Все про силікону
2006-11-07 17:20:01
Герметики XXI століття використовують все: і майстер, який замінює вибите скло, і великі фірми, які впроваджують в життя структурне скління. Чому обираний нами тип герметика виявляється недостатньо надійним? Можна пі не робити помилок в майбутньому? У попередньому номері нашого журналу ми познайомилися з кремнійорганічними синтетичними полімерами, відомими під назвою "силікони". Часто цьому терміну надають більш широке значення, поширюючи його на всі герметики на основі зазначеного полімеру. Крім кремнію (Si) до складу полімеру входять метилові, алкілових, фторалкіловие, феніловие і вінілові групи. Відповідно, отримані продукти розрізняються фізико-хімічними властивостями і областю свого застосування. Розглянемо окремі елементи силіконового ущільнюючого матеріалу. Номером першим у цьому списку, що створює еластичну основу кожного ущільнюючого матеріалу, є полімер. Силіконові полімери утворюються в п'ять етапів з загальнодоступній окису кремнію: На першому етапі окис кремнію (SiO2) відновлюється вугіллям до вільного кремнію (Si) в дрібнодисперсному стані. На другому етапі, який проходить паралельно і незалежно від першого, отримують з метилового спирту хлористий метил CH3OH + HCl => CH3Cl + H2O Третій етап полягає в отриманні хлорметілсілана (СН3) 3SiC! з компонентів, отриманих на перших двох етапах. Мономер хлорметілсілана після гідролізу (четвертий етап) (CH3) 3SiCl + H2O => (CH3) 3SiOH піддається конденсації, тобто перетворення в полімер. При цьому окремі молекули мономера оксіметілсілана зшиваються послідовно, поки не вийде витончений полімер із загальною формулою: (CH3) 3SiO-[- (CH3) 2SiO] m-SiO (CH3) 3, і назвою полідіметілсілан (ПДМС). Для виробництва герметиків і конструкційних клеїв застосовуються модифіковані полімери з середньою довжиною ланцюга і різними функціональними групами, причому домінує метильная група. Щоб ущільнюючий матеріал затвердів, необхідно провести реакцію "зшивання", яка заснована на зв'язуванні окремих ланцюгів між собою. Реакція затвердіння однокомпонентних силіконів протікає за участю водяної пари, що міститься в повітрі. Силікон в нормальних умовах твердне зі швидкістю близько 2 мм на добу. Швидкість цієї реакції значною мірою залежить від процентного вмісту водяної пари в повітрі. У нормальних умовах, тобто при температурі 20 ° С і відносній вологості 50%, 1 м3 повітря містить 18 г водяної пари, і той же самий 1 м3 повітря при температурі +5 ° С і відносній вологості 50% містить тільки 3 г водяної пари. В результаті, час затвердіння збільшується майже в три рази. Це стосується всіх однокомпонентних силіконів. Цікаво, що продукти реакції отверждения визначають область застосування силіконів, але не їх механічні властивості. Процес затвердіння силікону завжди протікає від поверхні ущільнювального матеріалу у напрямку до внутрішніх шарів. Одночасно з ростом товщини тверднучого шару герметика знижується швидкість дифузії водяної пари і процес сповільнюється. При товщині шару понад 15 мм дифузія водяної пари практично не відбувається і подальше затвердіння неможливо. Це слід враховувати при проектуванні ущільнень із застосуванням однокомпонентних силіконів. Цього незручності немає у двокомпонентних силіконів, в яких процес затвердіння відбувається після змішування полімеру з сшивающим агентом. В залежності від виду полімеру застосовуються різні зшиваючі агенти, що визначає хімічні властивості силіконів. Нагадаємо класифікацію силіконів в залежності від виділяються при гідролізі компонентів: 1) однокомпонентні Ацетатне (кислотні-утворюється оцтова кислота СН3-СООН), 2) однокомпонентні оксимного (нейтральні – продуктом реакції є метілетілкетоксім RN = OH), 3) однокомпонентні силікони "алкокси" ( нейтральні, де продуктом реакції є спирт R-OH) 4) двокомпонентним силікони "алкокси" (нейтральні, продуктом реакції теж є спирт). Інші типи силіконових систем на ринку зустрічаються рідко. За правильність проходження реакції отверждения несуть відповідальність різні каталізатори, перш за все, каталізатори на базі металоорганічних сполук олова або титану. Зазвичай каталізатор не бере участі в реакції зшивання. Титановий каталізатор створює додаткову структуру, яка з'єднує окремі полімерні ланцюги, зміцнюючу еластичність після затвердіння. Завдяки цьому нова генерація нейтральних силіконів "алкокси" володіє безпрецедентними механічними властивостями і адгезивної здатністю. Тепер ми представимо вам наповнювачі – двоокис кремнію (SiO2) і карбонат кальцію (крейда, СаСО3). Чистий силіконова смола після затвердіння характеризується відносно високою механічною міцністю, і для її розриву потрібно сила близько 0,34 МПа. Змішування смоли з наповнює матеріалом дозволяє отримати продукт з міцністю на розрив 8,3 МПа. Подібним чином подовження до розриву змінюється від 80% для смоли до 1600% для наделастичні ущільнюючих матеріалів. Таким чином, крім полімеру, механічні властивості ущільнюючого матеріалу визначаються також наповнювачем. В залежності від призначення застосовуються різного роду наповнювачі, проте в більшості випадків використовується двоокис кремнію і карбонат кальцію. Від ступеня подрібнення наповнювача залежать параметри герметика. Двоокис кремнію, що отримується в процесі конденсації з газової фази, досягає розміру зерен 0,01-0,05 мікрона. Для порівняння – довжина силіконових полімерів становить близько 1 мікрона. Форма зерен наповнювача має істотне значення для міцності ущільнюючого матеріалу. Найкращі результати виходять при застосуванні наповнювача з питомою поверхнею 20-400 м2 / г. Правильний підбір, а також спосіб змішування наповнювача з незатверділої смолою є строго дотримувалися таємницею виробника. Прозора двоокис кремнію застосовується для виробництва прозорих ущільнюючих матеріалів, зокрема, пофарбованих. Карбонат кальцію, дешевший, ніж двоокис кремнію, служить для виробництва більшості популярних будівельних ущільнюючих матеріалів. Крім того, застосовуються наповнювачі, "підганяють" параметри герметика до різних вимогам, такі як сажа, оксиди металів, скляні мікрокульки і різного виду глини. Ще один необхідний компонент силіконових герметиків, пластифікатори, які надають еластичність матеріалу при його переробці та експлуатації. Вони не повинні впливати на параметри ущільнюючого матеріалу після затвердіння. Тому як пластифікаторів застосовуються перш за все силіконові масла або силіконові полімери з короткими ланцюгами. Більш дешеве рішення – органічні рідини, наприклад, розчинники, які в міру випаровування, після затвердіння, викликають так звану "усадку ущільнюючого матеріалу", пропорційну змістом розчинника. Герметики, що містять тільки силіконові пластифікатори, характеризуються мінімальною усадкою до 3%. Важливу роль виконують пігменти і спеціальні добавки. Для фарбування силіконових ущільнювальних матеріалів застосовуються різноманітні неорганічні барвники, наприклад, оксиди металів. За бажанням можна виготовити герметик, близький за кольором до еталону. Як білого барвника використовуються титанові білила, як чорного – англійська сажа. Окисли заліза надають ущільнюючі матеріали червоний відтінок і збільшують стійкість до температурних впливів, безпосередньому дії вогню. У ряді випадків ущільнюючі матеріали повинні бути стійкі до впливу грибків, мікроорганізмів, що досягається завдяки додаванню антигрибкових коштів – фунгіцидів. Наявні на ринку однокомпонентні силікони зазвичай не вимагають використання грунтувальних засобів (так званих праймерів), застосування яких завжди слід узгодити з виробником герметика. Як грунтовок звичайно застосовуються реактивна сила у вигляді розчинів. Незважаючи на те, що силікони, завдяки низькому поверхневому напрузі полімеру ПДМС, ефективно зволожують більшість гладких поверхонь, наприклад, скла, кераміки, металів, а також затверділого силікону, в окремих випадках застосовуються грунтовки, що збільшують їх адгезивні здатність. Це особливо стосується герме-тиків, призначених для з'єднання з синтетичними матеріалами, наприклад, полікарбонату, а також конструкційних силіконів. Для того, щоб правильно вибрати герметик, необхідно розібратися в його технічних характеристиках, тобто в параметрах, зазначених постачальником (виробником) на упаковці або в інформаційних матеріалах. Температура нанесення, виражається в градусах Цельсія, визначає діапазон допустимих температур поверхонь, на які накладається силікон. Звичайно це інтервал від +5 ° С до -40 ° С. Робоча температура виражається в градусах Цельсія і визначає діапазон температур, в якому отверділий герметик зберігає свої властивості. Для силіконів цей діапазон звичайно становить від -50 ° С до +150 ° С, а в спеціальному виконанні – навіть до +380 ° С. Швидкість видавлювання, що виражається в грамах за хвилину, визначає, наскільки легко видавлюється ущільнюючий матеріал з упаковки. Чим вище це значення, тим легше, з меншим зусиллям видавлюється силікон. Типові значення – від 150 до 480 г / хв. Час утворення кірки, або час обробки, означає час від накладення силікону до початку затвердіння. Цей час виражається у хвилинах і визначає, як довго формується накладений силікон. Час висихання, або час пилесухості, позначає час від накладення силікону до того моменту, коли осідає на поверхні пил не зв'язується з ущільнюючим матеріалом. Швидкість затвердіння, що виражається в міліметрах за день, позначає, на яку глибину відбудеться вулканізація силікону при температурі 20 ° С і відносній вологості 50%. Модуль еластичності позначає силу (відображену в мегапаскалях), що вимагається для розтягування отверділого ущільнюючого матеріалу на 100%. Чим менше модуль, тим більш еластичний ущільнюючий матеріал. Високий модуль характеризує жорсткий ущільнюючий матеріал, мало схильний до деформації, наприклад, конструкційні силікони, що служать для структурного скління. Низький модуль означає ущільнюючий матеріал, здатний до деформації, не викликає додаткових напружень в ущільнюються матеріалах. Еластична декомпресія означає здатність отверділого ущільнюючого матеріалу повернутися до первісної форми після розтягування на 100% або інакше-відсоток деформації від початкової форми. Міцність на розрив означає зусилля (виражається в мегапаскалях), потрібний для розриву зразка (1 2×1 2×50 мм) отверділого ущільнюючого матеріалу. Загальне подовження означає процентне подовження отверділого ущільнюючого матеріалу, розтягуємо аж до розриву. Здатність переносити переміщення або "деформируемость" (англ, "movement capability") означає здатність отверділого ущільнюючого матеріалу деформуватися без втрати цілісності і без втрати адгезії; параметр виражається у відсотках, наприклад, 25% означає, що ущільнюючі матеріал може бути розтягнутий і стислий на 25 % свого початкового розміру. Якщо поруч з параметром не дається жодного роз'яснення щодо методики виміряна то слід з'ясувати у постачальника, як слід розуміти цей параметр. Деякі виробники визначають його тільки для розтягування. Модуль пружності ущільнюючого матеріалу, який визначається як сила, необхідна для дворазового подовження зразка силікону певного перетину, що виражається в ньютонах на міліметр квадратний. У технічних картах ущільнюючих матеріалів виробники користуються термінами "низький", "середній" і "високий" модуль пружності. Це відповідає наступним інтервалам сил: низький модуль – до 0,4 Н/мм2, що відповідає деформованості 50%; середній модуль від 0,4 до 0,6 Н/мм2, що відповідає деформованості 25%; високий модуль – більше 0,6 Н/мм2, що відповідає деформованості 12,5%. Якщо для деформації ущільнюючого матеріалу потрібно невелике зусилля, то це означає, що вплив цього матеріалу на інші ущільнюючі елементи невелика. Такий матеріал не впливає з додатковою силою на конструкцію та ідеально виконує роль ущільнювача. Герметики з високим модулем пружності є жорсткими, мало податливими і несуть конструкційну навантаження, наприклад, в стеклах, приклеєних до несучої конструкції фасаду. Усадка після затвердіння означає відсоток втрати початкового об'єму. Чим менше усадка, тим краще ущільнюючий матеріал. Для силіконів усадка після затвердіння не повинна перевищувати 3% початкового об'єму. А тепер розглянемо різні групи силіконів. Отже, їх коротка робоча характеристика: Ацетатне (АЦЕТОКСИ) характеризуються чудовою адгезивної здатністю по відношенню до скла і металам, дереву та деяким барвистим покриттям. Слабше вони зчіплюються з полівінілхлоридом та іншими синтетичними матеріалами. У них найкоротший час висихання і вони швидше за все схоплюються. Через виділення оцтової кислоти ці силікони підсилюють корозію і не можуть застосовуватися в металевих конструкціях. Не можна застосовувати їх також і для ущільнення плит з натурального каменю і бетону, оскільки оцтова кислота вступає в реакцію з лугами, що містяться у вищезгаданих матеріалах. Вони хороші насамперед там, де треба поєднати скло зі склом, керамікою і алюмінієм, а також з нержавіючої сталлю. З безлічі можливих типів на ринку найбільше представлені два типи нейтральних силіконів: оксимного і алкокси. Оксимного нейтральні силікони характеризуються високою адгезивної здатністю по відношенню до більшості будівельних матеріалів, зокрема синтетичних, а також до більшості барвистих покриттів, включаючи водяні фарби. У порівнянні з ацетатним силіконами вони повільніше утворюють кірку і повільніше схоплюються. Беручи до уваги наявність деякого ризику канцерогенної дії оксимов, частина виробників зараз відмовляється від їх виробництва. Нейтральні силікони алкокси характеризуються більш високою адгезивної здатністю, ніж оксимного силікони, однак у них більш тривалий час схоплювання. В залежності від каталізатора (наприклад, олово) вони можуть вимагати застосування спеціальної грунтовки при накладанні на скло. При титановому (Ті) каталізаторі довговічність зчеплення зберігається навіть при періодичному зануренні у воду. Їх виробництво дорожче (через титану), ніж інших силіконів, проте характеристики краще. Вони практично не мають обмежень у застосуванні. На практиці дуже важливий не тільки грамотний підбір герметика, але і правильне проектування ущільнень. Основні принципи проектування ущільнень: – при проектуванні слід враховувати розтяг, зокрема взаємну термічну розширюваність матеріалів; переміщення під напором вітру і під впливом інших динамічних навантажень; монтажні можливості, характерні для дрібних і великих панелей; заміну пошкоджених панелей; стійкість до деформацій, що відбуваються в процесі складання і монтажу; ізоляцію від впливу зовнішніх умов і акустики; естетику; – ущільнення слід проектувати таким чином, щоб забезпечити як мінімум шестиміліметровим шар ущільнюючого матеріалу, не прилеглий до жодної поверхні. Це досягається застосуванням набивальних шнурів або сепараційних стрічок, виконаних з поліетилену (ПЕ) або поліпропілену (ПП), з якими силікони не зчіплюються; відношення ширини зазору до товщини ущільнення повинно бути в інтервалі від 1:1 до 4:1, рекомендується 2:1 ; мінімальна товщина не може бути менше 3 мм, а максимальна рекомендована товщина складає 10 мм незалежно від ширини зазору, однак зі збереженням попереднього умови; мінімальна рекомендована ширина зазору – 6 мм; мінімальний контакт з ущільнюваної поверхнею – 4 мм, рекомендований -6 мм. Приклад розрахунку розмірів силіконового з'єднувального шва для структурного скління наведений в № 4 (14) за 2001 рік. Підбір ущільнюючого матеріалу диктується умовами роботи, тобто максимальними очікуваними переміщеннями ущільнюються елементів і розміром зазору розтягування, а також типом ущільнюються матеріалів. Розрахунок величини переміщень по відношенню до ширини зазору дозволяє встановити мінімальні механічні вимоги до пропонованого ущільнювачів. Так, для зазору шириною 15 мм ущільнюючий матеріал, що характеризується 25%-й деформуємість, може компенсувати руху розміром до 3,75 мм. Застосування ущільнюючого матеріалу характеризується 50%-й деформуємість, збільшує допустимі переміщення в два рази або дозволяє звузити щілину. З гладкими поверхнями, наприклад, скло, метал і т.п., силікони зв'язуються міцно і надовго. У разі синтетичних матеріалів і деяких барвистих покриттів необхідно застосування спеціальних грунтовок. Для пористых поверхностей, таких, как бетон, кирпич, футеровка для каменной кладки и т.п., применение грунтовок обязательно. Это вызвано расслоением основания, которое происходит в очень тонком околоповерхностном слое, обычно невидимом, однако являющимся местом протечек. Решение проблемы заключается в применении соответствующих грунтовок, усиливающих поверхность уплотняемого материала. В случае новых поверхностей, характеризующихся достаточной целостностью, применяются грунтовки из смеси реактивных силиконовых смол и растворителя. Для выветрившихся и хрупких поверхностей часто следует применять грунтовочные составы на базе эпоксидных смол. Независимо от ситуации следует отдать предпочтение грунтовке, рекомендованной производителем уплотняющего материала. Чтобы определить, необходимо ли применение грунтовки, достаточно выполнить следующий несложный тест. На очищенную поверхность, лучше в малозаметном месте, наносится соответствующая грунтовка, и после ее высыхания накладывается полоска силикона. Аналогично накладывается полоска силикона на очищенную поверхность, но без грунтовки. По истечении 3-4 дней (после отверждения силикона) надрезается фрагмент уплотняющего материала и растягивается под углом 90° в направлении поверхности. Если силикон разрывается в массе, то применение грунтовки излишне. Отрыв силикона от поверхности означает, что применяемая технология подготовки поверхности неудовлетворительна. Испытания можно повторить, изменяя способ очистки и, возможно, грунтовку.
ДЖЕРЕЛО: Вітрина