石材環氧干掛膠的應用及常見問題探析

桑廣藝夏佳斌劉明，何永富，

石材環氧干掛膠的應用及常見問題探析

桑廣藝1夏佳斌2劉明1，2何永富1，2

本文簡要介紹了石材環氧干掛膠的應用及其在使用過程中暴露出的常見問題，結合自身的產品開發實踐探討了問題的對策、未來產品開發的方向，并介紹了現有產品開發情況。

關鍵詞：石材幕墻；石材干掛膠；環氧樹脂；低溫固化

1.前言

石材幕墻外表美觀大氣，是時下較流行的建筑外部裝飾形式。在建筑施工中常采用干掛工藝。該工藝在建筑物主體結構的外圍預先布設金屬型材骨架，石材經鉆孔或開槽后嵌入不銹鋼掛件后把石材板材、異型材固定在金屬骨架上形成裝飾面。干掛工藝徹底摒棄了傳統的水泥砂漿。根據“JGJ 133-2001《金屬與石材幕墻工程技術規范》”的規定，干掛石材幕墻高度不超過100m，且需在抗震設防的地區，設防烈度不大于8o[1]。

干掛法按具體的安裝方式又分為背栓式工藝（見下圖1）和短槽式工藝（見下圖2）兩種。背栓式需要在石材背面鉆孔、拓孔，之后插入不銹鋼背栓。背栓上的擴張環打開后與石材緊密錨固在一起，可承受很強的張力和壓力。再通過金屬掛件跟由熱鍍鋅金屬構成的橫豎龍骨（通過預埋件固定在建筑主體上）連接。背栓式工藝的主要優點是：每塊石材均有4個背栓掛件，可均勻承受石材重量，且掛件與龍骨掛件接觸面積大，承載強度高、穩定性好，適用于高層和超高層石材外墻；這種工藝后續維護（更換、拆解）方便；且由于不使用化學膠粘劑，無石材污染的風險[2]。當然背栓式工藝存在如下缺點：工藝相對復雜，對施工者素質要求高；板材在上墻之前需要用專門的打孔和拓孔設備加工；此外金屬錨栓的成本高。以上因素使得背栓式幕墻施工工藝整體成本較高。

圖1 背栓式安裝工藝

圖2 短槽式石材干掛法安裝圖及膠粘劑使用部位

另外一種常見的干掛工藝是短槽式安裝法。與背栓式不同的地方在于石材的四個邊預先開槽（槽寬1～1.5cm，深2～3cm）。T型金屬掛件插入槽中后用環氧干掛膠填充。膠固化后形成強度起到結構承載的作用。短槽式工藝的主要優點是：工藝相對簡單，對施工者素質要求不高。所使用的金屬掛件便宜，整體安裝成本低。但該法的主要缺點也很突出：由于使用化學膠粘劑，若操作使用不當或膠產品存在質量問題，就存在污染石材的可能性。

干掛膠在石材干掛工藝中的作用至關重要，粘結質量的好壞直接影響幕墻結構的耐久性和安全性[3，4]。通常2cm厚的石材每平方米的重量為50～60kg，每平米平均用膠量為80～150g。因此石材的粘接性能是重要安全保證。目前干掛膠產品適用的標準是JC 887-2001《干掛石材幕墻用環氧膠粘劑》。

2.環氧干掛膠應用的主要問題及對策

2.1 產品主要問題

過去十幾年建筑產業飛速發展帶動了國內干掛膠市場的繁榮。市場參與者眾多，競爭異常激烈。為爭奪市場份額，生產企業紛紛采取低價策略。價格最低在5-6元/kg，稍微高檔的在12-13元/kg上下。惡性競爭的結果是企業為了盈利而壓縮成本，導致產品質量較差。

目前國內環氧干掛膠產品自身暴露出的主要問題有：固化速度慢，刺激性氣味大，存儲穩定性差易出油，沖擊韌性差易脆，冬季不易施工等。固化速度慢跟環氧樹脂的固化反應機理（通常是離子型開環聚合反應）有關[5-6]。建筑用環氧膠通常為常溫固化，固化劑從化學類別上講主要是胺類（或改性胺類）[7]。為提高反應速度配方中會添加促進劑。不過即便有促進劑幫助提升固化反應速度，反應速率常數也遠遠無法跟自由基聚合固化反應速率常數比，宏觀上無法達到類似不飽和聚酯（云石膠固化反應）那樣的固化反應速度（初步固化時間小于5分鐘）。可以說固化速度的實質提升更多依賴于新型環氧固化劑的研究。另外，由于胺類固化劑普遍揮發性強、刺激性氣味大，在膠產品的生產和使用過程都可能對人自身健康、周圍環境構成威脅。產品的存儲穩定性差表現在存儲一段時間后（通常是2～3個月），膠體發生固液相分離（即所謂出油）。對于環氧樹脂為主體的A組分，離析出來的主體成分是樹脂和稀釋劑。對于固化劑為主體的B組分，離析出來的主體成分是固化劑和促進劑。存儲環境溫度越高出油更明顯。存儲的穩定性跟配方和生產工藝關系密切，提高粉體填料和液體料的相容性，同時注意在混合時在分散攪拌之外增加研磨工序都會提升分散效果，改善存儲穩定性。值得一提的是產品出油加上未充分混勻常常是石材幕墻污染的誘因。沖擊強度是評價環氧干掛膠性能的重要參數。未增韌時固化產物韌性差易脆，是環氧膠的通病。特別是為了降低成本，配方中的填料含量提高會導致沖擊韌性進一步下降。筆者對市場上流通的很多環氧干掛膠產品做過測試，沖擊強度都普遍很低。改善韌性的途徑很多，可以加入增韌劑，或對固化劑分子結構做化學改性（例如結構中引入柔性醚鏈段），也有加入功能填料改善韌性的。但囿于成本因素的考慮，產品廠家極少在改進韌性上下功夫。除了韌性差，冬季增稠也是干掛膠產品的普遍現象。實驗發現隨著溫度降低環氧樹脂粘度會急劇升高（見圖3），低溫增稠是聚合物的一個重要物理屬性。環氧干掛膠產品由于大量填料的加入使得樹脂自身增稠效應（尤其是A組分）更明顯。增稠帶來的最大不利是影響施工。A/B組分混合均勻困難自然難以保證膠粘劑發揮正常功效。而現場施工條件有限，采用加溫輔助手段降低粘度并不現實。我國幅員遼闊地大物博，地區之間氣候差異較大。對于干掛膠生產企業來說，如何應對不同地域客戶（或同一地域不同季節）的各類使用需求，開發能適應施工現場各類溫度條件的全天候產品充滿挑戰。配方中加入稀釋劑可以顯著降低樹脂粘度，但降低幅度有限，近來有研究發現腰果酚環氧樹脂自身粘度很低，能在不大幅加稀釋劑的情況下提高配方中的填料填充率[8]。圖3是工業環氧樹脂E51和腰果酚環氧樹脂隨溫度的粘度變化曲線。相比傳統環氧樹脂E51，腰果酚環氧樹脂（分子結構以部分腰果酚取代苯酚，環氧值約為0.40eq/100g）隨溫度的下降粘度的變化幅度沒有那么大。25oC下約為E51的1/4。當溫度低至0oC附近時，粘度還有30～40Pa·S。而環氧樹脂在5oC時幾乎凍結。可見采用低粘度環氧樹脂也是降低配方稠度的有效途徑。

圖3 E51和腰果酚環氧樹脂（Cardanol）粘度隨溫度變化圖

2.2 應用過程中的主要問題

調查顯示產品應用環節的主要問題是施工操作的不規范。干掛膠的現場配比更多依賴于施工人員的操作經驗，缺乏準確的計量手段。當然這一使用習慣跟產品的包裝和使用形式也有關系。在歐美發達國家，干掛法膠產品包裝為雙組份膠瓶，使用膠槍施工，兩組分通過靜態混合頭擠出，這樣既保證了AB組分混合的比例精準又做到了充分混合均勻。另外一個突出問題是云石膠的濫用[9]。云石膠由于粘度低、浸潤快、粘附性好，比環氧膠固化速度快很多，粘接強度建立時間很短（不到5分鐘），因此在工程中應用很多。但這類膠A：B配比懸殊（100：1或100：3），固化時體積收縮率高（10%～15%），易形成內應力，粘接性能受施工環境的影響大（怕水怕潮），強度無法保證，不具備足夠的結構承載力，因此云石膠被 “JC/T 989-2006 《非結構承載用石材膠粘劑》”標準界定為非結構承載用石材膠粘劑，用途僅限于非結構性粘接，如位置固定；石材干掛施工中不能替代環氧干掛膠。但施工單位常常為了趕工期忽略了這一硬性規定，不該使用云石膠的部位也使用云石膠，造成了安全隱患。

表1 三種膠標準條件下的固化速度和主要力學指標

2.3 產品發展趨勢

隨著建筑發展及施工技術水平的進步，能在未來得到市場垂青的產品當然是物美價廉性價比高。從前面的分析可以看出，無論是產品自身還是應用，干掛膠產品依然存在很多先天不足，因此有很大的發展空間。首先是提升固化反應速度，在市場可接受的成本條件下，實現產品的常溫快速固化的同時提高建筑施工的效率；其次開發出能在較低溫度條件下仍能正常施工、正常固化的干掛膠產品依然是不小的挑戰。再次，通過科學的產品設計減少有毒有害原材料的使用，盡可能把對人體和周圍環境的傷害降到最低并引導用戶正確發揮產品功效也是開發者的工作目標之一。

3.開發情況介紹

杭州之江有機硅公司作為門窗幕墻行業膠粘劑密封膠配套產品的龍頭企業，多年來一直注重環氧干掛膠產品的開發和技術革新。2013年8月推出1：1型雙組份環氧干掛膠產品GM-602以全面替代2：1配比的老產品GM600和GM-601。新配方產品在固化速度方面在市場同類產品中居于領先地位(見表1)。通常環氧干掛膠達到完全固化狀態需要2-7天（甚至更多）的時間。對于用戶來說，表干時間和初固時間作為衡量固化速度的評價依據更有參考意義。我們這里定義初固時間為（23±2oC，50±5% 標準條件下養護）鋼/鋼拉伸剪切強度達到2MPa和8MPa的時間。比較可以得出結論，GM602相比其他產品在建立初始粘接強度方面用時最短。

此外新產品使用的固化劑無色透明刺激性氣味小，環境友好。40oC條件下儲存三個月不出油。主要力學性能指標達到產品行業檢測要求，特別是膠固化后的沖擊韌性好于市場主流產品表現。為適應低溫施工條件，2014年又推出冬季版產品GM-602W。近期再對冬季版產品做了大幅改進，在性能符合相關檢測標準的前提下，把產品的環境適用最低溫度從10oC降至0oC附近，更大限度地提升產品適應能力。

4.小結

本文介紹了環氧干掛膠在石材幕墻干掛工藝中的應用，簡要闡述了市場上這類產品自身及在應用中暴露出的主要問題，分析了問題產生的原因并給出了相應對策，筆者結合開發實踐把開發的產品并跟市場同類產品做了簡單比較。

[1] 羅憶、黃圻、劉忠偉主編.建筑幕墻設計與施工（第2版）.化學工業出版社，2012

[2] 孟憲興，“背栓式干掛石材幕墻在高層建筑外墻的應用”，科學與生活，2010（5），91-92

[3] 賀曼羅主編.建筑膠黏劑（第2版）.化學工業出版，2006

[4] 潘自鼎，“石材幕墻用硅酮建筑密封膠的制備研究”，廣東化工， 2009（9）

[5] 賀曼羅主編，環氧樹脂膠粘劑，中國石化出版社，2004

[6] 陳平主編，環氧樹脂及其應用，中國石化出版社，2011

[7] 胡玉明主編，環氧固化劑及添加劑，化學工業出版社，2011

[8] 李福志，“高強度低成本石材干掛膠的開發應用”，第18次全國環氧樹脂應用技術學術交流會暨學會華中地區分會第14次學術交流會，2015

[9] 周俊興，“建筑膠粘劑在應用中應注意的安全問題” 第二屆建筑膠粘劑專業技術與信息研討會，2013

（作者單位：1.杭州之江有機硅化工有限公司；2.杭州之江新材料有限公司）

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