双组分MS/聚氨酯改性密封胶的制备及性能测试比较研究

王彩雪，麻文娜，芦白茹

(西安欧亚学院，陕西 西安 710065)

装配式建筑是指在工厂完成建筑主要构件的制作，将建筑构件配送到工程现场进行组装的一种新的建筑形式。装配式建筑大幅度提高了建筑效率、降低了能源损耗及对自然环境的污染率[1]。因此，近年来装配式建筑得到了广泛应用。装配式建筑施工的关键是确保其外墙墙体构件粘合牢固，接缝处具有较佳的防水密封性能[2]，这不仅关乎装配式建筑的正常使用，也决定了装配式建筑是否满足用户需求，使用户具有较好的体验感。另外，装配式建筑为满足设计美感要求，往往以明缝方式进行设计，密封胶表面不再涂抹隔离涂层，缺少隔离涂层的保护作用[3]，密封胶直接暴露于自然环境下，经受风吹、雨淋、日晒往往加快其老化过程，缩短使用周期。因此，这就对接缝防水密封胶的质量及性能提出更高的要求。

通过对氯磺化聚乙烯添加不同含量的硅烷使其改性，并对其性能进行研究，在低温和室温条件下改性后氯磺化聚乙烯性能较改性前有所提升[4]；
但该密封胶并不适合使用在温度较高的地区。以水性聚苯丙乳液为基料制备硅酮改性密封胶，并对其耐老化、防水性能进行了研究，结果发现密封胶在耐老化、抗菌、防尘等方面具有较强优势[5]；
但其防水、粘合性方面性能并不突出。基于上述问题，本文提出装配式建筑墙体修复接缝防水密封胶性能研究，制备了双组分MS密封胶、聚氨酯改性密封胶，通过设定适合的催化剂、触变剂含量提升密封胶性能，以满足装配式建筑墙体修复接缝防水需求。

1.1 试验原料

以上海外电国际贸易有限公司的工业用硅烷改性聚醚(MS)树脂、自制聚氨酯预聚体作为基础原料[6]，增塑剂选用南通润丰石油化工有限公司的邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP)；
长兴协和高分子材料股份有限公司生产的工业级聚酰胺蜡(D680)为触变剂；
紫外线吸收剂、光稳定剂来自常州新策高分子材料有限公司；
白炭黑，潍坊衡烁纳米材料有限公司。

1.2 试验仪器

试验用双行星动力混合机，天津市科密欧化学试剂有限公司；
水分测试仪器，上海佳航仪器仪表有限公司；
微机控制电子万能试验机，成都金山化学试剂有限公司。热老化箱DHO-90A，上海灯晟仪器制造有限公司；
紫外线老化箱，上海慧夏仪器设备有限公司；
热重分析仪TGA1000，天津市百世化学试剂有限公司；
拉力机，济南赛呈电子科技有限公司。

1.3 装配式建筑墙体修复接缝防水密封胶的制备

1.3.1双组分MS密封胶的制备

双组分MS密封胶的材料主剂、固化剂配比如表1、表2所示。

表1 双组分MS密封胶的材料主剂配比Tab.1 Material main agent ratio of two-component MS sealant

表2 双组分MS密封胶的材料固化剂配比Tab.2 Material curing agent ratio of two-component MS sealant

双组分MS密封胶制备主剂所需材料按表1的材料配比进行配备，备好后填入到双行星搅拌釜中慢慢搅拌均匀，搅拌过程大约需12 min，并在常温、常压下完成[7]；
经加热，在真空状态下以高速对其搅拌大约70 min；
经真空脱泡12 min后，即可包装。

双组分MS密封胶的材料固化剂所需材料按表2的材料配比进行配备，然后将其置于双行星搅拌釜内，于常温状态慢慢搅拌，40 min左右后即可包装好待用。

装配式建筑墙体修补接缝双组分MS密封胶，按10∶1的质量比，将第1组分和第2组分混合，充分搅拌均匀，然后进行配制。该密封胶的制备是遵循JC/T 881—2017标准完成[8]。

1.3.2制备聚氨酯改性密封胶

有机硅改性制备的密封胶具有强度大、刚性好的特点，将其用于装配式建筑外墙修复接缝，可有效提升其防水性能[9]。因此，选择聚氨酯作为一种新型的粘结剂，用于建筑工程的外墙修补，其生产原料如表3所示。

表3 聚氨酯预聚体制备材料Tab.3 Polyurethane prepolymer preparation materials

将表3中的前3项材料与适量的蒸馏水混合，放置于温度72 ℃的回流装置中[10]，持续对其搅拌，经4.5 h的回流反应全部材料混合均匀，继续加热，将温度升至90 ℃，回流反应产生新的醇类物质，该物质沉入装置底部并挥发，当温度加热到115～120 ℃时经预熟化后[11]，可获得有机硅聚合物。再将其与表3中后3种材料混合，将其加热至130 ℃以上，但不超过160 ℃，继续进行2.5～4.5 h的置换反应后，生成预聚体，通过脱醇处理后[12]即可获得聚氨酯预聚体。

以聚氨酯预聚体作为基础原料制备聚氨酯改性密封胶，其原料配比如表4所示。

表4 聚氨酯改性密封胶的原料配比Tab.4 Raw material ratio of polyurethane modified sealant

将纳米碳酸钙作干燥处理，干燥温度125 ℃，干燥时间5 h。在双行星搅拌机中添加表4中的原料并进行搅拌，搅拌操作需在真空下完成，搅拌均匀后作包装处理。

1.4 测试内容及测试方法

1.4.1表干时间试验

测试温度设定为(23±1)℃，环境湿度设定为(49±2)℃,准备2块干净的玻璃板，各取适量双组分MS密封胶、聚氨酯改性密封胶，分别涂抹在玻璃板上，涂抹2.5 mm后静置。表干时间的确定标准是密封胶表面不粘手即可[13-14]，可通过每间隔5 min测试1次的方法确定其是否粘手。

1.4.2粘结性试验

取4块基材，表面清洁干净，其中2块作打底涂、2块作无底涂处理，将防粘胶带粘在基材一端，分别将2种密封胶涂在基材上，固化后测试其粘接性[15-16]；
由于连绵雨季常导致装配式建筑墙体接缝长时间受雨水浸泡[17-18]，因此设计浸水试验对浸泡后的密封胶粘接性进行测试。分别将上述4种情况下的密封胶放入水中浸泡，测试浸泡5、30、50 d的粘接性能。

1.4.3老化试验

设定以下3种老化条件，分别为：

(1)热老化：对热老化箱进行温度设定，温度设计为75 ℃，并在鼓风条件下进行热老化试验；

(2)紫外老化：应用紫外老化箱进行试验，温度设定为42 ℃；

(3)自然老化：试件直接放在自然环境中即可。

根据上述3种老化条件，将2种不同的密封胶在老化状态下，进行400、800、1 200和1 600 h的老化试验。

1.4.4溶胀试验

将双组分MS密封胶试件、聚氨酯改性密封胶试件分别置于鼓风干燥箱内作干燥处理[19-20]，温度设定为68 ℃，4.5 h后将其置于干燥器内冷却，待其冷却到室温后再将其拿出来。将试件剪下0.35 g置于放有溶剂的量筒内进行溶胀试验。

2.1 不同催化剂含量下2种密封胶的表干时间

设定当下室外温度为(23±1)℃，分析聚氨酯改性密封胶表干时间，结果如图1所示。

图1 聚氨酯改性密封胶表干时间Fig.1 Analysis of surface drying time of polyurethane modified sealant

由图1可以看出，在此温度下，当催化剂质量分数为0.05%时，聚氨酯改性密封胶的表干时间为2.1 h；
不断加大催化剂的质量分数，其表干时间随之减少。当催化剂质量分数增至0.25%时，其表干时间降至0.4 h；
之后继续增加催化剂质量分数，表干时间慢慢趋于稳定，不再变化。

对双组份MS密封胶的表干时间进行分析，结果如图2所示。

图2 双组分MS密封胶表干时间Fig.2 Analysis of surface drying time of two-component MS sealant

从图2可以看出，随着催化剂质量分数的不断增多，双组分MS密封胶表干时间呈逐步下降趋势，同时温度对双组分MS密封胶的表干时间同样具有关联关系。当室外温度为(23±1)℃，催化剂质量分数为0.6%时，表干时间约为6.5 h；
催化剂质量分数增至0.75%时，表干时间降至2.5 h左右；
继续增大催化剂质量分数，表干时间缩短幅度越来越小，且慢慢趋于平稳；
当催化剂质量分数达到1%时，表干时间为2 h左右。当温度升高至(38±1)℃时，其表干时间明显缩短，催化剂质量分数分别为0.6%、0.75%、1%时，表干时间分别为4、1和0.75 h。上述结果表明，聚氨酯改性密封胶催化剂质量分数为0.25%较适宜；
双组分MS密封胶催化剂质量分数为0.75%时较适宜。

2.2 触变剂对2种密封胶的性能影响

添加触变剂可使防水密封胶具有更好的流挂性，触变剂的添加量对密封胶的性能产生一定影响，不同质量分数触变剂下2种密封胶的性能分析如表5所示。

表5 添加不同触变剂的2种密封胶的性能分析Tab.5 Performance analysis of two sealants with different thixotropic agents

由表5可知，以聚酰胺蜡作为双组份MS密封胶的触变剂时，具有较好的性能，当选择白炭黑作为触变剂，添加量为1%时，MS密封胶具有较差的抗流挂性，其原因在于粒径减小，使得比表面积加大，加强了生成的附聚体的刚性性能，并加大了与胶料的贴合面积，增加了密封胶的补强性，但降低了其弹性模量；
表明选择添加量2%的白炭黑较为合适。用聚酰胺蜡作触变剂，对聚氨酯进行改性后，其性能更佳；
而用白炭黑做触变剂则表现出较差的性能。由此可知，聚酰胺蜡对密封胶性能更有利，应将其作为2种密封胶的首选触变剂。

2.3 2种装配式建筑修复接缝防水密封胶粘结性分析

分别对双组分MS密封胶与聚氨酯改性密封胶作冷拉-热压、浸水试验，分析2种密封胶的粘接性能，结果如表6所示。

由表6可知，对双组分MS密封胶与聚氨酯改性密封胶分别作冷拉-热压处理后，只有双组分MS密封胶在无底涂时遭到破坏。对2种密封胶作浸水处理后，随着浸水时间的不断增长，2种密封胶的拉伸强度均呈降低趋势，断裂伸长率指标也在不断减少、粘接破坏程度越来越大，无底涂双组合MS密封胶的粘接性能不满足要求；
而有底涂的双组合MS密封胶完好无损。有底涂的聚氨酯改性密封胶粘接性能符合要求，无底涂的聚氨酯改性密封胶在浸水30 d后已无法满足粘接性能要求。有底涂的双组合MS密封胶性能优于有底涂的聚氨酯改性密封胶。结果表明，底涂可对密封胶的粘接性能起到保护作用，提升密封胶的防水性能。因此，建议在装配式建筑墙体修复拼接时先作底涂处理后再用密封胶密封。

表6 2种密封胶的粘接性能对比Tab.6 Comparison of adhesion of two sealants

2.4 2种装配式建筑修复接缝防水密封胶溶胀分析

在浸水试验的基础上，继续对聚氨酯改性密封胶、双组合MS密封胶进行老化试验，分析在3种老化条件下，2种密封胶的溶胀变化情况，结果分别如图3、图4所示。

图3 聚氨酯改性密封胶的溶胀分析Fig.3 Swelling analysis of polyurethane modified sealant

从图3可以看出，自然老化条件下，聚氨酯改性密封胶的溶胀倍率随老化时间的增加而不断降低；
老化1 200 h前，热老化、紫外老化条件下聚氨酯改性密封胶溶胀倍率均呈不断下降趋势，原因在于此期间聚氨酯改性密封胶发生交联反应，使分子间更加紧凑，致使溶胀倍率降低，老化1 200～1 600 h阶段，因发生热降解、光降解，导致溶胀倍率均开始不断增大，但紫外老化的溶胀倍率增幅大于热老化。结果表明：聚氨酯改性密封胶更容易受到紫外老化的影响。

图4 双组分MS密封胶的溶胀分析Fig.4 Swelling analysis of two-component MS sealant

从图4可以看出，随着老化时间的不断增长，自然老化、热老化时的双组分MS密封胶的溶胀倍率呈不断下降趋势，原因是上述条件导致密封胶的分子链遭到破坏，使其分子间结构更加紧凑。紫外老化条件下，其溶胀倍率呈低-高-低-高趋势变化，这主要与密封胶分子间的交联反应、光降解有关，由二者的共同作用所致。

为满足装配式建筑墙体修复接缝时防水密封胶的性能要求，制备双组分MS密封胶、聚氨酯改性密封胶，通过试验分析为这2种密封胶选择适合的催化剂、触变剂用量；
并对比分析2种密封胶的粘接性能、老化条件下的溶胀情况。

(1)常温下催化剂质量分数为0.25%时，聚氨酯改性密封胶表干时间为0.4 h。温度为(38±1)℃时，双组分MS密封胶表干时间较短，催化剂质量分数为0.75%时，表干时间0.75 h；

(2)双组分MS密封胶、聚氨酯改性密封胶均应将聚酰胺蜡作为首选触变剂；

(3)底涂可对密封胶的粘接性能起到保护作用，提升密封胶的防水性能，有底涂的双组合MS密封胶性能优于有底涂的聚氨酯改性密封胶；

(4)聚氨酯改性密封胶更容易受到紫外老化的影响。紫外老化条件下，双组合MS密封胶溶胀倍率呈低-高-低-高趋势变化。