門窗幕墻結構粘結密封材料的發展

　　摘要：隨建筑門窗幕墻結構粘結密封技術的發展，密封膠的品種規格和生產技術不斷完善，生產規模和能力增長迅速。為適應日益增長的建筑需求及國際化市場，應加強粘結密封材料基礎研究和技術創新，提高產品一致性，推進國際公認的產品認證，促進集約化生產。
　　關鍵詞：建筑；結構；粘結；密封

　　隨建筑門窗幕墻設計、施工、應用技術的發展，20多年來我國構建了以結構連接為主體的彈性粘結密封材料體系。為適應建筑發展及日益增長的國際化市場，應抓住機遇，加強基礎研究和技術創新，推進國際公認的認證，提高產品一致性，促進集約化生產，在競爭中爭取更大發展。
　　1   產品自主研發
　　20世紀80年代末，國家“七五”攻關項目“建筑用硅酮密封膠”和“中空玻璃彈性密封膠”的驗收完成，為結構粘結密封材料的發展創造了重要技術基礎，其后中空玻璃用聚硫彈性密封膠、中空玻璃用丁基密封膠和硅酮密封膠相繼由中試轉入生產，推進了建筑門窗幕墻粘結密封材料的國產化進程。早期發展過程中，成都晨光化工研究院、北京航空材料研究院、鄭州中原應用技術研究所、廣東佛山嘉美化工集團公司和江門精細化工廠等單位，在產品開發、生產技術攻關和工業化生產技術骨干的培養上做了貢獻。我國現已形成適用于結構粘結、中空玻璃密封和適用于石材、金屬等材料具有耐候、防火、防霉等功能的建筑接縫密封膠系列產品，產品牌號超過200項，構建了門窗幕墻粘結密封材料體系，并建成多個產學研基地和產品研發中心，一批專業技術層次較高的工程技術人員成為行業創新發展的骨干，新的功能性產品不斷研發，為建筑門窗幕墻工程應用提供了技術支持。
　　2   產品標準化
　　20多年來，我國相繼發布實施了適用于門窗幕墻粘結密封材料的多項標準，這些標準包括GB 16776《建筑用硅酮結構密封膠》、JC/噸 881《建筑幕墻玻璃接縫用密封膠》、JC/噸 882《建筑用混凝土接縫密封膠》、JC/噸 883《建筑用石材接縫密封膠》、JC/噸 884《建筑用金屬接縫密封膠》、JC/噸 485《建筑窗用密封膠》、JC/噸 486《中空玻璃彈性密封膠》等。在制定和更新修訂標準的過程中，眾多企業和工程技術人員緊密結合工程應用，進行大量驗證試驗，付出辛勤勞動，為結構粘結密封材料的基本性能控制和產品質量監督檢驗提供了技術依據，在凈化產品市場、保障建筑幕墻工程質量、推進國產化產品的應用等方面發揮了重要作用，也為未來國際互認創造了條件。
　　3   行業規模發展
　　90年代中期我國建筑幕墻迅速發展，為粘結密封材料產品開辟了嶄新市場，當時進口結構膠的高價位（單價160元/kg）為國產化產品提供了極大的利潤空間。1997年國家對結構膠生產實施行政審批認定管理，對生產企業進行總量控制，為最早準入獲證的5家企業提供了極為有利的發展機遇和空間，有效地制止了良莠不分一哄而上的局面。經短短幾年的發展，至2003年我國以硅酮結構密封膠為代表的有機硅建筑密封膠的產量，已由1997年的幾千噸增長到7萬噸，成為建筑和幕墻工程中的主導產品。現在建筑密封膠的企業總數已超過80家，銷售額過億的企業已超過25家，接近或超過5億元的企業至少有6家，。密封膠產品以門窗幕墻、中空玻璃、裝飾裝修業和建筑防水為主要市場，逐步向汽車、鐵路運輸、電子和新能源等多個工業領域擴展。其中有機硅密封膠的產能和產量增長最為迅速，預計2015年總產量將由2002年入世時的23萬噸，增長至52萬噸[1]。目前，業內不僅已有企業成功上市，而且許多企業呈現強勁發展和規模擴張的勢頭。盡管目前有些小企業仍將密封膠產品當作“短平快”項目經營，成為新建企業的投資動向，但經濟增長方式從數量擴張型向質量效益型轉變，逐步走向規模化和集約化已成為必然趨勢。
　　4   原料及生產裝備
　　早期建筑結構粘結密封材料的基礎聚合物及單體主要依靠進口，但隨著產品市場需求的急速增長，國產化產能不斷提升，其中以國產硅氧烷的產能增長最為迅速，由90年代初的幾萬噸到現在的100多萬噸，2010年的表觀消費量已達50萬噸，國產原材料供應充足，價格基本穩定，尚有巨大的潛在產能未釋放。我國密封膠最初多采用高速分散機、捏合機和三輥研磨機等設備，間歇式分段生產，手動灌裝，產品質量難以穩定控制。1998年后有機硅密封膠生產開始引進國外設備，包括各種規格的真空行星式攪拌機和壓出機等，逐漸引進紊流混合設備，軟、硬包裝自動灌裝機及堪稱世界先進水平的全自動多組分靜態紊流拼混設備和大型差速捏合設備。這一時期國產化設備的技術水平和功能質量也在不斷提高和完善，價格優勢明顯（約為進口設備的1/5甚至1/8）。2002年以后，行業設備得到更新，新的企業生產線相繼投入建設，國產設備已成主體，其中江陰化工機械廠、佛山市金銀河公司、石家莊市曉進公司等企業都做出了貢獻，特別是2008年后以雙螺桿自動混合擠出設備為主體的生產線在業內推廣，企業產能和生產規模得以顯著提升，產品成本相應下降。近幾年，國外更加先進的第三代生產線吸引企業的關注，該生產線配置可不同程度地實現過程自動控制和在線檢測，如原材料的遠距輸送、計量、真空投料，實現物料混合、分散、均化、細化加工的自動化，從配方控制、調色配合直至密封灌裝、裝箱、碼垛，取代了一線生產人員值機作業模式，實現全線自動化生產。目前一些規模化生產企業已開始引進高配置的生產線裝置，以適應競爭日益激烈的市場，減少人力資源對產品成本的影響，滿足客戶對產品價格、質量及批次穩定性不斷增長的訴求。
　　5   應用技術體系
　　俗稱的“三分料七分工”同樣適用于粘結密封裝配。粘結構造及尺寸設計、粘結選材、施工環境控制、施工技藝和質量驗收等環節，都影響到結構粘結的可靠性及接縫密封的可靠性。目前，建筑門窗幕墻企業依據材料標準、建筑規范和供膠企業的技術支持，對結構粘結密封設計、施工工藝及質量驗收，建立了較完善的程序文件和作業指導書，配備了密封膠進場復驗、低溫倉儲、自動混膠、恒溫恒濕凈化施膠作業和質量驗收所需的儀器和裝備，粘結密封操作人員技術培訓考核上崗，通過評比形成一支精通技術、熟練作業的專業“槍手”隊伍。供膠企業已將工程應用納入自己的服務責任，復核工程粘結密封設計尺寸、復核工程附件相容性檢驗結果、復核工程材料被粘表面的粘結性等，向結構設計、粘結施工及特殊表面處理提供技術支持，保留工程用膠樣品，積累試驗測試數據，跟蹤幕墻應用及材料性能變化，展開相應的試驗研究，在實踐中構建的應用技術體系已成為優質工程的重要保障。我國建筑門窗幕墻施工面積及年竣工量已躍居世界之最，并走出國門承接歐、美、中東、俄羅斯及東南亞多項幕墻工程建設，這表明我國建筑粘結密封材料的產品水平、加工技術水平及粘結裝配結構的可靠性已近世界水平。
　　6   展望和建議
　　建筑粘結密封材料產能和產量的規模發展得益于門窗幕墻市場的增長，但目前的產品多處于中低端同質技術，欠缺高端產品及核心技術優勢。同發達國家相比較，我們的技術創新和市場競爭能力不強，關鍵是新材料、新技術、標準和應用技術基礎研究不足，所以，提升企業國際市場競爭力，必須提升技術基礎，提高產品一致性，推進國際公認的認證制度，同時加大自動化、規模化生產線建設，提高企業集約化生產水平，調整產品結構，推進企業重組進程。
　　1）產品研發
　　近年來，跨國化工企業將中國作為最大的新興市場，紛紛在華建設研發中心、測試中心、技術服務中心，如陶氏在上海建設了陶氏化學中心，埃克森投資7 000萬美元建上海研發中心，道康寧投5 000萬美元建上海商務技術中心，還有巴斯夫、杜邦、朗盛、3M公司等都在華設立了研發中心[2]，由此可預見市場競爭態勢將以創新及核心技術為支撐。道康寧2010年銷售額創60億元新高，比上年增長18%，為客戶提供創新的有機硅技術直接造就了這一強勁表現。新一代粘結密封產品已進入市場，如瓦克公司推出了α－硅烷為基礎不含有機錫催化的密封膠，具有優異的耐化學性能，彈性高，強度高，且像玻璃一樣透明；又如創新的單組分及雙組分聚脲密封膠，強度7～14 MPa，伸長率250%～800%，耐熱150～350 ℃，耐UV輻照、耐低溫，長期耐水、酸、堿和油浸泡穩定。國內企業盡管多為中小企業，但專業技術相對集中，建議企業提高產品創新起點，建立產學研基地、研發中心或委托專業機構出資研究及合作研究獲得知識產權，關鍵聚合物項目可申報納入地方或國家重點科研計劃，集中優勢創新研發極具前景的工程用膠和專業新產品。
　　2）新技術
　　硅酮結構密封膠應用于建筑幕墻結構粘結密封裝配，基本依據是耐老化性能優越、粘結穩定、承載安全。2008年歐洲技術批準（ETA—09/0024）推出一項新材料——幕墻玻璃結構粘結系統專用丙烯酸泡棉壓敏膠，有別于硅酮密封膠，具有粘塑性材料的力學特性，，采用干法粘結施工技術，具有新穎性。該項技術的基礎是深入的材料研究、工程試驗和應用技術研究，證明在該粘塑性材料在風荷載及地震等瞬時/變動荷載下，呈現出特有的非線性的應力—應變效應，在熱位移慢速荷載下呈現出大應變—低應力，這些特性適用于粘結體系的安全承載。該技術在幕墻玻璃結構粘結中具有應用前景。粘結密封是材料、結構及工程科學的邊緣技術，具有較大的技術創新空間，應綜合專業優勢針對工程需要加強基礎研究，如結構粘結密封中聚合物彈性連接體的非線性力學特性研究、建筑結構粘結連接優化技術研究、新型材料及新穎粘結技術研究等，充分發揮彈性粘結的技術優勢，有效改善脆性薄面板結構裝配的可靠性、中空玻璃結構粘結密封的延壽、玻璃粘結復合結構成型和應用技術問題等。建議圍繞建筑安全和節能要求開發新穎技術，展開針對性驗證試驗、應用研究和基礎研究。
　　3）標準化
　　我國非等效采用ISO 11600《建筑結構—密封膠—分類及要求》的建筑密封膠標準，目前已有JC/T 882、JC/T 883、JC/T 884、JC/T 881等，標準內容大同小異，產品性能要求及試驗方法相同，僅個別技術指標隨使用條件不同而略有差異。類似細化用途的產品標準隨著密封膠在建筑上應用對象的增加，可能還會不斷增加。密封膠的基本功能是密封，具有相同的功能性要求及試驗方法，只要有明確的分類及合理的要求，密封膠產品標準完全可等效采用ISO 11600，不必分列為諸多標準。不同對象和使用條件下密封膠的適用性，應在密封選材、建筑接縫密封設計、施工應用技術等相關規范中細化規定，，目前這些技術規范均有缺失，直接影響著建筑結構粘接及防水密封質量水平的進一步提高。
　　目前建筑密封膠的標準用于產品合格判定，規定了產品性能最低指標。眾所周知，密封膠是多種成分混合加工的非定型產品，配方、生產工藝、原材料產地及規格等都會影響產品的內在質量，為有效保證質量穩定，定型的品牌產品不僅要保證合格，而且應限量控制密封膠的密度、黏度、強度、伸長率、模量等性能指標的波動，保證質量一致性。歐洲標準對密封膠的質量一致性提出了要求，如規定了產品密度波動限值、模量波動限值，檢驗產品熱失重曲線和紅外吸收光譜的符合性，將材料疲勞、蠕變等長期的綜合老化性能納入型式檢驗項目，以綜合表征和有效檢驗成分、原料及工藝變化影響的顯著性。若借鑒這種做法，一些檢驗指標合格但配方摻加白油的低價密封膠就難以流入建筑市場，規避應用后才發現流油、開裂、脫膠等工程質量事故的風險。此外應加大貫徹標準的力度，如位移能力級別是建筑接縫寬度設定及選用密封膠的基本依據，但一些低性能產品不執行標準，不標志級別，往往引起誤用，造成建筑接縫密封早期失效；又如結構膠的模量是幕墻設定結構粘結厚度的重要依據，但不少產品不提供報告，放任幕墻企業對結構膠變位能力（δ）的隨意取值，甚至超出現有材料的能力取δ＝25%、40%，導致粘結厚度不足影響粘結可靠性。
　　建筑安全和節能與密封膠品質關系密切。目前中空玻璃產品壽命保證期為10年，延長壽命關鍵是密封膠的性能。中空玻璃存在露點過早上升、結露、滲水甚至外片玻璃墜落傷人現象，主要是玻璃結構粘結中的密封膠耐久性不足，應通過試驗量化產品技術指標與延壽的相關性。對全國城鎮建筑而言，若能使中空玻璃壽命延長一年，獲得經濟效益和社會效益將十分顯著。此外，人們關注幕墻玻璃粘結的安全性，但有關既有幕墻玻璃結構粘結承載可靠性檢驗和失效判定的方法和標準尚未建立，應加快標準化研究，盡快制訂檢驗規則和判定標準。
　　4）產品認證
　　1997至2002年國務院取消結構膠認定管理行政審批，5年間國家經貿委批準認定準入生產的企業共有6家15個牌號，但2002年入世至2010年經協會批準認定的企業基本囊括了結構膠生產企業，共55家138個牌號。目前市場準入門檻已經消失，一些誠信企業開始選擇國家認監委批準的認證機構進行公平、公正、合法、合規的第三方產品質量認證，這些認證是以企業忠誠和發證機構的信用為擔保，適應國際貿易規則和開展國際互認的基礎條件，對企業突破國際貿易技術壁壘、贏得市場競爭優勢具有重要意義[3]。
　　7   結語
　　住房和城鄉建設部仇保興副部長指出，中國是世界最大的建筑市場，正處在大規模城鎮化建設階段，目前的建筑量占到世界的一半還多，大規模建設還會持續 30年至35年。這將預示著建筑粘結密封材料市場會持續增長。值得注意的是有機硅密封膠隨技術的重大突破，單體合成流化床反應器、凈化和濃酸水解技術現已居國際先進及領先水平，大型企業投產單套12萬噸的規模裝置已平穩運行，單體產能過剩已成定局[4]，這將加大有機硅價格的下行趨勢，促進下游密封膠更大發展，加劇市場的替代性競爭。基于這一分析，企業應及時調整產品結構，爭取產品質量認證，加大規模化集約化力度，增強國際市場競爭力。

　　參考文獻：
　　[1] 中國膠粘劑工業協會.有機硅—上游警惕過剩下游良機初現[J].中國膠粘劑信息,2011(2):19-20.
　　[2] 國際化工企業正逐步加強中國研發中心建設[J].中國膠粘劑信息,2011(1):36.
　　[3] 建筑用硅酮結構密封膠產品認證市場分析報告,www.cncwe.net，2008.8.25
　　[4] 國產有機硅裝置運行穩定達標居國際先進水平[J].粘接，2011(4):29.