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摘要：本論文首先介紹了高性能門窗的發(fā)展及雙組分聚氨酯組角膠應(yīng)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(qiáng)度的影響;最后研究了之江JS-335雙組分聚氨酯組角膠在實(shí)際門窗中的粘接性能以及整體性能。結(jié)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(qiáng)度，角部粘接強(qiáng)度大于角碼強(qiáng)度，同時JS-335雙組分聚氨酯組角膠綜合性能優(yōu)異，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：雙組分;聚氨酯組角膠;粘接強(qiáng)度;膠厚度;混合比
1、背景介紹
現(xiàn)代建筑門窗業(yè)發(fā)展至今，已經(jīng)歷近30年，然而性能較差的普通門窗始終占據(jù)中國市場主導(dǎo)地位。中國門窗技術(shù)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(jié)能大戶[1]。
歐洲早在上世紀(jì)八十年代就研發(fā)出了具備高性能的系統(tǒng)化門窗，其節(jié)能性能、安全性能、舒適度等遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通門窗。2003年歐洲門窗標(biāo)準(zhǔn)中要求K(傳熱系數(shù))值不大于1.3，目前高性能的系統(tǒng)化門窗已在歐洲基本普及，市場應(yīng)用量已達(dá)到了門窗總量的70%，而我國門窗平均K值約為3.5。據(jù)計算，按我國現(xiàn)有城鎮(zhèn)建筑面積約430億平方米計算，如果實(shí)行歐洲現(xiàn)行門窗標(biāo)準(zhǔn)K值，每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤4.3億噸，約為中國全年煤炭產(chǎn)量的20%，節(jié)能效果顯著。
近年來，隨著建筑及門窗行業(yè)的快速發(fā)展，國家政策導(dǎo)向以及人們對生活品質(zhì)的追求，極大的推動了國內(nèi)高端節(jié)能門窗及系統(tǒng)化門窗的普及[2-4]。高性能門窗是一個性能系統(tǒng)的完美有機(jī)組合，具有節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適等特點(diǎn)，各方面性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通門窗。高性能門窗的各個組件對于整個門窗系統(tǒng)的性能都不可或缺。角部是門窗節(jié)能部位最為薄弱的環(huán)節(jié)[1]，組角膠作為高性能門窗組角位置結(jié)構(gòu)粘接與密封的主要輔料之一，對于門窗結(jié)構(gòu)、使用年限、安全等方面都具有重要影響。
為了解決鋁門窗的角部問題，生產(chǎn)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(shè)計的組角密封膠將角碼或插件和型材腔壁進(jìn)行粘接，其中組角膠主要起結(jié)構(gòu)加強(qiáng)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(qiáng)度大、韌性好，可以使角碼與型材腔壁之間形成結(jié)構(gòu)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(dǎo)，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(huán)保要求;4)初始強(qiáng)度高，有利于提高生產(chǎn)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(qiáng)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(qiáng)度高、固化快的優(yōu)點(diǎn)，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(shè)備投資。根據(jù)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(jìn)行研究。
2、實(shí)驗(yàn)部分
2.1試驗(yàn)原料
聚醚多元醇（詞條“聚醚多元醇”由行業(yè)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(chuàng);重質(zhì)碳酸鈣，歐米亞;吸水劑TI，Borchers;聚醚多元醇，陶氏化學(xué)等。
2.2 組角膠的制備
2.2.1 聚合物（詞條“聚合物”由行業(yè)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(dāng)?shù)谋壤尤氲?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>行星攪拌機(jī)（詞條“行星攪拌機(jī)”由行業(yè)大百科提供）中，緩慢加熱至70~75℃，反應(yīng)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(jī)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(xù)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(jī)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)度的測定方法：按GB/T 7124-2008第5章的規(guī)定制備5個試件，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)不同時間，養(yǎng)護(hù)結(jié)束立即按GB/T 7124-2008方法進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)定預(yù)荷載5N，試驗(yàn)速度為(20±0.5)mm/min，記錄破壞荷載(N)、剪切強(qiáng)度(MPa);試驗(yàn)結(jié)果取5個試件的算術(shù)平均值。
適用期：標(biāo)準(zhǔn)條件下，氣動膠槍壓力恒定條件下，連續(xù)打膠1min后，再停留一定時間進(jìn)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(qiáng)度按照德國IFT(羅森海姆門窗幕墻技術(shù)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(yè)大百科提供）在拉力機(jī)上，垂直方向門窗開孔，進(jìn)行拉拔測試。)
圖1德國IFT組角膠角部強(qiáng)度測試方法示意圖
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)固化，因此要求雙組分組角膠在無濕氣條件下實(shí)現(xiàn)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(jié)果表明，在隔絕濕氣條件下，1h后雙組分組角膠即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)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(qiáng)度如圖3所示，固化6h后，強(qiáng)度即>3MPa，固化后24h剪切強(qiáng)度達(dá)到8.15 MPa，7天強(qiáng)度>9 MPa，24h強(qiáng)度達(dá)到7天強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的影響，我們發(fā)現(xiàn)隨著膠層厚度的增加，模塊剪切強(qiáng)度迅速降低，如圖4所示。當(dāng)膠層厚度>2mm后，剪切強(qiáng)度<4MPa，因此實(shí)際應(yīng)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(qiáng)度，提高門窗整體粘接強(qiáng)度。
圖4 膠層厚度與粘接強(qiáng)度關(guān)系曲線
3.2 施膠比例對粘接強(qiáng)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(yùn)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(qiáng)度存在重要影響。如表1所示，當(dāng)A組分體積比過量10%時，強(qiáng)度下降18.4%，為7.47MPa;B組分體積比過量10%時，強(qiáng)度降低5.7%，為8.64MPa。因此為了保證組角位置的粘接強(qiáng)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(jìn)行施膠。
3.3實(shí)際門窗角部拉力值測定
為了準(zhǔn)確的分析雙組分組聚氨酯角膠施膠后組角位置的粘接強(qiáng)度，我們進(jìn)一步研究了實(shí)際門窗角部位置使用雙組分聚氨酯組角膠后的粘接強(qiáng)度。結(jié)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(xiàn)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(qiáng)度大于角碼本身強(qiáng)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(jié)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(dá)1.14噸，說明使用雙組分聚氨酯組角膠具有優(yōu)異結(jié)構(gòu)加強(qiáng)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(qiáng)度拉力圖
實(shí)際門窗拉拔結(jié)果表明，使用雙組分聚氨酯組角膠后角部位置的粘接強(qiáng)度高于角碼本體強(qiáng)度，雙組分聚氨酯組角膠具有顯著的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)作用。
3.4JS-335雙組分聚氨酯組角膠性能
早期國內(nèi)組角膠的市場基本為進(jìn)口聚氨酯組角膠占領(lǐng)，近幾年由于國家對門窗整體性能要求的不斷提高，國內(nèi)門窗廠組角膠的使用量迅速增加，因此國內(nèi)組角膠生產(chǎn)廠家也逐漸增多。基于此，為了規(guī)范門窗組角膠的選用，2016年~2018年中國建材（詞條“建材”由行業(yè)大百科提供）檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)蘇州有限公司完成了JC/T 2560-2020《建筑門窗用組角結(jié)構(gòu)密封膠》建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并于2020年4月16日發(fā)布，2020年10月1日起實(shí)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(qiáng)度、總揮發(fā)物幾個方面。
按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對之江JS-335雙組分聚氨酯組角膠進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，之江雙組分聚氨酯組角膠產(chǎn)品完全達(dá)到行標(biāo)要求，可操作時間約為35min，便于門窗廠線上連續(xù)使用;彎曲變形5.9mm，具有較高的韌性。初始剪切強(qiáng)度、7天剪切強(qiáng)度、老化后粘接強(qiáng)度均較高，經(jīng)過高溫老化的項(xiàng)目(80℃剪切，高低溫循環(huán)等)，技術(shù)指標(biāo)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(jié)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(qiáng)度影響等，然后在實(shí)際門窗中測試了雙組分組角膠的粘接強(qiáng)度;最后按照行標(biāo)對雙組分聚氨酯組角膠的性能進(jìn)行了測試，具體得到以下結(jié)論：
1)雙組分聚氨酯組角膠具有優(yōu)異的初始粘接強(qiáng)度，6h剪切強(qiáng)度即>3MPa，固化24h后粘接強(qiáng)度達(dá)到8.15MPa，達(dá)到7天固化強(qiáng)度的89%。
2)膠厚度和體積混合比對粘接強(qiáng)度都具有重要影響，膠厚度越薄，粘接強(qiáng)度越高;體積混合比波動時，粘接強(qiáng)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(qiáng)度。雙組分聚氨酯組角膠在實(shí)際窗框角部使用時，門窗角部位置強(qiáng)度大于角碼本身強(qiáng)度，破壞形式表現(xiàn)為角碼斷裂。
4)雙組分聚氨酯組角膠各項(xiàng)性能滿足行標(biāo)要求，綜合性能優(yōu)異。
參考文獻(xiàn)
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作者單位：杭州之江有機(jī)硅化工有限公司
