淺談硅橡膠密封條在節能門窗上的優勢和應用

文/浙江凌志精細化工有限公司 汪金花 屠軍鋼 王香娣

隨著人類居住環境的改變，現代建筑門窗經歷了從鋼門窗到塑鋼門窗、普通鋁合金門窗到斷橋隔熱門窗、系統門窗，建筑門窗行業的發展帶動了密封膠條的更新換代，從最初的天然膠密封條的時代，發展到現代硅橡膠密封條，密封條在門窗配件中的作用地位也越加顯現。

密封膠條是建筑門窗的重要組成部分之一，它通過本體結構中唇空腔凸緣等部位的彈性與接觸面產生的接觸壓力使型材與玻璃之間、框與扇之間閉合，有效防止內、外介質(雨水、空氣、沙塵等)泄露或侵入，防止機械的振動、沖擊和損傷，從而起到密封、隔音、絕熱和絕緣等作用，對節能建筑門窗獲得優異的防水、保溫、隔音、密封等性能起到重要的保障，所以說密封膠條是節能門窗的關鍵。

一、高溫硫化硅橡膠密封條的性能

作為節能門窗的關鍵材料，密封條在門窗中起著水密、氣密及節能的重要作用。而硅橡膠密封膠條作為革命性的密封產品，為節能門窗提供完美的密封，具有無以倫比的性能優勢。

高溫硫化硅橡膠具有卓越的性能，主要為：

1.優異的耐寒性及耐熱性

硅橡膠可在-70OC ～ 200OC的環境中長期使用，硅橡膠良好的高低溫性能在緯度范圍較大的中國地區尤為主要，在中國南方夏季向陽的門窗及墻面上，溫度在70OC是正常的，而在冬季的北方地區氣候在-40OC也不足為奇。巨大的溫差使PVC、熱塑性彈性體、三元乙丙橡膠的使用受到嚴重制約，一般的塑料及橡膠或彈性體在-20OC時已脆化，即使在0OC條件下也無法施工。而硅橡膠在-70OC～ 200OC時，物性根本沒有大的變化。

2.優異的耐氣候老化性

無論是塑料還是三元乙丙類的有機橡膠，其材料基本為碳氧鏈和碳碳鏈構成。這些材料的C-O和C-C鍵能( 分別為336KJ/mol和356KJ/mol)，都低于紫外線輻照能（370 KJ/mol）。在熱老化環境中也容易發生斷鏈現象，從而導致材料的降解。表現為密封膠條不耐紫外老化和熱老化。而硅橡膠其主鏈基本為硅氧鍵結構，Si-O-Si鍵能（452KJ/mol）高于紫外線輻照能，因此硅橡膠具有優異的耐氣候老化性能。在日曬雨淋、水和臭氧的作用下，置室外經30年老化，性能也無明顯下降，可與門窗的使用壽命同步，是其他材料無法實現的。

3.良好的彈性和回彈性

建筑門窗始終承受來自外界及自身的力學變化，如：熱脹冷縮，瞬時荷載，風荷載、地震效應，長久荷載：自重、溫差形變，雪荷載等。硅橡膠優異的彈性，良好的壓縮變形，其他橡膠及塑料無法比擬，硅橡膠在邵氏30A-85A之間任意調整，使其達到最佳密封性能。

4.安全環保

1954年硅橡膠在與人體實驗中證實：“無毒、無味、與人體組織及血液不粘連，生物適應性好，對外界極為敏感的熱血動物組織與硅橡膠制品接觸時，其細胞組織未發現異常。”該結果的公布，也顯示了在環保與醫療界中作為彈性體材料，只有硅橡膠最安全。美國FDA（美國食品藥物管理局）認證中，至今為止作為新型環保材料中沒有一種比硅橡膠更對人體無害，在建筑中突出其優異環保性能，無疑是具有特殊意義的。

5.透氣性好，且具有選擇性透氣率

最新研究表明：硅橡膠的氧透過率是天然膠的25倍，是丁基橡膠（IIR）的428.6倍，這種性能可使居室保持新鮮的空氣，最適合人的生活。

6.表面光潔，顏色多樣

具有良好的表面性能，而且顏色可以做成彩色的，可以與任意顏色的門窗型材搭配，具有很好的裝飾效果。優良的表面性能，防粘、疏水。

二、不同種類密封膠條性能對比

圖1.三元乙丙與硅橡膠經過紫外老化實驗后的硬度、拉伸強度與斷裂伸長率的變化率

圖2.100OC*168h后老化性能對比

密封膠條在各種老化環境下性能的變化，對于門窗的密封性能有著非常重要的影響。在實際使用過程中，建筑門窗工程中密封膠條質量問題主要表現是使用不久變硬變脆，失去了彈性和密封功能；或受太陽光照射后，發粘附著在窗體和玻璃上現象，污染了門窗.影響了門窗的密封功能和美觀；或短時間內收縮脫槽脫落，失去作用。這些都是因為質量不好的膠條耐老化性差，經太陽長期暴曬，膠條老化后變硬，失去彈性，容易脫落。不僅密封性差，而且造成玻璃松動產生安全隱患。密封膠條失效將會對窗戶的性能帶來十分不利的影響，包括降低窗戶的氣密性、水密性和保溫性能。密封條必須在窗戶的整個壽命周期內都保持彈性，并與窗戶形成一個整體。

為此，我們考察了密封膠條紫外老化性能、熱老化性能、低溫性能和材料間的相容性

1.紫外老化性能對比

根據JC/T 485-2007《建筑窗用彈性密封膠》測試了三組硅橡膠密封條和三元乙丙膠條的紫外老化性能（燈管功率300瓦，燈管距試件250mm，紫外線輻照強度 2000～3000 μW /cm2），實驗時間為300h。實驗結果如圖所示。

硬度、拉伸強度和斷裂伸長變化率。由圖1可見，經過紫外老化實驗后，三元乙丙的物理 性能下降比較明顯，拉伸強度的變化率達到了20%，而硅橡膠的性能變化比較小，基本上都在5%以內，表明在長期戶外使用時，硅橡膠比三元乙丙的耐紫外老化性更好，能更長久在保持密封性能。(見圖1)

2.熱空氣老化實驗對比

根據GB/T 24498-2009《建筑門窗、幕墻用硅橡膠密封條》中的熱空氣老化試驗方法，設定溫度為100℃，老化168小時，測試硅橡膠與三元乙丙橡膠的硬度、拉伸強度和斷裂伸長的變化率。由圖2可見，無論是拉伸強度、拉斷伸長率還是硬度，三元乙丙性能變化率都遠遠高于硅橡膠。說明相同的環境中，三元乙丙橡膠不耐老化，硬度上升，膠條脆性增加，性能下降。而硅橡膠則依舊能保持原有的機械性能。同時發現，小分子的揮發也是造成密封條收縮的原因之一。因此在熱老化實驗中，我們也測量了兩種膠條的熱失重。從圖2中可以看到，三元乙丙橡膠會在熱老化實驗中約有2%左右的熱失重。由于三元乙丙的增塑劑多為環烷烴，這部分小分子會在長期使用過程中緩慢釋放，從而影響其性能。硅橡膠的熱失重非常小，在1%以下，可見其本身的熱穩定性非常好，膠條的材料變化不大，因此機械性能也非常穩定。

3.低溫老化性能對比

根據GB/T 24498-2009《建筑門窗、幕墻用硅橡膠密封條》，測試兩種材料的低溫脆性與-60℃的低溫老化實驗。實驗發現，市售三元乙丙在-35OC時，低溫脆性沖擊實驗時會出現裂紋，而到-40OC時，裂紋較多，到-50OC時，會斷裂；而硅橡膠在-60OC時，依然保持彈性不會斷裂，說明硅橡膠在低溫時的性能遠遠優于三元乙丙橡膠，特別適宜于北方氣候條件下的門窗密封。

而經過低溫-60OC 7小時老化后，其性能對比如表1所示。

由表1可見，硅橡膠經低溫-60OC 7小時老化后，拉伸強度與斷裂伸長率、硬度的變化率都比較小，而三元乙丙經過這樣較低溫度的老化后，性能變化顯著，特別是拉伸強度，變化率達30%以上，材料的物性發生明顯變化。

4.壓縮永久變形與拉伸永久變形實驗。

根據GB/T 24498-2009《建筑門窗、幕墻用硅橡膠密封條》，測試兩種材料制備的膠條的壓縮永久變形與拉伸永久變形。

表1 低溫-60 oC 7小時老化后物理性能結果

表2 不同形狀三元乙丙與硅橡膠膠條拉伸永久變形實驗結果

圖3.硅橡膠密封條與三元乙丙密封條的丁基膠相容性實驗

采用A型試樣限制器測試實心圓柱體狀膠料的壓縮永久變形，試樣直徑29±0.5mm，高12.5±0.5mm，試驗條件為100OC7天。實驗結果為硅橡膠7天老化后的壓縮永久變形為24%，三元乙丙的為56%。表明，在門窗的長期開啟、閉合使用過程中，硅橡膠具有優異的保障密封的性能，而三元乙丙老化后，將逐漸失去其密封性能，從而成為門窗節能的破壞者。

將同一口型的膠條從20cm長度拉伸至30.5cm，固定在同一個模具上，放在室內數天，計算回彈性。實驗結果如表2所示?？梢?，硅橡膠在拉伸條件下依然表現出良好的永久變形性，而三元乙丙的表現差強人意。(見表2)

5.材料間相容性對比

隨著中空玻璃的普及，密封膠條與硅酮密封膠、丁基膠的相容性也是不可忽視的問題。在實際應用過程中，我們發現由于三元乙丙橡膠中小分子的揮發造成的中空玻璃流淚的現象。我們做了相關的污染性實驗，實驗結果如下圖3所示。

圖3 硅橡膠密封條與三元乙丙密封條的丁基膠相容性實驗

a,b為同一塊玻璃上打上丁基膠后放置兩種膠條，左邊為硅膠條，右邊為三元乙丙膠條。c～f為相同口型的兩種膠條的丁基膠相容性實驗，c,e為硅橡膠，d,f 為三元乙丙膠條。

從圖中可以看出，硅橡膠密封條與丁基膠無任何反應，顯示出較好的相容性。而三元乙丙膠條則會使得丁基膠變軟，甚至出現拉絲等粘連現象。這也是由于三元乙丙膠條中存在易揮發的環烷烴造成的。環烷烴會進入丁基膠中，造成丁基膠性能的變化，從而導致了中空玻璃密封失敗，表現為中空玻璃流淚的現象。

三、硅橡膠密封條在節能門窗上的應用

1.門窗密封條分類

（1）框扇間密封膠條口型形狀見圖4。

口型設計原則：在框扇間距允許的情況下，盡量采用封閉式空心密封條(俗稱O型條) ?？蛏乳g距<2.5mm時，可采用半封閉密封膠條，但相對密封效果稍差。配平開上下懸窗時，盡量采用半封閉弧狀密封膠條。

一般框扇間的標準距離為3.5mm 在膠條口型壁厚為1mm 的情況 經過反復實驗比較，膠條突出型材安裝平面5-6.5mm 時 密封效果較好并存在以下函數關系：

H：膠條突出型材高度 A：框扇間距 X：膠條口型壁厚

（2）玻璃兩側密封膠條口型形(俗稱K型條)見圖5 。

口型設計原則：a.有槽口的，一般設計成一側嵌入式或穿入式固定，另一側安裝好玻璃后直接壓入。

b.膠條在型材和玻璃的接觸面具有一定的傾角，既美觀又方便雨水的瀉流角度為好。對于單側配膠條的壓縮量0.5mm≤H≤1.5mm對于雙側配膠條的壓縮量0.5mm≤H≤1.5mm具體壓縮量大小與間隙及膠條的厚度有關。

圖4.框扇間密封膠條口型形狀

圖5.玻璃兩側密封膠條口型形圖

（3）等壓膠條口型形狀見下圖6。

口型設計原則：

等壓膠條是隔熱斷橋窗型密封好壞的關鍵。由于框扇密封膠條具有一定壓縮量，門窗閉合時就已經需要一定的閉合力，若片面要求等壓膠條的過盈配合量，就會存在關窗費力的現象。因此等壓膠條的配合在門窗扇閉合時，部份達到稍有變形即可，且在選用五金件時，質量尺寸要有保障，往往因為合頁厚度或強度的變化，導致等壓膠條密封的密封失敗或窗扇無法閉合?？谛驮O計方法：底腳嵌入式緊配合設計a 部份過盈配合量1-2mm。

（4）轉角處理：a.采用45度剪斷并用密封膠固定對角處，若是包邊式的就不用斷開，也有的只切開一點點，但外觀還是完整的；b.直接做成L型角，連接處用密封膠粘接；c.直接做成整框。

圖6.等壓膠條口型形圖

2.密封膠條的固定方式：

密封膠條在型材中的固定方式可分為嵌入式、穿入式、 粘合式：

（1）嵌入式膠條的優點：方便安裝和拆換，可先組窗上墻后再裝配膠條。缺點： 在受到較大外力時容易脫落。穿入式膠條的優點：與型材配合較好，不容易脫落，但不易拆換，必須在型材組窗之前穿入。

（2）粘合式膠條是在膠條與型材接觸部位粘有粘膠，施工時撕掉粘膠保護膜就可將膠條直接粘在型材上，多用于室內門窗、家具的防撞部位。

（3）在一些特殊場合必須使用穿入式安裝。如幕墻的外露防水膠條主要考慮安全性原因膠條與型材的配合。要充分考慮到型材因噴涂、電泳、木紋轉印等原因，造成的裝配膠條的槽口的縮小。

在大力提倡綠色低碳建筑，發展高技術的新材料的今天，硅橡膠密封膠條綜合性能優異能勝任各種密封需求，并長期保持其物理力學性能，做到有效密封，長期密封，特別適用于節能門窗。就硅橡膠密封條的推廣和應用，在歐美發達國家已是一項很成熟的產品和技術，在我國如何通過具體的系統應用使節能門窗得到最優化的配置，這還需要通過行業的各個層面的努力，包括相關標準規范的完善、專業設計人員對新材料的選用和設計、開發商和住戶對新材料的認可和要求等等，可喜的是，越來越多的行業人士認識到硅橡膠具有無以倫比的性價比的優勢，更適用于節能門窗，以及取代三元乙丙密封條是必然的趨勢。