高層建筑外窗嵌縫用硅酮密封膠的保溫性能研究

張 愷

（棗莊市政務服務中心，山東 棗莊 277000）

裝配式建筑是將預制構件在施工現場組裝并局部澆筑而成，其保溫的重點在于拼接處的密封、防水和防風性能[1]。外窗嵌縫用密封材料的好壞直接關系到裝配式建筑的保溫效果，如果密封材料的性能降低，不但會對裝配式建筑的美觀與品質造成很大的影響，還會影響人們的生活與工作[2]，并且后期的維護成本很有可能比一開始的養護成本還要高出數倍。當前，雖然已有相關的工業標準對裝配式建筑的施工和設計提出了相應的規定，但是對于裝配式建筑外窗嵌縫用的密封材料性能還沒有明確的要求[3]。硅酮密封膠是一種重要的密封材料，由于其具備對大部分基材的粘結強度高、抗位移變形能力強等優點，在各個行業中得到了廣泛的應用，所以對建筑外窗嵌縫用硅酮密封膠的保溫性能進行了深入的研究。

趙新勝[4]采用硅氧烷改性聚醚S810（MS）作為主體材料，將其與抗氧化劑、氣相法白炭黑和其他填料以及增塑劑和觸變劑混合制成主要試劑，將增塑劑與催化劑和月桂氨混合制成固化劑，按照10份主要試劑與1份固化劑的配比將兩者混合并加入適當的顏料，制得改性硅酮密封膠，并研究其使用特性。結果表明，選擇D680作為觸變劑時，當填料和MS預聚體的質量分數分別為29%和30%時，所制得的改性硅樹脂密封膠具有良好的消粘性、觸變性和擠出性，較高的位移能力，較低的模量，滿足建筑外墻填縫線的實際使用要求。張茗涵[5]以107號硅橡膠交聯季銨鹽改性硅油作為基質，以多聚磷酸銨/高硼酸鈣作為阻燃劑體系，制得阻燃型硅酮密封膠，并對其進行研究。結果表明，當107號硅橡膠與阻燃體系的質量分數分別為60%和9%時，阻燃型硅酮密封膠的著火時間是48 s，整個著火時間是397 s，最大熱釋放率較不阻燃硅酮密封膠下降70.7%，平均釋放率下降34.7%，熱力學方程式的關聯度為0.964 1，具有很好的抗熱氧化退化能力。

基于以上研究背景，本工作以高層建筑外窗嵌縫用硅酮密封膠為試驗材料，研究外窗嵌縫密封材料的保溫性能，以期滿足人們對居住環境密封性的需求。

1 實驗

1.1 主要原材料

107號硅橡膠，工業級，濟南有清新材料有限公司產品；納米碳酸鈣，工業級，蘇州邁克朗納米材料科技有限公司產品；重質碳酸鈣和乙烯基三甲氧基硅烷，工業級，大連博潤瑞美化工有限公司產品；二氧化鈦，工業級，江蘇福特宏曄化工有限公司產品；甲基三丙酮肟基硅烷（純度97%）、乙烯基三丙酮肟基硅烷（純度97%）、γ-氨丙基三乙氧基硅烷（純度98%），金華市藍天新材料有限公司產品；二丁基二月桂酸錫，工業級，山東泰暢石化科技有限公司產品。

1.2 主要設備和儀器

DLH-7型實驗型動力混合機，申銀機械制造有限公司產品；CP-60型沖片機，紐斯特檢測設備（揚州）有限公司產品；DRL-Ⅲ-P型導熱系數測定儀，湘潭湘儀儀器有限公司產品；HP-360型電熱恒溫培養箱，上海一恒科學儀器有限公司產品。

1.3 外窗嵌縫用硅酮密封膠的制備

在實驗型動力混合機中，先將50份107號硅橡膠和一定量的增塑劑加入并在真空干燥條件下攪拌[6-7]；然后加入30份重質碳酸鈣、60份納米碳酸鈣和2份二氧化鈦，繼續攪拌均勻[8]；再添加3份甲基三丙酮肟基硅烷、2份乙烯基三丙酮肟基硅烷和0.5份乙烯基三甲氧基硅烷，充分攪拌0.5 h；最后加入0.5份γ-氨丙基三乙氧基硅烷和0.2份二丁基二月桂酸錫，繼續攪拌20 min，即在真空干燥條件下[9]制備得到建筑外窗嵌縫用硅酮密封膠。

1.4 外窗嵌縫硅酮密封膠粘結試件

試驗使用高層建筑外窗嵌縫基材作為粘結基材，如圖1所示。

圖1 粘結基材Fig.1 Bonding substrate

粘結基材的長度為50 cm，硅酮密封膠與建筑外窗嵌縫基材之間的粘結面積為50 cm×0.3 cm，粘結基材的硅酮密封膠體積為50 cm×0.3 cm×0.2 cm。

1.5 性能測試

1.5.1 外窗嵌縫基材底涂處理

由于高層建筑外窗嵌縫基材通常是一種泡沫膠，在長期的暴曬、潮濕環境中，硅酮密封膠與粘結基材之間的粘結性能會下降，從而影響硅酮密封膠的保溫性能，因此需要對建筑外窗嵌縫基材進行底涂[10]。試驗過程中，選取10組外窗嵌縫與硅酮密封膠粘結試件為試驗對象，其中5組基材的表面不做底涂，直接在外窗嵌縫中注入硅酮密封膠；另外5組利用潤濕丙酮的抹布擦拭基材，待基材表面干燥之后，涂抹底涂并干燥[11]，最后在外窗嵌縫中注入硅酮密封膠，通過對比兩組硅酮密封膠粘結試件的粘結性能，分析其保溫性能。

1.5.2 硅酮密封膠的密度

硅酮密封膠在外窗嵌縫中會發生一定的位移形變[12]，在固化過程中其密度變化會影響保溫性能，因此硅酮密封膠與嵌縫粘結的養護對其保溫性能的影響非常大。

按照GB/T 6343—2009《泡沫塑料及橡膠 表觀密度的測定》測試硅酮密封膠粘結試件的密度。硅酮密封膠與嵌縫粘結的養護時間會影響硅酮密封膠的密度，從而影響硅酮密封膠粘結試件的保溫性能。將外窗嵌縫與硅酮密封膠粘結試件在溫度和濕度恒定的條件下，在培養箱內分別養護2，4，6，8，10，12，14和21 d。

1.5.3 硅酮密封膠的熱導率

熱導率指的是硅酮密封膠保溫材料傳遞熱量的能力[13]，硅酮密封膠的熱導率越大，說明其保溫效果越好。將基材經過底涂處理的外窗嵌縫與硅酮密封膠粘結試件在溫度恒定的條件下，按照GB/T 10296—2008《絕熱層穩態傳熱性質的測定 圓管法》測試硅酮密封膠的熱導率。

1.5.4 硅酮密封膠的含水率

硅酮密封膠的含水率會影響其保溫效果，這在于硅酮密封膠吸收的水蒸氣在較低的溫度下會凝結成冰[14]，導致固化之后的硅酮密封膠開裂，破壞其保溫結構。將基材經過底涂處理的外窗嵌縫與硅酮密封膠粘結試件在溫度恒定的條件下，按照GB/T 8810—2005《硬質泡沫塑料吸水率的測定》測試硅酮密封膠的含水率，衡量硅酮密封膠的保溫性能。

1.5.5 養護條件影響

硅酮密封膠的粘結強度、密度、熱導率越大，含水率越小，其保溫性能越好[15]，因此分析水、熱、光等因素對硅酮密封膠保溫性能的影響。

將27個基材經過底涂處理的外窗嵌縫與硅酮密封膠粘結試件劃分為3組，第1組粘接試件在23℃標準溫度下養護14 d用于試驗，第2組粘接試件在23 ℃的水環境中養護7 d用于試驗，第3組試件在40 ℃的水光試驗箱內養護10 d用于試驗。

2 結果與討論

2.1 外 窗嵌縫基材底涂處理對硅酮密封膠粘結性能的影響

由于高層建筑外窗長期處于風吹日曬的環境中，會降低外窗嵌縫硅酮密封膠的粘結性能。外窗嵌縫基材底涂處理對硅酮密封膠粘結強度的影響如表1所示。

表1 外窗嵌縫基材底涂處理對硅酮密封膠粘結強度的影響Tab.1 Effect of substrate primer treatment of external window caulking on bonding strengths of silicone sealants MPa

從表1可以看出，外窗嵌縫基材經過底涂處理之后，硅酮密封膠的粘結強度比未經底涂處理的基材高，即粘接基材經底涂處理后硅酮密封膠與其更好地粘結，從而提高了硅酮密封膠的保溫性能。

2.2 硅酮密封膠保溫性能的影響因素

2.2.1 硅酮密封膠的密度

硅酮密封膠的固化程度不同，保溫性能不同。養護時間對硅酮密封膠密度的影響如圖2所示。

圖2 養護時間對硅酮密封膠密度的影響Fig.2 Effect of curing time on densities of silicone sealants

從圖2可以看出，對于外窗嵌縫基材未經過底涂處理的硅酮密封膠，隨著養護時間的延長，其密度增大，當養護時間由2 d延長到8 d時，硅酮密封膠的密度增大0.016 Mg·m-3，當養護時間延長到10 d時，硅酮密封膠的密度增大0.021 Mg·m-3，繼續延長養護時間，硅酮密封膠的密度基本趨于穩定。對于外窗嵌縫基材經過底涂處理的硅酮密封膠，隨著養護時間的延長，其密度也增大，而且明顯大于未經處理的硅酮密封膠，但是密度變化規律與外窗嵌縫基材未經底涂處理的硅酮密封膠一致，說明至少養護10 d，硅酮密封膠的保溫性能才可以滿足要求。

2.2.2 硅酮密封膠的熱導率

養護時間對硅酮密封膠熱導率的影響如表2所示。

表2 養護時間對硅酮密封膠熱導率的影響Tab.2 Effect of curing time on thermal conductivities of silicone sealants W·（m·K）-1

從表2可以看出，隨著養護時間的延長，外窗嵌縫基材硅酮密封膠的熱導率增大，當養護時間從2 d延長到10 d時，硅酮密封膠的熱導率增大比較明顯，當養護時間從12 d延長到21 d時，硅酮密封膠的熱導率增幅不大，說明養護時間不短于12 d時，硅酮密封膠的熱導率較高，保溫性能較好。

2.2.3 硅酮密封膠的含水率

養護時間對硅酮密封膠含水率的影響如表3所示。

表3 養護時間對硅酮密封膠含水率的影響Tab.3 Effect of curing time on water contents of silicone sealants %

從表3可以看出，硅酮密封膠的含水率隨著養護時間的延長而逐漸減小，當養護時間從2 d延長到8 d時，硅酮密封膠的含水率逐漸減小，當養護時間從8 d延長到10 d時，硅酮密封膠的含水率明顯減小，而養護時間從10 d延長到21 d時，硅酮密封膠的含水率仍有一定減小，但能夠避免硅酮密封膠的保溫結構被破壞，說明當養護時間不短于10 d時，硅酮密封膠的含水率較小，保溫性能較好。

2.3 養護條件對硅酮密封膠保溫性能的影響

2.3.1 對硅酮密封膠密度的影響

養護條件對硅酮密封膠密度的影響如圖3所示。

圖3 養護條件對硅酮密封膠密度的影響Fig.3 Effect of curing conditions on densities of silicone sealants

從圖3可以看出，在水光熱條件下養護的硅酮密封膠的密度與在標準條件下養護的硅酮密封膠接近，而在浸水條件下養護的硅酮密封膠會被水解，導致其內部結構被破壞，從而減小其密度。因此，利用硅酮密封膠填充高層建筑外窗嵌縫時，要盡量避免潮濕或者雨淋。

2.3.2 對硅酮密封膠熱導率的影響

養護條件對硅酮密封膠熱導率的影響如圖4所示。

圖4 養護條件對硅酮密封膠熱導率的影響Fig.4 Effect of curing conditions on thermal conductivities of silicone sealants

從圖4可以看出，雖然在浸水條件和水光熱條件下養護的硅酮密封膠的熱導率都比標準條件下養護的硅酮密封膠小，但是浸水條件下養護的硅酮密封膠的熱導率比標準條件下養護的小10%以上，說明在水光熱條件下養護的硅酮密封膠的保溫效果相對較好。

2.3.3 對硅酮密封膠含水率的影響

養護條件對硅酮密封膠含水率的影響如圖5所示。

圖5 養護條件對硅酮密封膠含水率的影響Fig.5 Effect of curing conditions on water contents of silicone sealants

從圖5可以看出，與在標準條件下養護的硅酮密封膠相比，在浸水條件和水光熱條件下養護的硅酮密封膠的含水率都有所提高，說明在浸水條件下養護的硅酮密封膠的結構會被破壞，而在水光熱聯合作用下養護的硅酮密封膠的結構會被修復，因此其保溫性能相對較好。

3 結論

以密度、熱導率和含水率3個指標作為高層建筑外窗嵌縫硅酮密封膠保溫性能的衡量標準，考察養護時間和養護條件對硅酮密封膠保溫性能的影響。結果表明，外窗嵌縫基材底涂處理、合適的養護時間和水光熱養護條件可以提高硅酮密封膠的保溫性能。