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50年极限测试

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建筑密封胶人工加速老化试验研究

建筑密封胶人工加速老化试验研究

摘要:ISO 11617:2014是一种同时考虑胶缝移动、阳光、温度和湿度对密封胶的影响的人工加速老化试验方法,本文对ISO 11617:2014的试验方法进行了解读,并用氙弧灯老化试验箱对4类密封胶共6种样品开展18周的人工加速老化试验,运用ISO 11617:2014中的评价方法对老化后试样表面的裂纹数量和宽度进行评级,得出4类密封胶中,硅酮类密封胶耐氙弧灯老化性能最优。
关键词:建筑密封胶、人工加速老化试验、氙弧灯
  密封胶是一种同时具有粘结和密封性能的多用途功能材料,它可以防止内部气体或液体泄漏,又可以防止外部灰尘、湿气、水分、污物和化学药品等侵入,并能防止机械振动、冲击损伤或达到隔音隔热的效果,广泛应用于土木建筑工程中。按照密封胶的聚合物类别可分为硅酮密封胶、聚氨酯密封胶、聚硫密封胶、丙烯酸酯密封胶、氯丁橡胶及丁基橡胶密封胶等。
  密封胶在长期使用时,受到阳光、温度、湿度、氧气、臭氧、胶缝位移等作用,也包括承受许多其它因素的影响,例如:灰尘堆积、酸雨、清洗溶剂、微生物的滋生以及与其它建筑材料的相容性等,会发生老化失效,严重影响建筑工程的质量和安全,如近年来,玻璃幕墙广泛应用,隐框幕墙玻璃坠落以及中空玻璃外片坠落问题频繁出现,因此密封胶的耐久性研究一直受到密封行业和工程界的极大关注。对于建筑密封胶的自然老化,阳光、温度、湿度、氧气、臭氧、胶缝移动等大多单独作用就可以影响密封胶的使用,也有一些因素通过相互作用而影响。一般来说,多个因素的协同作用对密封胶的老化影响更大。在这些因素中,周期性的胶缝移动、阳光、温度、湿度被认为是密封胶失效的最主要的环境因子和老化因素。
 目前国内外针对引起密封胶失效的各种影响因素建立起了一系列的试验方法标准,包括低温柔性[1]、浸水耐久性试验[2]、反复冷拉-热压试验[3]、耐化学侵蚀稳定性试验[4]等,这些方法标准均只考虑了一种或两种因素对密封胶的影响,ISO 11617:2014则是一种同时考虑胶缝移动、阳光、温度和湿度对密封胶的影响的人工加速老化试验方法。
  ISO 11617:2014 设计了一种新的试样支架,通过手工改变限位片,每周改变一次,模拟密封胶在户外使用时产生的循环机械应变;然后将试样放入在高分子材料老化领域广泛使用的人工气候老化试验箱(氙弧灯、荧光紫外灯、开放式碳弧灯)中老化18周,每6周为一个检查周期,在一个检查周期结束后取出试验,观察试样表面情况并拍照,主要观察试样表面是否出现粘接破坏、内聚破坏,如果出现内聚破坏,测量裂纹的长度、宽度及深度,评价试样的老化等级。
1、ISO 11617:2014的解读
1.1 适用范围
  ISO11617规定了弹性密封胶暴露于人工气候环境和周期性变化的拉伸/压缩循环后的内聚形态和外观变化的试验方法,适用于弹性密封胶动态老化后的外观、内聚裂纹的数量、宽度和深度的评级,为评估密封胶动态老化性能提供了参考依据。
1.2 基本原理
  将待测密封胶粘接在支架的两个平行面之间,制成试样。
  试样经过状态调节后,在其一端插入限位块,使其一端处于拉伸状态,另一端处于压缩状态;然后将试样暴露于人工气候(光、热和湿度)环境中,每周改变一次限位块的位置(将限位块从试样的一端更换到另一端,以使试样处于周期性变化的拉伸/压缩状态)。推荐进行3个周期的老化试验,每个老化周期包括6周人工气候老化。每个老化周期结束后,观察试样中密封胶条(拉伸/压缩状态下)的外观,并对试样在规定形变区域内的内聚破坏的裂纹数量、宽度和深度进行评级。记录产生的重大内聚破坏和粘接破坏的裂纹(裂纹深度≥3mm)长度、宽度和深度及其所影响的形变区域。
1.3 仪器和材料
1.3.1支架
  制备试样的阳极氧化铝支架如图1所示,是由两块厚度为2mm的L型阳极氧化铝支撑板,铆接到厚度为2mm的阳极氧化铝底板上制成。L型支撑板之间形成的空腔尺寸为120mm×20mm×18mm(长×宽×高)。
  固定在底板上的支撑板应能围绕铆接点自由旋转。底板上有5个等间距的直径为5mm的圆孔(用于改善密封胶背面的通风情况,确保密封胶充分固化)和2个直径为3mm的圆孔(用于固定挡块)。
1.3.2挡块
  挡块的尺寸为20mm×18mm×10mm,与密封胶接触的一面不能粘附密封胶。如果制备挡块的材质会粘附密封胶,其表面需进行防粘处理,如涂上薄的蜡层,使其不粘附密封胶。
1.3.3背衬材料
制备试样时,应使用3mm厚的开孔泡沫材料(聚乙烯(PE)或聚氨酯(PU)泡沫)做背衬材料。背衬材料不能限制L型支撑板的旋转运动。
1.3.4限位块
  具有合适尺寸的限位块,使试样能达到预定的位移能力。
1.3.5容器
  盛装去离子水或蒸馏水,用于按照方法B进行状态调节。
1.3.6强制通风型的高温箱
  高温箱能够维持恒温(70±2)℃,用于按照方法B进行状态调节。
1.3.7人工气候老化试验箱
  人工气候老化试验箱应符合GB/T 16422.1、GB/T 16422.2、GB/T 16422.3、GB/T 16422.4的要求,能使试样暴露在规定的温度、相对湿度、润湿和光照条件中。
 
图1 阳极氧化铝支架
1.3.7.1氙弧灯光源
  本标准推荐使用带有日光型滤光器的氙弧灯,其光谱能量分布应符合GB/T 16422.2-2014中表1的要求。氙弧灯设备的试验条件见表1。
表1 氙弧灯试验条件
 

暴露周期

辐照度

黑标温度

试验箱温度

相对湿度

%

340nm

W/m2·nm

300nm400nm

W/m2·nm

300nm800nm

W/m2·nm

干周期,

102min 干燥

0.51±0.02

60±2

550±75

65±3

38±3

50±10

湿周期,

18min喷淋或浸润

0.51±0.02

60±2

550±75

-

-

-

干、湿周期循环504次(在老化箱中的总时间为6周)。

经过双方协商,可以使用其他的试验条件,但应在报告中说明。

 
1.3.7.2荧光紫外灯光源
  使用UVA-340荧光灯,其光谱能量分布应符合GB/T 16422.3-2014中表1 A.1的要求。荧光紫外灯设备的试验条件见表2。UVA-340荧光灯的辐照主要集中在紫外区300nm~360nm,包括极少量的可见光和红外光,用于模拟日光中的紫外部分。对长波紫外光和可见光敏感的密封胶,在UVA-340荧光灯中老化可能得出较好的评价结果,而与户外自然暴露的结果出现较大偏离。
表2 荧光紫外灯试验条件
 

暴露周期

340nm时辐照度

W/m2·nm

黑标温度

干周期,8h干燥

0.89±0.02

65±3

湿周期,4h喷淋

0.89±0.02

-

干、湿周期循环84次(在老化箱中的总时间为6周)。

经过双方协商,可以使用其他的试验条件,但应在报告中说明。

 
1.3.7.3开放式碳弧灯光源
  使用带有日光型滤光器(1型)的开放式碳弧灯,其光谱能量分布应符GB/T 16422.4-2014中表1的要求。开放式碳弧灯设备的试验条件见表3。
表3 开放式碳弧灯试验条件
 

暴露周期

是否有光照

黑标温度

相对湿度

%

干周期,102 min±0.5min

有光照

65±3

50±5

湿周期,18min±0.5min

有光照

-

-

干、湿周期循环504次(在老化箱中的总时间为6周)

经过双方协商,可以使用其他的试验条件,但应在报告中说明

 
1.4 试样制备
  每种密封胶制备3个试样。
  在制备试样前,密封胶应在(23±2)℃的环境中调节至少24h。
如果密封胶生产商未提供关于基材清洗的建议,试验人员可以考虑采用以下方法进行清洗。用丙酮(气相色谱级纯度99.8%)对在后续试验过程中与密封胶接触的阳极氧化铝的所有表面进行清洗:
  (1)将干净、无绒的纸巾或布在丙酮中浸湿;
  (2)用被丙酮浸润的纸巾或布清洗表面至少3次,直到表面没有明显的污染物;
  (3)在溶剂完全挥发前,用干的干净无绒的纸巾或布擦干表面。
  (4)重复步骤(1)~(3)至少1次。在步骤(3)中每次擦干表面时,应使用一块新的未污染的纸巾或布。对于严重污染的基材,需要增加预清洗步骤。
  每个试样需要使用一个支架,在清洗后的支架两端加入挡块。在支架内部垫上开孔泡沫塑料(PE或PU)作为背衬材料。
按照密封胶生产商的规定使用密封胶,比如,是否需要在L型支架的接触面上涂上底涂。
把密封胶填充到支架、泡沫背衬材料和挡块组成的空隙中(尺寸:宽×深×长=20mm×15mm×100mm)。要注意以下事项:
  (1)避免形成气泡;
  (2)压紧密封胶,使密封胶在支撑板的内表面;
  (3)刮平密封胶的表面,使密封胶表面与支架和挡块的上表面平齐。
  制样完成后,应检查试样是否有缺陷。不得使用有缺陷的试样进行试验。
  已制备好的试样见图2
 
 
图2 已制备好的试样
1.5状态调节
  根据双方协商,按照方法A或方法B对试样进行状态调节。
1.5.1方法A
  将试样放在可以使底板背面的空气自由流通的地方。带有挡块的试样在(23±2)℃,相对湿度(50±5)%的环境下调节28d。
1.5.2方法B
  方法B是一种常用的状态调节方法,利用水和热的影响加速密封胶的交联。首先按方法A进行状态调节,然后按下述步骤调节3个循环:
  (1)在(70±2)℃的高温箱中调节3d;
  (2)在(23±2)℃的蒸馏水中浸泡1d;
  (3)在(70±2)℃的高温箱中调节2d;
  (4)在(23±2)℃的蒸馏水中浸泡1d。
  调节也可以按(3)—(4)—(1)—(2)的顺序进行。
1.6 试验步骤
1.6.1状态调节结束后,取下挡块。在试样的一端插入限位块,使其一端处于拉伸状态,另一端处于压缩状态,插入限位块的试样见图3。
1.6.2将处于变形状态的试样暴露于人工气候(光、热和湿度)老化条件下,优先选用氙弧灯光源,每周手动改变一次限位块的位置,使试样按照预定的形变(如±25%,±50%)进行周期性变化,改变限位块的试验周期是7d,为确保试样两端有相同的压缩和拉伸时间,应在每周同一天的同一时间(±1h)改变限位块的位置。
1.6.3一个老化周期结束后,取出试样。对试样处于拉伸状态的一端进行评价,记录试验结果并拍照;然后将限位块插入试样的另一端,对试样处于拉伸状态的另一端进行评价,记录试验结果并拍照。
1.6.4检查完试样,从试样上取下限位块,使试样自由恢复1h,然后再插入限位块,插入的位置与前一个老化周期结束时限位块所在的位置相反。按照1.6.2和1.6.3继续进行老化试验。
1.6.5推荐进行3个老化周期的试验,每个老化周期包括6周人工气候老化试验。最后一个老化周期结束后,按照1.6.3的步骤进行评价,记录试验结果并拍照。然后从支架上切下密封胶条,观察密封胶条的背面,密封胶与支撑板粘接界面以及胶条本身。有些降解类型只有从胶条的背面才能观察到。记录观察到的结果,比如密封胶条表面的开裂及胶条本体的降解。
 
 
1.7 实验结果的表述
1.7.1概述
  观察试样上密封胶条出现失效(内聚或粘接破坏)的形式,以及密封胶条表面的变化情况(裂纹、裂缝、粉化等)。
1.7.2密封胶试样的分区
  密封胶试样分为3个区域(见图4):
  区域A是试样两端边缘处2mm×15mm×20mm的区域;
  区域B是试样上与L型支撑板接触的2mm×2mm×100mm的区域;
  区域C是除区域A和区域B以外的其他区域。
  由于试样边角处的密封胶会受到较大的应力,因此在试样制备和测试过程中:
  A区域(试样两端边缘处2mm×15mm×20mm的区域)内极易发生粘接和内聚破坏。该区域内出现的内聚破坏和粘接破坏不需要在报告中注明。
  B区域(试样上与L型支撑板接触的2mm×2mm×100mm的区域)内出现的粘接破坏不需要在报告中注明。
 
 
图4 密封胶试样的分区
1.7.3区域C内的内聚破坏的评价
  根据图5的图片示例,按照表4,对试样上达到规定形变±5mm区域内出现的内聚裂纹数量进行评级。图5示例a)所示的是无特定取向的裂纹;图5示例b)所示的是具有特定取向的裂纹。如果产生了其他形式的裂纹,按照相同的原则对裂纹数量进行评级。
  按照表5对试样上达到规定形变±5mm区域内出现的内聚裂纹最大宽度进行评级。
  按照表6对试样上达到规定形变±5mm的区域内出现的内聚裂纹最大深度进行评级。
  例如,对于位移能力为±25%的密封胶,评价形变为0、±10%和±20%的区域内出现的裂纹的数量、宽度和深度。对于位移能力更高的密封胶,可以评价形变为0、±15%、±25%和±35%或更高的形变区域内出现的裂纹的数量、宽度和深度。
 
a)10mm×20mm观察区域内无特定取向的裂纹
 
b)10mm×20mm观察区域内有特定取向的裂纹
图5 观察区域内的裂纹等级示意图
 
 
表4 内聚裂纹数量等级
 

评级

裂纹数量

0

没有,即没有可见裂纹

1

非常少,个别可见裂纹

2

少,即少量的裂纹

3

中等的,即中等数量的裂纹

4

相当多的,即明显很多的裂纹

5

密集的,即密集状态的裂纹

 
表5 内聚裂纹宽度等级
 

评级

裂纹宽度

0

10倍放大镜下看不到裂纹

1

10倍放大镜下才能看到裂纹

2

正常(或校正)视力可以看到裂纹(宽度<0.1mm

3

正常(或校正)视力可以看到明显的裂纹(0.1mm≤宽度<0.5mm

4

0.5mm1mm宽的大裂纹

5

非常大的裂纹,通常宽度>1mm

 
表6 内聚裂纹深度等级
 

评级

裂纹深度

0

10倍放大镜下看不到裂纹

1

浅的表面裂纹(深度<0.1mm

2

中等的表面裂纹深度(0.1mm≤深度≤1mm

3

明显的表面裂纹深度(1mm<深度≤3mm

4

非常明显的表面裂纹深度(3mm<深度≤10mm

5

内聚破坏(深度>10mm

 
  当观察有显著内聚破坏(裂纹深度>3mm)出现时,测量裂纹的深度、长度及其所影响的形变区域。裂纹的长度用其投射在L支撑板长度方向上的长度表示。
  在报告中注明裂纹影响的形变区域。例如,测量得出显著内聚破坏的裂纹长度为15mm,影响的形变区域为±20%~±25%。
在报告中注明在区域C内单独观察到的内部空洞,区域C内的缺陷包括从支架上切下的密封胶条背面的缺陷等。
1.7.4区域C内的粘接破坏的评价
  从区域B扩展到区域C的粘接破坏(深度>2mm)应在报告中注明。
当观察有重大粘接破坏(裂纹深度>3mm)出现时,测量裂纹的深度、长度及其所影响的形变区域。裂纹的长度用其投射在L支撑板长度方向上的长度表示。在报告中注明裂纹影响的形变区域。
1.8试样图片文档
  目视检查和图片文档相互辅助,有助于试验结果的评价。
  建议每个老化周期结束后,用不低于900万像素的相机(彩色照片应设置为真彩色)对每个试样进行拍照。拍照时,可以在X和Y方向上放置直角尺表示尺寸比例,相机应固定在0°~10°的角度。试样的长边应与照片的水平方向平行。照片应在离试样30cm到50cm的距离拍摄,使试样的长边占据照片水平长度的80%以上。所有的数码照片应采用未压缩格式(RAW、TIF或类似格式)或者至少应采用高质量、低压缩的JPEG格式。不应对照片文件进行任何处理和调整,以免误读原始照片上的信息。
2、氙弧灯人工加速老化试验
2.1 样品
  选择了4种不同种类的建筑密封胶共6种样品,按照ISO 11617:2014中第6章的要求制备试样,状态调节方法按照ISO 11617:2014中第7章中的方法A或方法B进行。样品种类及状态调节方法详见表7。
 
表7 参加试验的样品
 

密封胶类别

试样编号

状态调节

是否施加底涂

聚丙烯酸酯

H-A-1/2

B

聚氨酯

S-B-1/2

A

硅烷改性聚氨酯

S-A-1/2

A

硅酮

D-1/2

A

硅酮

M-1/2

A

硅酮

B-1/2

A

 
2.2试验设备
  Ci5000氙弧灯人工气候老化试验箱,美国ATLAS公司;
  PHH101高温试验箱,广州爱斯佩克仪器有限公司;
  连续变倍放大镜;
  佳能数码相机。
2.3 试验结果与讨论
2.3.1 聚丙烯酸酯类密封胶
  表8是聚丙烯酸酯类密封胶H-A在氙弧灯人工气候老化箱中分别老化6周、12周和18周后的裂纹数量评级和裂纹宽度评级,评级的标准见表4和表5。从表8可知,H-A试样在氙弧灯中老化后试样表面出现裂纹,且随着老化时间延长,裂纹数量增多,裂纹宽度变大。
  图6是聚丙烯酸酯类密封胶H-A在氙弧灯人工气候老化箱中分别老化6周、12周和18周后的照片。图7是聚丙烯酸酯类密封胶H-A在氙弧灯人工气候老化箱中分别老化6周、12周和18周后放大10倍的照片。从图6中可以看出,H-A试样在经历6周的氙弧灯老化后,试样拉伸端密封胶与阳极氧化铝支架的一面出现完全粘接破坏。从图6和图7可直观看到试样裂纹随氙弧灯老化时间的变化情况。
 
表8 聚丙烯酸酯类密封胶H-A氙弧灯老化6周、12周和18周的裂纹数量和宽度评级
 

氙弧灯老化时间

裂纹数量评价,级

裂纹宽度评级,级

H-A-1

H-A-2

H-A-1

H-A-2

6

0

2

0

1

12

3

3

2

2

18

4

4

2

2