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玻璃结构用双组分聚氨酯胶粘剂老化性能研究

发布时间:2019-12-06人气:43

【摘 要】选取了两种玻璃结构用双组分聚氨酯胶粘剂,通过研究两种胶粘剂在浸水、高温高湿、水-紫外、酸雾、清洁剂等环境模拟条件下拉伸剪切强度随着时间的变化趋势。对两种胶粘剂的综合性能进行评价,为不同玻璃结构部位选胶应用提供一定的参考。
0 前 言
       随着现代建筑行业的深化发展,玻璃已经成为一种十分重要的装饰材料,玻璃材料能够在建筑空间中展示其多样的表现力(光与影效果、色彩效果和肌理效果),与空间结构融合,呈现出特有的美学特点。建筑师往往采用胶粘剂连接的方式将玻璃和其他物质连接在一起,将玻璃应用于建筑墙上,例如在大型商场中,玻璃墙被商家用来展示商品、美化店面,也可以应用于办公楼幕墙,起到良好的隔音、隔和密封效果。此外,玻璃材料还可以应用于透视底部地板(如玻璃栈道)、旋转玻璃楼梯等领域[1,2]。
       玻璃结构部位在建筑装饰施工设计应用中是由支撑体系和玻璃通过结构胶粘接形成胶接结构,以此形成单一的受载体,所受载荷全部由结构胶承担。
       然而玻璃结构胶在服役过程中,会因为受到热、水、光、氧及其他腐蚀介质的作用,自身结构遭到破坏,力学性能衰减,引起结构粘接失效,最终导致玻璃的坠落或者破裂,影响服役质量和寿命。近些年来国内幕墙坠落事故频发也充分说明了这一点[3]。
       聚氨酯胶粘剂通常是由多元醇和异氰酸酯反应而成,其分子结构中含有大量的氨基甲酸酯极性基团,具有较大的分子间作用力,从而可以广泛应用于皮革、木材、金属、玻璃和陶瓷等材料表面的粘,而且具有良好的耐磨性、减震、稳定的化学性和软硬段可调节性,目前在国民经济各个领域得到了广泛的应用。其中双组分聚氨酯具有固化速度可调节、粘接强度大、粘接范围广和性能可调节等特点,已经成为PU胶粘剂的重要组成部分[4]。
       本研究选取了两种双组分聚氨酯胶粘剂:1#聚氨酯胶粘剂具有自流平性,灌浆操作方便;2#聚氨酯胶粘剂具有较好的抗垂挂性,适合用于组角结构密封。试验首先对两种胶粘剂的A组分进行红外谱分析,确定了分子结构类型;然后通过人工加速老化的方法,定期测试拉伸剪切强度,分别研究了1#和 2#两种玻璃结构用双组分聚氨酯胶粘剂在高温高湿、浸水、酸雾和水-紫外等模拟环境下的结构失效规律,为建筑领域中不同玻璃结构部位选胶应用提供一定的参考。
1 试验部分
1.1 试验原料
       丙酮,分析纯,福晨(天津)化学试剂有限公司;去离子水,自制;1#和 2#聚氨酯胶粘剂典型技术参数如表1所示。

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1.2 试验仪器
       IS-10 型红外光谱分析仪,美国赛默飞世尔科技公司;WHTH-408-OYO 型可程式恒温恒湿试验箱,东莞市伟煌试验设备有限公司;SQ2-150型二氧化硫气体腐蚀试验箱,上海林频仪器股份有限公司;ZY-SZW型水-紫外线老化试验箱、ZY-QX型浸水试验箱,郑州中原应用技术研究开发有限公司;CMT4104型电子万能试验机,深圳市新三思材料检测有限公司。
1.3 试验制备
1.3.1 剪切试件的制备

       将一端打孔规格为 100 mm×25 mm×12.5 mm的铝合金型材用丙酮脱脂后待用。将 1#的 A、B 组分按照质量比 5∶1混合均匀,将 2#的 A、B 组分按照质量比1∶1混合均匀。然后把胶料涂于另一端粘接面上,放入辅助垫块制样,胶层厚约 0.2 mm,搭接面积为 25 mm×8 mm。标准条件下放置 15 d,将垫块取下,清除多余溢胶,即制得剪切试件,如图1所示。

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1.3.2 测试样的制备
       试样在温度(23±2)℃、相对湿度(50±5)%RH的环境条件下养护15 d,定期取样并进行相应测试。分别进行常温浸水试验、酸雾试验(按照 JG/T475—2015 标准,箱内暴露 8 h,后在室内环境大气中暴露 16 h)、水-紫外试验[按照 GB 16776—2015标准,水温为(40±5)℃、光强 20~30 W/m2]、耐清洁剂试验[按照 JG/T 475—2015 标准,清洁剂浓度为1%,温度为(45 ± 2)℃ ]、耐湿热老化试验(70 ℃,95%RH),后测定其剪切强度。
1.4 测定或表征
       (1)结构表征:采用红外光谱分析仪进行测定。
       (2)剪切强度:按照 GB/T 7124—2008标准进行测定,拉伸速度为2 mm/min。
2 结果与讨论
2.1 红外谱图分析
       1#和2#的A组分的红外谱图,如图2所示。
       由图 2 可知:1#A 组分在 1 743 cm-1处存在较强 的 C=O 特征峰,属于聚酯型聚氨酯胶粘剂;2#A 组分在 1 089 cm-1处为 C—O—C 的特征峰,属于聚醚型聚氨酯胶粘剂。

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2.2 常温浸水试验对胶粘剂剪切粘接性能的影响
       聚氨酯胶粘剂在常温浸水条件下拉伸剪切强度随时间的变化如表2所示。
       由表 2 可知:浸水至 7 d 时,1#胶粘剂的拉伸剪切强度衰减了34.5%;至14 d时,衰减了51.2%;随着浸水时间的延长,至 180 d时,拉伸剪切强度衰减了80%,已经失去粘接作用。2#胶粘剂由于配方设计的原因,存在后固化现象,在浸水初期粘接强度呈现增大的趋势;浸水至 60 d 时,拉伸剪切强度增长了67.9%;至180 d时,粘接强度开始出现衰减现象,但是拉伸剪切强度仍高于初始强度,粘接状态保持良好。
       在图2中已经观察到1#胶粘剂分子结构中存在易水解的酯基,水能够渗透进入粘接层内部,在浸泡初期渗入到聚氨酯胶粘剂大分子网中的水分子没有达到饱和状态;随着时间的延长,渗入的水分子量增加,使得胶粘剂中大分子发生水解,这种化学破坏作用往往是不可逆的。2#胶粘剂分子结构中不存在易水解的酯基,醚键的存在使得胶粘剂耐水性较好,由于自身结构与配方组成的原因,能够 有效地减缓水分子的侵蚀[5]。
2.3 高温高湿试验对胶粘剂剪切粘接性能的影响
       聚氨酯胶粘剂在 70 ℃、95%RH 条件下拉伸剪切强度随时间的变化如表3所示。

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       由表3可知:在70 ℃、95%RH条件下,试验至第120 h 时,1#胶粘剂的剪切拉伸强度衰减了 74.4%,相比于常温浸水,衰减速度更快。这说明该聚氨酯胶粘剂在高温下对水气比较敏感,水分子的布朗运动加强,加速了水蒸汽对胶粘剂的渗透与扩散,特是对胶接界面的侵蚀较大。2#胶粘剂由于存在后固化现象,剪切拉伸强度呈现上升的趋势,在试验进行至 240 h 时,剪切强度增加了 129%;继续进行试验,剪切强度开始出现下降的趋势,至 1 000 h时,相较于初始强度,剪切强度仅衰减了8.3%,说明2#胶粘剂具有较好的耐高温高湿性能。
2.4 酸雾试验对胶粘剂剪切粘接性能的影响
       聚氨酯胶粘剂在酸雾条件下拉伸剪切强度随时间的变化如表4所示。

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       由表 4 可知:在酸雾试验中 1#剪切强度呈现持续衰减的趋势,试验至 7 d 时,剪切强度衰减了41%,相比较于常温浸水,在酸性介质的条件下,氢离子可以加速酯基水解反应,进而加速了聚氨酯胶粘剂的降解,导致粘接强度加速下降;54 d后其剪切强度衰减 44.8%。2#由于存在后固化现象,在酸雾试验进行至 7 d 和 14 d 时,剪切强度分别增长了9.7%、18.7%;试验进行至 21 d 时剪切强度开始衰 减;试验至 54 d时,与初始强度相比,剪切强度衰减了 29.5%。与 1#胶粘剂相比,2#胶粘剂可以有效地延缓酸雾的侵蚀。
2.5 水-紫外试验对胶粘剂剪切粘接性能的影响
       聚氨酯胶粘剂在水-紫外条件下拉伸剪切强度随时间的变化如表5所示。

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       由表 5 可知:随着水-紫外模拟环境时间的延长,两种胶粘剂的剪切强度均呈现衰减的趋势,但是衰减程度不同。1#在水-紫外试验条件下至 7 d时,剪切强度基本无变化;然而进行至 14 d时,剪切强度衰减了54.7%;随后至28 d时,剪切强度衰减了89.6%。在水-紫外的条件下,聚氨酯胶粘剂除了发生水解作用外,胶粘剂还会吸收290~400 nm的紫外光发生降解,并产生自由基。这些自由基还可以进一步发生自由基反应,加速了聚氨酯分子链的断裂[6]。
       2#胶粘剂在试验至7 d时就已经衰减了21.7%,没有出现拉伸剪切强度增大的后固化现象。这说明聚氨酯分子结构受到紫外光的降解作用较大,较早开始出现衰减现象,进行至 28 d 时,剪切强度衰减了42.8%。
2.6 耐清洁剂试验对胶粘剂剪切粘接性能的影响
       聚氨酯胶粘剂在清洁剂介质条件下拉伸剪切强度随时间的变化如表6所示。

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       30 d后已经完全丧失粘接性能。2#胶粘剂并没有出现粘接强度增大的后固化现象,在试验至 7 d时,较早地出现衰减现象,拉伸剪切强度衰减了 2.6%;在试验至 120 d,拉伸剪切强度衰减了 14.8%。这说明清洁剂中钠盐或钾盐对1#、2#两种聚氨酯胶粘剂的本体结构影响较大。
3 结 语
       (1)对两种胶粘剂的红外谱图分析表明,1#为聚酯型聚氨酯胶粘剂,2#为聚醚型聚氨酯胶粘剂。
       (2)1#胶粘剂由于存在易水解的酯基基团,其本体结构对水比较敏感,在高温下会受到湿气的加速破坏,严重影响粘接强度;2#胶粘剂具有较好的耐水性、耐高温高湿性能。同时,紫外、酸雾、清洁剂都会对两种胶粘剂造成不同程度的侵蚀。
       (3)1#胶粘剂作为一种自流平型聚氨酯胶粘剂,适合用于玻璃栏杆底部 U 型槽口的结构灌封,极少暴露在户外;2#胶粘剂具有一定的触变性,固化后具有较高的粘接强度,可以适用于立面结构性粘接。
参考文献
[ 1 ] 刘桂玲,宫建.浅析玻璃在建筑装饰领域的应用[J].中国建材科技,2019,28(1):96-97.
[ 2 ] 薛宁,韩玉婷.玻璃材料在建筑空间中的运用与表达[J].设计,2017(17):148-149.
[ 3 ] 辛雷,陈佳宇,幸坤涛,等 .某建筑幕墙玻璃坠落事故原因分析[J].建筑安全,2019,34(6):66-69.
[ 4 ] 徐骏,姚其胜 .环保无溶剂型双组分聚氨酯结构胶的研制[J].中国胶粘剂,2013,22(7):29-33.
[ 5 ] 刘晓文,刘锦春.软段种类对聚氨酯弹性体性能的影响[J].青岛科技大学学报(自然科学版),2018,39(S1):79-81;84.
[ 6 ] 李爱玲 . 聚氨酯胶粘剂在大气环境中的失效行为与机理研究[D].北京:北京化工大学,2007. 

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