用于爆炸场景的粘合剂 - 结构密封胶玻璃的极端条件



结构密封胶玻璃

在本文中,介绍了高性能聚氨酯粘合剂 Sikaflex®-268 的机械和应用性能,并与 Sikasil® SG-500(一种用于外墙结构玻璃应用的典型有机硅粘合剂)进行了比较。

在 1970 年代初期,美国引入了结构密封胶玻璃 (SSG) 技术,用于将玻璃面板粘合到金属框架上。由于当时有机硅粘合剂具有独特的抗紫外线性和热稳定性,因此是该应用唯一可接受的粘合技术。考虑到在外墙设计中没有控制粘合剂接头上的紫外线辐射和温度的选项,有机硅粘合剂的独特性能是必不可少的。

与从 70 年代到 90 年代的过去几十年相比,外墙行业经历了非凡的技术发展:如今有许多解决方案来控制外墙组件和粘合层的温度和紫外线辐射。因此,应该使用新的标准来选择市场上可用的性能最佳的粘合剂。除了用于 SSG 应用的有机硅技术之外,还应考虑其他粘合剂技术的优势和新的市场需求。

在本文中,介绍了高性能聚氨酯粘合剂 Sikaflex®-268 的机械和应用性能,并与 Sikasil® SG-500(一种用于外墙结构玻璃应用的典型有机硅粘合剂)进行了比较。所有获得的结果表明,Sikaflex®-268 优于 Sikasil® SG-500,使其成为需要传输高负载的理想解决方案。

在爆炸场景中,Sikaflex®-268 可为减少 SSG 接头尺寸和优化系统带来重要机会。西卡专利的 PowerCure 技术将现场粘合和重新上釉的高灵活性与粘合剂的快速固化相结合,不受气候条件的影响。此外,在使用增强聚氨酯技术的单步应用中,最大接头尺寸没有限制。

1 幕墙技术发展对结构密封胶玻璃解决方案的影响

1970 年代初期,美国开发了一种新技术,即结构密封胶 (SSG),通过使用粘合剂将玻璃面板粘合到金属框架系统上。

这种技术在建筑行业的成功在 80 年代和 90 年代已经很明显:在美国安装的建筑幕墙和窗户中,至少有三分之一使用 SSG 系统,依靠粘合剂的特性和粘合性能,无需使用机械紧固件即可连接玻璃和框架。因此,为了制定规范新技术的设计、应用和要求的标准,开始了许多活动 [1]。

当时,只有有机硅粘合剂被认为可以用于外墙结构玻璃应用,因为它具有其他技术无法同时提供的独特性能:

热稳定性

有机硅的机械性能在很宽的温度范围内几乎保持不变。与其他粘合剂技术不同,玻璃化转变发生在非常低​​的温度(通常低于 -50 °C),除了使用温度。市场上可用的大多数结构有机硅在 -40 °C 至 +150 °C 的温度范围内提供稳定的机械性能,涵盖外墙系统的典型使用温度。

非常高的耐候性和抗紫外线性

可以确保在硅胶接头和透明基材之间的界面上具有较长的预期寿命和持久的粘附力,不会因暴露于紫外线辐射和风化影响而产生负面影响。

弹性/伸长能力

粘合连接的弹性行为是外墙应用的关键要求。事实上,热运动会施加到接头上,这些接头将不同尺寸和材料的组件结合在一起,并且会受到温度变化的影响;这种运动需要弹性适应,利用粘合剂的伸长能力。

考虑到 70 年代可用的幕墙系统的最先进技术,有机硅提供的独特性能是必不可少的,因为控制粘合剂接头温度和保护它们免受紫外线辐射的其他选择是不存在的。

如今,情况已经完全改变:外墙行业面临着非凡的发展,新的先进解决方案、系统和工具可用于设计和施工,这也为控制胶层温度和紫外线辐射提供了机会。在大多数外墙应用中,以下解决方案是最先进的:

中空玻璃 (IG) 单元已经取代了单片和夹层玻璃面板的使用。这有助于显着降低内部玻璃层和内部金属型材之间粘合区域的温度。此外,IG 单元的二级密封接头有助于保护 SSG 接头免受紫外线影响。

  • 气候控制系统允许管理室内温度,对应用 SSG 粘合线的外墙元件的温度有显着影响。
  • 引入型材和系统的热断裂,例如聚酰胺棒,可以将粘合区域的温度降至最低。
  • 已开发出陶瓷丝网印刷等先进技术,为保护胶层免受紫外线影响提供了安全的解决方案。
  • 遮阳系统和百叶窗通常集成在外墙元素中,以控制外墙组件以及胶粘剂接缝的温度和辐射。
  • 存在特定的 PVB 中间层用于控制紫外线辐射;有色夹层减少了从阳光中获得的热量。
  • 开发了专用软件并每天使用它来评估建筑物的物理性能并估计组件的温度,以尽量减少极端条件。
  • 许多其他(高级涂层等)

考虑到所有这些因素,外墙行业目前可用的技术证明,将 SSG 应用限制在有机硅粘合剂上已经过时。

应研究 SSG 应用的新解决方案,以便根据特定要求(由系统、负载、设计、生产、边界条件等驱动)选择市场上性能最佳的粘合剂技术,从而为整个应用程序。

2 爆破场景中的粘合剂选择

图 1 比较了不同粘合剂技术的机械性能,评估了拉伸强度与提供的伸长率。考虑到弹性和高伸长率能力是适应外墙组件中发生的热运动的必要条件,可以为 SSG 应用选择两种粘合剂技术:

  • 有机硅 – 提供约 100 倍的典型断裂伸长率。50 – 400 % 和大约范围内的拉伸强度。0.5 – 4 兆帕 [2]。
  • 聚氨酯胶粘剂 – 提供约 100 倍的典型断裂伸长率。250 – 650 % 和大约范围内的拉伸强度。4 – 8 兆帕 [2]。

粘合剂技术

图 1 - 粘合剂技术

很明显,每当需要通过 SSG 连接传递高负载时,使用聚氨酯技术都有助于最大限度地减少接头尺寸和优化系统设计。

在下面的部分中,将比较两种粘合剂的性能,目的是确定最适合爆破设计的机械性能的粘合剂。Sikasil® SG-500:一种双组分有机硅粘合剂,非常适用于结构玻璃,广泛用于全球范围和不同气候区域的外墙行业。

Sikaflex®-268 PowerCure:一种单组分加速聚氨酯粘合剂,设计用于铁路和运输行业的大型部件组装和直接玻璃应用,广泛用于挡风玻璃和窗户与框架的结构粘合。

在其典型的应用领域中,Sikasil® SG-500 和 Sikaflex®-268 PowerCure 粘合剂通常暴露于同等大小的类似负载:

  • 高温
  • 循环加载引起的疲劳现象
  • 紫外线辐射
  • 胶粘剂在使用寿命中的老化
  • 高载荷,例如风载荷、屏障载荷等。
  • 极端冲击载荷

对于 Sikasil® SG-500,这些可以通过爆炸载荷或飓风来确定。

在 Sikaflex®-268 PowerCure 的情况下,这些可以通过拉伸/压力波和气压的瞬态变化来识别,例如由列车通过隧道和与其他相反方向行驶的列车的空气动力学相互作用引起的。通常情况下,高速列车的挡风玻璃接头必须承受大约 100 倍的持续压力。行驶时6.0 kPa,进入隧道时高达15-20 kPa等效静压。

3 标准测试条件下的机械性能

在以下部分中,对 Sikaflex®-268 PowerCure 和 Sikasil® SG-500 的机械性能进行了分析和比较。

3.1 23 °C / 50 % rh 时的机械性能

表 1 以及图 2 和图 3 总结了在单重叠剪切试样上以 5 毫米/分钟的恒定速度固化后测试的粘合剂的剪切强度和断裂剪切应变。接头重叠、宽度和厚度分别为 12 ± 0.5 mm、25 ± 0.1 mm 和 6 ± 0.5 mm。根据[3]规定的试验速度选择5mm/min的速度评价风荷载下的胶粘强度。

结果表明,Sikaflex®-268 PowerCure 的搭接剪切强度是 Sikasil® SG-500 的 3.4 倍以上,最大力时的剪切应变是 2.6 倍以上。

固化后的特征搭接剪切值

表 1 - 固化后的特征搭接剪切值(接头 25 mm x 12 mm x 6 mm)

搭接剪切强度与剪切应变

图 2 - Sikaflex®-268 PowerCure:搭接剪切强度与剪切应变

搭接剪切强度与剪切应变
图 3 - Sikasil® SG-500:搭接剪切强度与剪切应变

3.2 疲劳力学行为

根据 DIN 6701 [4] 中定义的 Whöler 测试,图 4 和图 5 显示了搭接剪切强度的降低取决于粘合剂所承受的负载循环次数。测试结果涉及从 103 到 107 的多个负载循环,表明 Sikaflex®-268 比 Sikasil® SG-500 对疲劳更敏感。尽管如此,在所有负载循环范围内,Sikaflex®-268 提供的强度始​​终高于 Sikasil® SG-500。

疲劳测试结果
图 4 - Sikaflex®-268:疲劳测试结果

疲劳测试结果
图 5 - Sikasil® SG-500:疲劳测试结果

3.3 加速老化后的力学行为

Sikaflex®-268 PowerCure 和 Sikasil® SG-500 是高性能弹性粘合剂,专为大型部件组装和玻璃应用而设计。两者都具有出色的耐候性。为了评估使用寿命期间外部效应的影响,在加速老化后测试搭接剪切强度。加速老化条件为:23 °C / 50 % rh固化7天,然后23 °C浸水7天,80 °C调节1天,最后暴露于高温和高温7天。湿度(70 °C / 100 % 相对湿度)。加速老化后,测试在 23 °C 和 80 °C 下以 5 mm/min 的速度进行。表2总结了获得的结果。

与 Sikasil® SG-500 相比,Sikaflex®-268 PowerCure 的机械值对加速老化和高温更敏感。然而,Sikaflex®-268 PowerCure 提供的搭接剪切强度是 Sikasil® SG-500 强度的两倍以上。

加速老化后的特征搭接剪切强度值
表 2 - 加速老化后的特征搭接剪切强度值(接头 25 mm x 12 mm x 6 mm)

固化和加速老化后的搭接剪切强度
图 6 - Sikaflex®-268 与 Sikasil® SG-500:固化和加速老化后的搭接剪切强度

3.4 不同温度下的力学行为

Sikaflex®-268 和 Sikasil® SG-500 的搭接剪切强度在 -35 °C、23 °C 和 70 °C、固化后和加速老化后以 18 mm/min 的恒定测试速度测定(描述在第 3.3 节)。根据 DIN 6701-3 [4],使用重叠 12 毫米、宽度 25 毫米和粘合剂厚度 3 毫米的试样几何形状。图 6 总结了结果并证实了 Sikaflex®-268 出色的机械性能。与 Sikasil® SG-500 在 23 °C 下提供的强度相比,Sikaflex®-268 在 70 °C 下提供的强度高出 3 倍以上。

Sikaflex®-268 的玻璃化转变温度约为 -57 °C (API [5])。

通常,测试速度和几何因素(重叠/粘合剂厚度)会影响在搭接剪切试样上获得的结果,并且在比较弹性粘合剂的机械性能时需要加以考虑。弹性粘合剂的搭接剪切值随着接头厚度的增加而显示出较低的强度,而较高的测试速度通常会导致搭接剪切强度更高。因此,由于使用的测试速度和粘合剂厚度不同,可能难以直接比较第 3.4、3.1 和 3.3 节中提供的结果。

4 高测试速度下的机械性能

第 3 节强调与 Sikasil® SG-500 相比,Sikaflex®-268 具有出色的机械性能。更高的强度和伸长率使 Sikaflex®-268 成为需要传递高负载的系统的理想粘合剂解决方案。参考爆炸场景的要求,通过在 1 m/s、3 m/s 和 5 m/s 的高速下进行测试,研究了 Sikaflex®-268 和 Sikasil® SG-500 的搭接剪切性能。测试是在搭接剪切试样上进行的,重叠约 。约 12 毫米和接缝宽度和厚度。分别为 25 毫米和 6 毫米。

4.1 23 °C / 50 % rh 高速下的机械性能

结果见表 3

高速搭接剪切测试结果
表 3 - Sikaflex®-268 与 Sikasil® SG-500:23 °C / 50 % rh(7 天固化)下的高速搭接剪切测试结果

加速老化后的高速搭接剪切试验
表 4 - Sikaflex®-268 与 Sikasil® SG-500:加速老化后的高速搭接剪切试验

加速老化后 80 °C 下的高速搭接剪切试验
表 5 - Sikaflex®-268 与 Sikasil® SG-500:加速老化后 80 °C 下的高速搭接剪切试验

4.2 加速老化后的高速力学行为

为了比较加速老化后的粘合剂性能,在第 3.3 节中描述的调节后进行了高速搭接剪切试验。

4.3 80℃加速老化测试后的高速力学行为

Sikaflex®-268 PowerCure 的机械强度取决于温度;正如第 3.3 节中强调的那样,温度越高,提供的强度越低。为了研究高速条件下的这种行为,在 4.2 节中概述的相同加速老化后,Sikaflex®-268 PowerCure 和 Sikasil® SG-500 在 80 °C(试样温度)下进行了测试。

图 7 总结了高速下搭接剪切强度和断裂能的结果。

在所有测试条件下,Sikaflex®-268 PowerCure 的强度和断裂能始终比 Sikasil® SG-500 高,至少是两倍。Sikaflex®-268 PowerCure 在最不利条件下提供的强度始​​终高于 Sikasil® SG-500 在最有利条件下提供的强度。

高速搭接剪切测试结果
图 7 - Sikaflex®-268 PowerCure 与 Sikasil® SG-500:高速搭接剪切测试结果

5 抗紫外线

有机硅粘合剂提供的最相关的好处是未讨论的对紫外线的抵抗力。这意味着当透明玻璃基板粘合到框架上并且粘合剂接头永久暴露于自然光和穿过玻璃的紫外线辐射时,可以预期在整个使用寿命期间具有持久的粘合力。

聚氨酯粘合剂通常对紫外线辐射更敏感,从长远来看,这会损害接头的粘合性能。尽管如此,当今存在众所周知的策略、设计规则和保护措施来克服这个问题。从铁路和运输行业获得的测试和经验告诉我们,克服使用聚氨酯粘合剂粘合透明或半透明基材的障碍的最常见方法是(作为替代方案):

  • 使用适当的紫外线不透明陶瓷丝网印刷。这种陶瓷印刷的应用可能仅限于应用粘合接头的精确玻璃周边区域。尤其是将绝缘玻璃单元粘合到金属框架上时,陶瓷印刷的设计影响是有限的。实际上,沿周边的任何丝网印刷区域通常都可以被隔离物和二次密封隐藏。
  • 使用合适的盖子保护粘合区域。这种解决方案经常在爆破设计中实施,以保留玻璃单元并允许接头仅在剪切下工作。
  • 使用其他减少紫外线辐射的元素作为吸收紫外线的夹层、系统配置等。

Sikaflex®-268 PowerCure 为喷砂设计提供的 6 个应用优势
Sikaflex®-268 是一种单组分聚氨酯,它在暴露于大气水分的情况下固化(作为单组分有机硅)形成耐用的弹性体。这种固化过程取决于大气条件,并且由于固化反应缓慢而限制了生产速度。为了克服这一限制,我们为 Sikaflex®-268 开发了加速固化选项,并永久使用。

  • Sikaflex®-268 可通过泵设备与 SikaBooster®-20 S 组合使用,以便粘合剂通过与增压系统提供的水分反应而快速固化。固化过程很大程度上与大气湿度无关。
  • Sikaflex®-268 PowerCure:这项专利技术由单组分 Sikaflex®-268 粘合剂组成,在使用专业电动分配器(PowerCure Dispenser)挤出时加入促进剂糊剂。助推器的集成确保了快速固化,很大程度上与大气湿度无关。与固化性能相比,手持式分配器是现场应用和重新上釉的理想解决方案。

使用增强型粘合剂 6 小时后,可达到 50% 以上的最终强度。

与 1 组分聚氨酯和 1 组分或 2 组分有机硅不同,如果使用 Sikaflex®-268 的增强版本,则一步应用不存在最大接头尺寸限制。这确保了系统设计和应用可行性方面的高度灵活性,证实了在通常需要大接头的爆炸场景中设计粘合剂的潜力。

7 结论

在外墙行业,有机硅粘合剂通常用于将玻璃和不透明面板结构粘合到金属框架上。然而,聚氨酯技术可以为需要更高强度和高伸长率的新粘合剂解决方案开辟机会。聚氨酯技术使用的一致经验和设计标准存在于除外墙之外的工业领域(例如铁路工业),这些领域在基材类型、风化暴露和负载方面的需求是相似的。

在此背景下,我们分析了 Sikaflex®-268 聚氨酯粘合剂的特性和机械性能,并将其与 Sikasil® SG-500(一种用于外墙结构玻璃的典型有机硅粘合剂)进行了比较。固化后和老化后在不同温度下进行的测试证明 Sikaflex®-268 的机械强度始终高于 Sikasil® SG-500。这为优化接头尺寸、提高设计安全水平和增加暴露于高负载的系统的可行性提供了机会。

特别是在爆炸场景中,聚氨酯技术显示出巨大的潜力。在高测试速度下,Sikaflex®-268 证实了比 Sikasil® SG-500 高得多的搭接剪切强度(因素取决于接头厚度、测试速度和边界条件)。此外,Sikaflex®-268 胶粘剂提供增压版本,不仅适用于泵设备,也适用于电动分配器,为外墙应用提供两大优势:a) 快速固化,不仅适用于工厂生产,也适用于现场应用和/ b) 最大接缝尺寸没有限制,这证实了 Sikaflex®-268 在通常需要更大接缝的爆炸场景中的价值。

在 70 年代,根据当时外墙系统的发展水平,有机硅因其独特的抗紫外线性和热稳定性而被选为粘合剂技术,作为 SSG 粘合的正确解决方案;事实上,温度控制和紫外线辐射防护的选择有限。如今,设计和建造立面组件的先进标准和技术可用于控制其影响。因此,应在不同技术中选择性能最佳的粘合剂,以根据实际系统和设计需求发挥它们所能提供的优势。

8 参考

[1] ASTM C 1401, Standard Guide for Structural Sealant Glazing
[2] ISO 527-2, Plastics – Determination of tensile properties – Part 2: Test conditions for molding and extrusion plastics, 2012
[3] EOTA ETAG 002-1, Guideline for European Technical Approval for Structural Sealant Glazing Kits (SSGK) – Part 1: Supported and Unsupported Systems, 2012
[4] DIN 6701 – Adhesive bonding of railway vehicles and parts – Part 3: Guideline for construction design and verification of bonds on railway vehicles, 2014
[5] API Sikaflex®-268: Chemical and mechanical properties according DIN 6701-3, 2015

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