酯組角膠可以顯著提高角部位置粘接強度,角部粘接強度大于角碼強度,同時JS-335雙組分聚氨酯組角膠綜合性能優異,具有廣泛的市場應用前景。

            關鍵詞:雙組分;聚氨酯組角膠;粘接強度;膠厚度;混合比

            1、背景介紹

            現代建筑門窗業發展至今,已經歷近30年,然而性能較差的普通門窗始終占據中國市場主導地位。中國門窗技術的升級換代較為緩慢,目前建筑門窗是建筑的耗能大戶,因此將來必然也是節能大戶[1]。

            歐洲早在上世紀八十年代就研發出了具備高性能的系統化門窗,其節能性能、安全性能、舒適度等遠遠超過普通門窗。2003年歐洲門窗標準中要求K(傳熱系數)值不大于1.3,目前高性能的系統化門窗已在歐洲基本普及,市場應用量已達到了門窗總量的70%,而我國門窗平均K值約為3.5。據計算,按我國現有城鎮建筑面積約430億平方米計算,如果實行歐洲現行門窗標準K值,每年可節省標準煤4.3億噸,約為中國全年煤炭產量的20%,節能效果顯著。

            近年來,隨著建筑及門窗行業的快速發展,國家政策導向以及人們對生活品質的追求,極大的推動了國內高端節能門窗及系統化門窗的普及[2-4]。高性能門窗是一個性能系統的完美有機組合,具有節能、環保、安全、舒適等特點,各方面性能遠遠超過普通門窗。高性能門窗的各個組件對于整個門窗系統的性能都不可或缺。角部是門窗節能部位最為薄弱的環節[1],組角膠作為高性能門窗組角位置結構粘接與密封的主要輔料之一,對于門窗結構、使用年限、安全等方面都具有重要影響。

            為了解決門窗的角部問題,生產出符合性能要求的鋁門窗,有效的做法是使用一種專為門窗設計的組角密封膠將角碼或插件和型材腔壁進行粘接,其中組角膠主要起結構加強和密封作用,避免門窗框架因溫差和外力形變造成門窗錯位變形,從而保證了門窗的氣密、隔熱、隔音、隔塵等性能。

            因此,組角膠的性能需要滿足:1)硬度高、強度大、韌性好,可以使角碼與型材腔壁之間形成結構性連接的同時也具有極好的防水性能;形成金屬與金屬連接之間的彈性墊,以減弱各種力的傳導,起到避震、緩沖墊的作用[5];2)耐老化性要好,可耐-40℃~80℃的溫度變化; 3)無溶劑,符合環保要求;4)初始強度高,有利于提高生產效率。

            目前,組角膠主要分為單組分和雙組分聚氨酯組角膠,單組分聚氨酯組角膠具有使用簡單、靈活,然而其固化慢,對濕氣要求高,固化后的強度往往較雙組分組角膠低;與單組分聚氨酯組角膠相比,雙組分組角膠具有強度高、固化快的優點,但是手動膠槍往往難以施工,需要配套氣動/電動膠槍使用,因而需要一定的設備投資。根據客戶不同需求,單雙組分聚氨酯組角膠都具有較大的市場。本文主要對雙組分聚氨酯組角膠的性能進行研究。

            2、實驗部分

            2.1試驗原料

            聚醚多元醇(詞條“聚醚多元醇”由行業大百科提供),二異氰酸酯,多亞甲基多異氰酸酯,煙臺萬華;氣相二氧化硅,贏創;重質碳酸鈣,歐米亞;吸水劑TI,Borchers;聚醚多元醇,陶氏化學等。

            2.2 組角膠的制備

            2.2.1 聚合物(詞條“聚合物”由行業大百科提供)的制備

            將脫水后的聚醚多元醇、二異氰酸酯以適當的比例加入到行星攪拌機(詞條“行星攪拌機”由行業大百科提供)中,緩慢加熱至70~75℃,反應3h,得到異氰酸酯封端聚合物。

            2.2.2 A組分的制備

            將聚醚多元醇、聚酯多元醇、氣相白炭黑、納米鈣、重鈣、氧化鈣等加入行星攪拌機中攪拌1~2h,直到填料分散良好,無明顯顆粒;隨后加入促粘接劑、催化劑,繼續攪拌1~2h,出料,得到A組分。

            2.2.3 B組分制備

            將一定量的聚合物、多亞甲基多異氰酸酯、吸水劑、氣相白炭黑、重鈣等加入到行星攪拌機中,攪拌分散1~3h。出料,即得到B組分。

            2.3 性能檢測

            表干時間的測定方法:按照GB/T 13477.5進行實驗,采用B法。

            不同固化時間、不同膠層厚度、不同體積混合比剪切強度的測定方法:按GB/T 7124-2008第5章的規定制備5個試件,在標準試驗條件下養護不同時間,養護結束立即按GB/T 7124-2008方法進行試驗。設定預荷載5N,試驗速度為(20±0.5)mm/min,記錄破壞荷載(N)、剪切強度(MPa);試驗結果取5個試件的算術平均值。

            適用期:標準條件下,氣動膠槍壓力恒定條件下,連續打膠1min后,再停留一定時間進行打膠,膠管不再出膠的時間間隔,定義為適用期。

            角部位置的粘接強度按照德國IFT(羅森海姆門窗幕墻技術研究院)推薦的測試方法(如圖1所示,水平方向窗框固定(詞條“固定”由行業大百科提供)在拉力機上,垂直方向門窗開孔,進行拉拔測試。)

          圖1德國IFT組角膠角部強度測試方法示意圖

            3、實驗結果

            3.1 雙組分聚氨酯組角膠固化情況研究

            由于雙組分組角膠由A、B組分直接反應固化,因此要求雙組分組角膠在無濕氣條件下實現快速固化,如圖2所示,雙組分組角膠施膠于密封離心樣品管中,研究無濕氣條件下的固化情況。結果表明,在隔絕濕氣條件下,1h后雙組分組角膠即可實現內外整體固化,摁壓后不粘手,如圖2所示;2h后摁壓無明顯下沉;4h后整體固化良好,可從PP管中取出。不同固化時間的強度如圖3所示,固化6h后,強度即>3MPa,固化后24h剪切強度達到8.15 MPa,7天強度>9 MPa,24h強度達到7天強度的89%。

          圖2密閉條件下雙組分聚氨酯組角膠放置不同時間的固化情況

          圖3雙組分聚氨酯組角膠強度-固化時間曲線

            由于門窗、角碼尺寸加工越來越緊密,角碼與門窗間的縫隙越來越小,因此打膠厚度相對變小。通過研究膠厚度對剪切模塊粘接強度的影響,我們發現隨著膠層厚度的增加,模塊剪切強度迅速降低,如圖4所示。當膠層厚度>2mm后,剪切強度<4MPa,因此實際應用中建議提高角碼加工精度,降低角碼與腔體間厚度,從而提高角碼與腔體粘接強度,提高門窗整體粘接強度。

          圖4 膠層厚度與粘接強度關系曲線

            3.2 施膠比例對粘接強度的影響

            由于不同門窗廠雙組分膠槍差異大,目前市售雙組分膠槍出膠的推力通常是作用于單管,另一管推桿跟隨受力管推桿運動。因此施膠時兩管受力不一致,存在出膠比例的波動;出膠比例的波動對于雙組分聚氨酯組角膠的粘接強度存在重要影響。如表1所示,當A組分體積比過量10%時,強度下降18.4%,為7.47MPa;B組分體積比過量10%時,強度降低5.7%,為8.64MPa。因此為了保證組角位置的粘接強度,必須待A、B組分混合均勻、顏色均一后方可對組角位置進行施膠。

            3.3實際門窗角部拉力值測定

            為了準確的分析雙組分組聚氨酯角膠施膠后組角位置的粘接強度,我們進一步研究了實際門窗角部位置使用雙組分聚氨酯組角膠后的粘接強度。結果表明,使用雙組分聚氨酯組角膠后角部位置破壞形式表現為角碼斷裂,如圖5圓圈所示,說明通過使用雙組分聚氨酯組角膠,角部位置的粘接強度大于角碼本身強度。使用雙組分聚氨酯組角膠后角部位置的最大拉力值如圖6所示,為11200N左右,結果表明使用雙組分聚氨酯組角膠后,單個門窗角部位置的受力高達1.14噸,說明使用雙組分聚氨酯組角膠具有優異結構加強作用。

          圖5使用雙組分聚氨酯組角膠后角部位置拉斷情況圖

          圖6使用雙組分組角膠后角部位置強度拉力圖

            實際門窗拉拔結果表明,使用雙組分聚氨酯組角膠后角部位置的粘接強度高于角碼本體強度,雙組分聚氨酯組角膠具有顯著的結構加強作用。

            3.4JS-335雙組分聚氨酯組角膠性能

            早期國內組角膠的市場基本為進口聚氨酯組角膠占領,近幾年由于國家對門窗整體性能要求的不斷提高,國內門窗廠組角膠的使用量迅速增加,因此國內組角膠生產廠家也逐漸增多;诖,為了規范門窗組角膠的選用,2016年~2018年中國建材(詞條“建材”由行業大百科提供)檢驗認證集團蘇州有限公司完成了JC/T 2560-2020《建筑門窗用組角結構密封膠》建材行業標準的制定工作,并于2020年4月16日發布,2020年10月1日起實施。其中雙組分聚氨酯組角的主要性能要求如表2所示,主要涉及適用期、彎曲變形、邵氏硬度、剪切強度、總揮發物幾個方面。

            按照行業標準對之江JS-335雙組分聚氨酯組角膠進行檢測。結果表明,之江雙組分聚氨酯組角膠產品完全達到行標要求,可操作時間約為35min,便于門窗廠線上連續使用;彎曲變形5.9mm,具有較高的韌性。初始剪切強度、7天剪切強度、老化后粘接強度均較高,經過高溫老化的項目(80℃剪切,高低溫循環等),技術指標均有不同程度的上升。JS-335雙組分聚氨酯組角膠綜合性能較好,可保證門窗組角位置整體性能。

            4、結論

            本文我們研究了雙組分聚氨酯組角膠隔絕濕氣條件下的固化情況以及固化時間、粘接厚度、AB組分體積混合比對粘接強度影響等,然后在實際門窗中測試了雙組分組角膠的粘接強度;最后按照行標對雙組分聚氨酯組角膠的性能進行了測試,具體得到以下結論:

            1)雙組分聚氨酯組角膠具有優異的初始粘接強度,6h剪切強度即>3MPa,固化24h后粘接強度達到8.15MPa,達到7天固化強度的89%。

            2)膠厚度和體積混合比對粘接強度都具有重要影響,膠厚度越薄,粘接強度越高;體積混合比波動時,粘接強度有不同程度的降低。

            3)雙組分聚氨酯組角膠可以顯著提高門窗角部位置強度。雙組分聚氨酯組角膠在實際窗框角部使用時,門窗角部位置強度大于角碼本身強度,破壞形式表現為角碼斷裂。

            4)雙組分聚氨酯組角膠各項性能滿足行標要求,綜合性能優異。

            參考文獻

            [1] 馬華剛, 節能系統門窗在我國的現狀和發展, 中國建筑金屬結構, (2014) 31-32.

            [2] 劉軍, 系統門窗在中國的歷史、發展現狀及未來趨勢, 中國建筑金屬結構, (2017) 38-40.

            [3] 馬俊清, 系統節能門窗——綠色建筑時代的發展方向, 居業, (2015) 16-17.

            [4] 劉軍, 推廣系統門窗勢在必行, 居業, (2015) 5-5.

            [5] 王永波, 鋁合金門窗的角部結構加強和密封, 河北煤炭, (2007) 53-54.

          作者單位:杭州之江有機硅化工有限公司

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          專家介紹

           劉明

          鋁門窗幕墻委員會專家組

          工作單位:杭州之江有機硅化工程有限公司

          技術職稱:高工

          專業:建筑用硅酮、聚硫及密封膠的生產、技術、研究與管理。

          專長:建筑密封膠的生產、研究、應用以及與建筑密封膠應用有關的建筑設計方面的知識。

          原文地址:http://www.52mqw.com/info/2021-5-8/48225-1.htm
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