建築密封材料
本文由同濟大學孫振平教授課題組蔣曉星整理
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1引言
牆體、屋面材料長期暴露在自然條件下日晒雨淋，由於溫度、濕度的變化會引起收縮與膨脹，過多的限制收縮會引起開裂，而限制膨脹會引起翹曲、開裂或端部的破壞。因而需設計接縫來緩解主體部分因收縮或膨脹帶來的形變，保持建築物的整體性。另外，許多建築都是用混凝土來支撐或框住幕牆、圍護結構門窗、隔牆、機械或其它服務設施。為了防止它們的損壞，應使其有一定的獨立運動而不受混凝土的收縮與膨脹的約束，亦需設置接縫。隨著裝配式住宅和建築產業化的推廣實施，預製牆板、預製樓板、預製門窗洞、預製樓梯等構件的連接都有大量的接縫需要處理。建築密封材料就是用於填充這些接縫的一類特殊材料，它是一類多功能的建築材料，性能要求高而且綜合，可謂小材料大作為，不可輕視。
本文介紹建築密封材料的相關知識，希望對我國建築防水和住宅產業化的發展有所裨益。
2 國內外密封材料的發展
國外建築密封材料起源於18世紀的瀝青類初級產品，二十世紀出現商品化的建築密封材料，二十世紀90年代以來呈現穩定發展狀態。美國建築密封材料用量年增長率不斷上升，日本上世紀90年代用量年平均增長10%左右。國外建築密封材料發展總體趨勢為：低檔產品逐年下降，中、高檔產品逐年增加。同時，產品不斷更新，以適應不同的需要。
上世紀50年代，我國研製了以蓖麻油為主要原料的馬牌油膠，後來又研製了魚油、桐油配製的油膠，以及橡膠粉改性的油膠等。上世紀80年代開始，我國建築業迎來了大發展時期，建築的現代化對防水、防腐、隔音和保溫隔熱功能提出更高的要求。此時，油性、改性瀝青基密封膠已不能滿足使用要求，而開始從國外進口中、高檔密封膠。此時的大量需求也促進了我國建築密封膠的發展。一些科研單位和大專院校開始關注並研究開發建築密封材料。相繼研發並投入生產和進行推廣應用的建築密封材料包括氯丁橡膠密封膠、聚硫密封膠和有機硅密封膠等產品，填補了我國中、高檔密封膠的空白。
3 定義及特點
建築密封材料是用於建築物建造和修復，使建築中各種接縫（或裂縫）、變形縫（包括沉降縫、伸縮縫和抗震縫）保持水密性和氣密性的填充材料。建築密封材料必須具有一定的強度和變形能力（彈性和塑性），並且具有良好的環境適應性以及耐候性、耐腐蝕性。
4 建築密封材料的種類
建築密封材料按照產品型式的不同，可分為三大類：無定形密封材料；定型密封材料（止水帶、密封圈、密封帶和密封件等）；半定型密封材料（密封帶、遇水膨脹膠條等）。
無定型密封材料一般情況下以膠態形式存在，遇到空氣中的水蒸氣後，吸收水蒸氣，由膠態轉化為固態，形成具有一定強度及柔性的粘結材料。常見的無定型密封材料包括市場上常用的耐候密封膠、耐候結構膠、聚硫膠、丁基膠、聚氨酯膠、油膠等液態擠壓型密封膠。無定型密封材料具有以下優點[1]：
1）良好的擠注性、自流平性、抗下垂性、抗伸縮性及粘結性。用於室外的膠態密封膠固化後，應能夠承受一定範圍的溫度變化和主體結構的層間位移引起的板塊變位及陽光中紫外線的照射。
2）良好的耐候性、耐循環反覆變形及帶有一定強度的柔韌性，可承擔由面板傳來的短期荷載及相應重力產生的永久荷載。
定型密封材料一般情況下以成型固態形式存在，可根據用戶要求製成各種截面和形狀，使用範圍廣。常見的定型密封材料包括硅酮密封膠條、氯丁橡膠密封膠條、三元乙丙密封膠條及壓膜膠片等。
定型密封材料具有以下優點：
1）良好的成型性、延伸性、抗伸縮性（即儘可能小的壓縮永久變形）；
2）良好的耐候性、耐循環反覆變形及帶有一定強度的柔韌性，可承擔由面板傳來的短期荷載及由重力產生的永久荷載；用於室外的密封膠條應能夠承受一定範圍的溫度變化及陽光中紫外線的照射。
5 常用的密封材料
伴隨著裝配式住宅、建築防水和節能對密封要求的不斷提高，解決水密、氣密的良好辦法是在各類接縫部位填充建築密封材料。目前，常用的建築密封材料主要是硅酮、聚氨酯、聚硫密封膠和丙烯酸密封膠等，下面分別講述。
5.1 硅酮密封膠
硅酮密封膠是以端羥基聚二甲基硅氧烷為主體材料配以交聯劑、熱穩定劑、催化劑、增塑劑、填料、色料等經混合配製而成的室溫固化型（RTV）密封材料。硅酮密封膠分為單組分室溫固化密封膠和雙組分室溫固化密封膠。
單組分硅酮密封膠是在隔絕空氣的條件下，把各組分均勻裝填於密封包裝筒中，施工後，密封膠藉助空氣中的水分進行交聯反應，形成橡膠彈性體；雙組分硅酮密封膠則是把聚硅氧烷、顏料、助劑、催化劑混合後作為一個組分，交聯劑作為另一個組分，分別包裝於二個容器中，使用時二組分按比例混合，密封膠同樣藉助空氣中的水分交聯成彈性體。目前普通硅酮密封膠基本上採用單組分包裝[2]。
硅酮密封膠結構中含有Si-O鍵，其鍵能高達425kJ/mol，遠遠大於C-C鍵能（351kJ/mol），因此其穩定性好，具有很強的耐候性，再加上聚硅氧烷分子體積大，內聚能密度低，使它具有優異的耐玷污性和耐高、低溫性，以及高度的疏水性和良好的透氣性等，能在-60℃-200℃範圍內長期使用，其力學性能如拉伸強度、撕裂強度、伸長率、硬度等改變很小，因此廣泛應用於建築、電子、汽車等行業[3]。
根據固化時釋放出的小分子物質，硅酮密封膠可以分為脫醋酸型、脫酮肟型、脫醇型、脫丙酮型、脫醯胺型和脫羥胺型等，它們的優、缺點見表1。
表1 單組分RTV硅橡膠的根據固化體系釋放物質分類及特點
5.2 聚氨酯密封膠
聚氨酯密封膠主要是由多異氰酸酯和聚醚多元醇反應而生成的，分子鏈中含有氨基甲酸酯基(-NHCOO-)或異氰酸酯基(-NCO)的密封膠。聚氨酯的分子主鏈由玻璃化轉變溫度（Tg）低於室溫的柔性鏈段和玻璃化轉變溫度（Tg）高於室溫的剛性鏈段組成。聚醚多元醇構成柔性鏈段，二異氰酸酯和擴鏈劑構成剛性鏈段。聚氨酯鏈段被看作是柔性鏈段和剛性鏈段的嵌段共聚物[4]。
5.2.1 單組份濕固化聚氨酯密封膠
單組份濕固化聚氨酯密封膠是由端基帶有高反應活性的-NCO基團的聚氨酯預聚體為主料，再與合適的填充料、除水劑、觸變劑、穩定劑、增塑劑和催化劑等多種功能性助劑混合而成。使用時密封膠塗在被粘物表面，通過空氣中的水分交聯固化：預聚體中的-NCO基團與水反應首先生成不穩定的氨基甲酸，隨即分解為CO2和伯胺，伯胺再與體系中的-NCO基團進一步反應，生成具有網路結構的交聯體。其固化機理如圖1所示。
圖1單組份濕固化聚氨酯密封膠的固化機理5.2.2 雙組份聚氨酯密封膠
雙組份聚氨酯密封膠為反應固化型，一般有A、B兩個組分組成。A組分為主劑，通常是-NCO基團封端的預聚體；B組分為固化劑，通常是活潑氫類擴鏈劑、催化劑和填料等的混合物。其反應原理是，主劑和固化劑混合後發生反應，生成氨基甲酸酯。雙組份聚氨酯密封膠固化快、性能好，但在使用時需先混合，且現用現配，並必須在一定時間內用完，否則會造成浪費。這類密封膠主要應用在輪船、製冷設備、建築和汽車等領域。
聚氨酯密封膠的優點是組成變化多、結構和性能調節範圍大，並且對多種基材都有較好的粘接性；具有優良的耐熱、耐油和耐化學品性；彈性好，具有較好的復原性，適用於動態接縫；環境友好；固化時能形成交聯結構，其耐磨性好，機械強度大；耐候性好，使用壽命達15-20年；耐生物侵蝕，適合在道路接縫、粘土和混凝土等管道中作為密封材料使用。
但聚氨酯密封膠也存在一定缺點，表現在為氨基甲酸酯鍵在高溫下易分解，因此它不適合在高於120℃的溫度環境中使用；淺色配方易受紫外光老化變黃，且紫外光和濕氣會降低其粘接強度，尤其是對玻璃和水泥等無機基材；膠的貯存穩定性受包裝及外界影響較大；高溫高濕環境下固化容易產生氣泡和裂紋，因此許多場合需使用塗劑。
5.3 聚硫密封膠
聚硫密封膠是以由液態聚硫橡膠為主劑，與金屬過氧化物(如PbO2、MnO2等)、硫化劑(固化劑)反應，在常溫下形成的彈性體。通常的聚硫橡膠為乙基縮甲醛二硫聚合物或亞丙基二硫聚合物，在物理形態上呈液態。由於聚硫橡膠的分子結構中含有S-S鍵，它耐鹼、耐稀酸、耐海水和耐油脂的能力較強；又因聚硫橡膠主鏈結構中的二氯乙基甲醛鍵的脆性溫度比較低(在-40℃以下)，它具有很好的耐低溫性能。另外，它的耐候老化、耐臭氧老化性能也很好。因此，聚硫密封膠能較理想地滿足高檔建築密封膠的各項性能指標。
儘管如此，人們採取各種措施對聚硫橡膠進行改性，試圖進一步提高其應用性能。表2為改性聚硫密封膠與常用聚硫密封膠的性能對比。
表2 橡膠改性聚硫密封膠與常用聚硫密封膠與的性能比較
大量的試驗數據表明，一般市售聚硫密封膠產品在常溫下需24 h以上才能固化，低溫時（-10 ℃）甚至需7d-8d 才能固化，而改性聚硫密封膠常溫下只需9h-10h就能固化，低溫下也只需 17h-18 h 即可固化。分析上表中數據可以發現，一般市售聚硫密封膠表干時間、固化時間長，適用期短，抗流掛性能差，而改性聚硫密封膠表干時間和固化時間縮短了，適用期卻延長了，彈性恢復率明顯提高，抗流掛性能也明顯改善。可見，改性聚硫密封膠的物理性能明顯優於一般市售聚硫密封膠。
5.4 丙烯酸建築密封膠
丙烯酸酯密封膠是以丙烯酸酯乳液為主體材料配以交聯劑、熱穩定劑、催化劑、增塑劑、填料、色料等經混合配製而成的單組分型室溫固化（RTV）密封材料。乳液型密封膠是通過水分的揮發，乳膠粒相互接觸、熔合發生凝聚固化，如圖2。
圖2 乳膠膜固化過程
丙烯酸酯密封膠依靠水分的揮發固化，可在潮濕基面上施工，施工溫度應在5℃以上。丙烯酸酯密封膠具有很好的粘結強度。丙烯酸酯密封膠耐候性好，價格便宜，一般多用於外牆板縫等部位的密封。丙烯酸酯密封膠因含有酸根，吸水性強，吸水後會出現軟化、溶脹等現象而使密封工程失敗，當應用於長期泡水的部位時必須對丙烯酸酯密封膠進行耐改性，確保其耐水性試合格（耐水性不得低於80%時方可使用）。
6 結語
單一的防水材料已經不能適應社會的發展和人們的需求，因此，建築防水材料趨於多樣化。我國的建築防水材料已有較好基礎，並隨著科學技術的不斷發展，有力地推動了建築防水新材料、新技術、新構造和新工藝的開發與應用，使我國的建築防水材料技術水平邁上了一個新的台階。我認為，我國需要進一步加大科研的力度，提高技術裝備水平，儘快與世界水平接軌。應該將新型的防水材料作為重要的發展方向，使得防水材料更快推動建築行業的發展。
參考文獻
[1] 胡啟軍. 建築防水密封材料在幕牆上的應用[J]. 中國建築防水, 2010(24):18-20.
[2]萬小梅, 李淑進, 趙鐵軍. 防水密封材料新進展[J]. 海岸工程, 2000(3): 67-75.
[3] 周國成, 任春華, 林朝陽, 陳琴. 單組分硅酮密封膠的分類及其應用研究[J]. 新材料產業, 2010(12): 41-45.
[4]楊曼. 有機硅化合物在聚氨酯密封膠中的應用[D]. 廣州: 華南理工大學, 2012.
[5] 劉傑勝, 吳少鵬, 米軼軒. 新型道路嵌縫密封材料研究[J]. 新型建築材料, 2008, 35(12): 51-52.
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