Нет, это не будет скучно, честно – особенно если вы любите эластичные резиновые вещи. Если вы продолжите читать, то узнаете почти все, что когда-либо хотели знать об однокомпонентных силиконовых герметиках.
1) Что они собой представляют
2) Как их приготовить
3) Где их использовать
Введение
Что такое однокомпонентный силиконовый герметик?
Существует множество типов герметиков, отверждаемых химическим путем, наиболее известными из которых являются силиконовые, полиуретановые и полисульфидные. Название происходит от структуры молекул, входящих в их состав.
Силиконовая основа состоит из:
Си – О – Си – О – Си – О – Си
Модифицированный силикон — это новая технология (по крайней мере, в США), которая фактически означает органическую основу, отвержденную с помощью силановой химии. Примером может служить полипропиленоксид с концевыми алкоксисилановыми группами.
Все эти химические смеси могут быть однокомпонентными или двухкомпонентными, что, очевидно, связано с количеством компонентов, необходимых для отверждения материала. Таким образом, однокомпонентная смесь просто означает, что нужно открыть тюбик, картридж или ведро, и материал отвердеется. Обычно эти однокомпонентные системы реагируют с влагой в воздухе, превращаясь в резину.
Таким образом, однокомпонентный силикон представляет собой систему, которая стабильна в тюбике до тех пор, пока при контакте с воздухом не затвердеет, образуя силиконовую резину.
Преимущества
Однокомпонентные силиконы обладают множеством уникальных преимуществ.
-При правильном приготовлении они очень стабильны и надежны, обладают превосходной адгезией и физическими свойствами. Срок годности (время, в течение которого герметик может оставаться в тюбике до использования) составляет не менее одного года, а некоторые составы могут храниться много лет. Силиконы также, несомненно, обладают наилучшими долговременными характеристиками. Их физические свойства практически не меняются со временем, не подвержены воздействию УФ-излучения, и, кроме того, они демонстрируют превосходную температурную стабильность, превосходящую стабильность других герметиков как минимум на 50℃.
Однокомпонентные силиконы затвердевают относительно быстро, обычно образуя пленку в течение 5-10 минут, становясь нелипкими в течение часа и затвердевая до эластичной резины толщиной около 1/10 дюйма менее чем за сутки. Поверхность имеет приятную резиноподобную текстуру.
— Поскольку их можно сделать полупрозрачными, что само по себе является важной особенностью (полупрозрачный — наиболее часто используемый цвет), их относительно легко окрасить в любой цвет.
Ограничения
Силиконы имеют два основных ограничения.
1) Их нельзя красить красками на водной основе — с красками на основе растворителей тоже могут возникнуть сложности.
2) После затвердевания герметик может выделять часть своего силиконового пластификатора, который при использовании в деформационных швах зданий может создавать некрасивые пятна по краю шва.
Конечно, из-за своей однокомпонентной природы невозможно быстро добиться глубокого отверждения, поскольку система должна взаимодействовать с воздухом, то есть отверждение происходит сверху вниз. Если говорить точнее, силиконы нельзя использовать в качестве единственного герметика в стеклопакетах, потому что, хотя они отлично предотвращают проникновение жидкой воды, водяной пар относительно легко проходит через отвержденный силиконовый каучук, вызывая запотевание стеклопакетов.
Рыночные зоны и области применения
Однокомпонентные силиконовые герметики используются практически везде, в том числе, к сожалению некоторых владельцев зданий, там, где два упомянутых выше ограничения создают проблемы.
Основной объем продаж приходится на строительный и бытовой рынки, за которыми следуют автомобильная, промышленная, электронная и аэрокосмическая отрасли. Как и все герметики, основная функция однокомпонентных силиконов заключается в склеивании и заполнении зазоров между двумя одинаковыми или разными поверхностями, предотвращая проникновение воды или сквозняков. Иногда состав практически не изменяется, за исключением повышения текучести, на которую затем наносится покрытие. Лучший способ отличить покрытие, клей и герметик прост. Герметик герметизирует две поверхности, тогда как покрытие покрывает и защищает только одну, а клей в значительной степени скрепляет две поверхности. Герметик наиболее похож на клей при использовании в конструкционном или теплоизолированном остеклении, однако он также выполняет функцию герметизации двух поверхностей, помимо их скрепления.
Основы химии
Неотвердевший силиконовый герметик обычно выглядит как густая паста или крем. При контакте с воздухом реактивные концевые группы силиконового полимера гидролизуются (реагируют с водой), а затем соединяются друг с другом, высвобождая воду и образуя длинные полимерные цепи, которые продолжают реагировать друг с другом, пока в конечном итоге паста не превратится в впечатляющую резину. Реактивная группа на конце силиконового полимера происходит из наиболее важной части состава (помимо самого полимера), а именно из сшивающего агента. Именно сшивающий агент придает герметику его характерные свойства либо напрямую, такие как запах и скорость отверждения, либо косвенно, такие как цвет, адгезия и т. д., благодаря другим сырьевым материалам, которые могут использоваться со специфическими системами сшивающих агентов, таким как наполнители и промоторы адгезии. Выбор правильного сшивающего агента является ключом к определению конечных свойств герметика.
Виды отверждения
Существует несколько различных систем отверждения.
1) Ацетокси (запах кислого уксуса)
2) Оксим
3) Алкокси
4) Бензамид
5) Амин
6) Аминокси
Оксимы, алкоксилы и бензамиды (более широко используемые в Европе) представляют собой так называемые нейтральные или некислотные системы. Амины и аминооксисистемы имеют запах аммиака и обычно используются в автомобильной и промышленной отраслях, а также в некоторых областях наружных строительных работ.
Сырье
Состав включает в себя несколько различных компонентов, некоторые из которых являются необязательными в зависимости от предполагаемого конечного применения.
Единственными абсолютно необходимыми сырьевыми материалами являются реактивный полимер и сшивающий агент. Однако наполнители, усилители адгезии, нереактивные (пластифицирующие) полимеры и катализаторы добавляются практически всегда. Кроме того, могут использоваться многие другие добавки, такие как цветные пасты, фунгициды, антипирены и термостабилизаторы.
Основные составы
Типичный состав оксимного герметика для строительных работ или для самостоятельного использования будет выглядеть примерно так:
| % | ||
| Полидиметилсилоксан, с ОН-группой, 50 000 сП | 65.9 | Полимер |
| Полидиметилсилоксан, с триметильными концевыми группами, 1000 сП | 20 | Пластификатор |
| Метилтриоксиминосилан | 5 | Сшивающий агент |
| Аминопропилтриэтоксисилан | 1 | Усилитель адгезии |
| 150 кв.м/г площади поверхности осажденного диоксида кремния | 8 | Наполнитель |
| Дибутилолово дилаурат | 0.1 | Катализатор |
| Общий | 100 |
Физические свойства
К типичным физическим свойствам относятся:
| Удлинение (%) | 550 |
| Предел прочности на растяжение (МПа) | 1.9 |
| Модуль упругости при 100°C. Относительное удлинение (МПа). | 0,4 |
| Твердость по Шору А | 22 |
| Изменение состояния кожи с течением времени (мин) | 10 |
| Время безлипкости (мин) | 60 |
| Время стирания (мин) | 120 |
| Полное отверждение (мм за 24 часа) | 2 |
Составы с использованием других сшивающих агентов будут выглядеть аналогично, возможно, отличаясь уровнем сшивающего агента, типом адгезионного промотора и катализаторами отверждения. Их физические свойства будут незначительно различаться, если не используются удлинители цепи. Некоторые системы сложно изготовить без использования большого количества мелового наполнителя. Очевидно, что такие составы невозможно получить в прозрачном или полупрозрачном виде.
Разработка герметиков
Разработка нового герметика включает 3 этапа.
1) Разработка концепции, производство и тестирование в лаборатории — очень малые объемы.
Здесь у лаборанта-химика появляются новые идеи, и обычно он начинает с ручной партии герметика весом около 100 грамм, просто чтобы посмотреть, как он затвердевает и какой вид резины получается. Теперь появилась новая машина «Hauschild Speed Mix» от FlackTek Inc. Эта специализированная машина идеально подходит для смешивания таких небольших партий по 100 г за считанные секунды с одновременным удалением воздуха. Это важно, поскольку теперь позволяет разработчику фактически тестировать физические свойства этих небольших партий. Дымчатый диоксид кремния или другие наполнители, такие как осажденный мел, могут быть смешаны с силиконом примерно за 8 секунд. Удаление воздуха занимает около 20-25 секунд. Машина работает с помощью двойного асимметричного центрифужного механизма, который, по сути, использует сами частицы в качестве собственных перемешивающих элементов. Максимальный размер смеси составляет 100 грамм, и доступны несколько различных типов чашек, включая одноразовые, что означает полное отсутствие необходимости в очистке.
Ключевым моментом в процессе разработки рецептуры является не только тип ингредиентов, но и порядок их добавления, а также время перемешивания. Естественно, исключение или удаление воздуха важно для обеспечения срока годности продукта, поскольку пузырьки воздуха содержат влагу, которая затем вызывает затвердевание герметика изнутри.
После того как химик получит необходимый для его конкретного применения герметик, он переходит к использованию планетарного миксера объемом 1 кварта, который может производить около 3-4 небольших тюбиков по 110 мл (3 унции). Этого материала достаточно для первоначального тестирования срока годности и проверки адгезии, а также для любых других специальных требований.
Затем он может перейти к использованию машины объемом 1 или 2 галлона для производства 8-12 тюбиков по 10 унций для более углубленного тестирования и отбора проб у клиентов. Герметик экструдируется из емкости через металлический цилиндр в картридж, который надевается на упаковочный цилиндр. После этих испытаний он готов к масштабированию производства.
2) Увеличение масштаба и точная настройка средних объемов.
На этапе масштабирования лабораторная рецептура производится на более крупном оборудовании, обычно весом 100-200 кг, или примерно на бочке. Этот этап преследует две основные цели.
а) чтобы выяснить, существуют ли какие-либо существенные различия между размером 4 фунта и этим более крупным размером, которые могут быть результатом скорости смешивания и диспергирования, скорости реакции и различного количества сдвига в смеси, и
б) подготовить достаточно материала для опроса потенциальных клиентов и получения реальной обратной связи непосредственно в процессе работы.
Эта 50-галлонная машина также очень полезна для промышленного производства, когда требуются небольшие объемы или специальные цвета, и за раз необходимо изготовить всего около одной бочки каждого типа.
Существует несколько типов смесительных машин. Два наиболее распространенных типа — это планетарные миксеры (как показано выше) и высокоскоростные диспергаторы. Планетарный миксер хорошо подходит для смесей с высокой вязностью, тогда как диспергатор лучше работает, особенно с жидкотекучими системами с низкой вязностью. В типичных строительных герметиках можно использовать любой из этих типов машин, если учитывать время перемешивания и потенциальное тепловыделение высокоскоростного диспергатора.
3) Объемы полномасштабного производства
Конечное производство, которое может быть серийным или непрерывным, в идеале должно просто воспроизводить конечный состав, полученный на этапе масштабирования. Обычно сначала производится относительно небольшое количество материала (2 или 3 партии или 1-2 часа непрерывной работы) на производственном оборудовании, после чего проводится его проверка, и начинается обычное производство.
Тестирование — что и как тестировать.
Что
Физические свойства: удлинение, прочность на разрыв и модуль упругости.
Адгезия к соответствующей подложке
Срок годности — как ускоренный, так и при комнатной температуре.
Скорость отверждения — время образования пленки, время отсутствия липкости, время образования царапин и время полного отверждения, цвет, температурная стабильность или стабильность в различных жидкостях, таких как масло.
Кроме того, проверяются или наблюдаются другие ключевые свойства: консистенция, слабый запах, коррозионная активность и общий внешний вид.
Как
Лист герметика вытягивают и оставляют затвердевать на неделю. Затем вырезают специальную гантель и помещают ее в разрывную машину для измерения физических свойств, таких как удлинение, модуль упругости и прочность на разрыв. Они также используются для измерения сил адгезии/когезии на специально подготовленных образцах. Простые тесты на адгезию типа «да/нет» проводят, отрывая шарики материала, затвердевшего на исследуемых подложках.
Измеритель твердости по Шору-А измеряет твердость резины. Это устройство выглядит как груз и манометр с острием, вдавливающимся в затвердевший образец. Чем глубже острие проникает в резину, тем мягче резина и тем ниже значение твердости. Для типичного строительного герметика значение твердости находится в диапазоне 15-35.
Время контакта кожи с поверхностью, время до полного удаления пленки и другие специальные измерения кожи проводятся либо пальцем, либо с помощью пластиковых листов с грузиками. Измеряется время, необходимое для того, чтобы пластик можно было чисто удалить.
Для определения срока годности тюбики с герметиком выдерживают либо при комнатной температуре (что, естественно, требует 1 года для подтверждения 1-летнего срока годности), либо при повышенных температурах, обычно 50℃, в течение 1, 3, 5, 7 недель и т. д. После процесса выдержки (в ускоренном случае тюбику дают остыть) материал экструдируют из тюбика и вытягивают в лист, где ему дают отверждаться. Физические свойства резины, образованной в этих листах, проверяют, как и раньше. Затем эти свойства сравнивают со свойствами свежеприготовленных материалов для определения соответствующего срока годности.
Подробное описание большинства необходимых испытаний можно найти в справочнике ASTM.
Несколько заключительных советов
Однокомпонентные силиконовые герметики — это герметики самого высокого качества из доступных на рынке. Однако у них есть свои ограничения, и при наличии специфических требований они могут быть разработаны специально.
Крайне важно убедиться, что все сырьевые материалы максимально сухие, состав стабилен, а воздух удален в процессе производства.
Процесс разработки и тестирования практически одинаков для любого однокомпонентного герметика, независимо от его типа — просто убедитесь, что вы проверили все возможные свойства, прежде чем начинать серийное производство, и что у вас есть четкое понимание потребностей конкретного применения.
В зависимости от требований к применению можно выбрать подходящий химический состав для отверждения. Например, если выбран силикон, а запах, коррозия и адгезия не имеют значения, но необходима низкая стоимость, то лучше использовать ацетоксид. Однако, если речь идет о металлических деталях, которые могут подвергаться коррозии, или требуется особая адгезия к пластику с уникальным глянцевым цветом, то необходим оксим.
[1] Дейл Флакетт. Кремниевые соединения: силаны и силиконы [М]. Gelest Inc: 433-439
* Фото предоставлено компанией OLIVIA Silicone Sealant
Дата публикации: 31 марта 2024 г.
