门窗幕墙结构粘结密封材料的发展

　　摘要：随建筑门窗幕墙结构粘结密封技术的发展，密封胶的品种规格和生产技术不断完善，生产规模和能力增长迅速。为适应日益增长的建筑需求及国际化市场，应加强粘结密封材料基础研究和技术创新，提高产品一致性，推进国际公认的产品认证，促进集约化生产。
　　关键词：建筑；结构；粘结；密封

　　随建筑门窗幕墙设计、施工、应用技术的发展，20多年来我国构建了以结构连接为主体的弹性粘结密封材料体系。为适应建筑发展及日益增长的国际化市场，应抓住机遇，加强基础研究和技术创新，推进国际公认的认证，提高产品一致性，促进集约化生产，在竞争中争取更大发展。
　　1   产品自主研发
　　20世纪80年代末，国家“七五”攻关项目“建筑用硅酮密封胶”和“中空玻璃弹性密封胶”的验收完成，为结构粘结密封材料的发展创造了重要技术基础，其后中空玻璃用聚硫弹性密封胶、中空玻璃用丁基密封胶和硅酮密封胶相继由中试转入生产，推进了建筑门窗幕墙粘结密封材料的国产化进程。早期发展过程中，成都晨光化工研究院、北京航空材料研究院、郑州中原应用技术研究所、广东佛山嘉美化工集团公司和江门精细化工厂等单位，在产品开发、生产技术攻关和工业化生产技术骨干的培养上做了贡献。我国现已形成适用于结构粘结、中空玻璃密封和适用于石材、金属等材料具有耐候、防火、防霉等功能的建筑接缝密封胶系列产品，产品牌号超过200项，构建了门窗幕墙粘结密封材料体系，并建成多个产学研基地和产品研发中心，一批专业技术层次较高的工程技术人员成为行业创新发展的骨干，新的功能性产品不断研发，为建筑门窗幕墙工程应用提供了技术支持。
　　2   产品标准化
　　20多年来，我国相继发布实施了适用于门窗幕墙粘结密封材料的多项标准，这些标准包括GB 16776《建筑用硅酮结构密封胶》、JC/吨 881《建筑幕墙玻璃接缝用密封胶》、JC/吨 882《建筑用混凝土接缝密封胶》、JC/吨 883《建筑用石材接缝密封胶》、JC/吨 884《建筑用金属接缝密封胶》、JC/吨 485《建筑窗用密封胶》、JC/吨 486《中空玻璃弹性密封胶》等。在制定和更新修订标准的过程中，众多企业和工程技术人员紧密结合工程应用，进行大量验证试验，付出辛勤劳动，为结构粘结密封材料的基本性能控制和产品质量监督检验提供了技术依据，在净化产品市场、保障建筑幕墙工程质量、推进国产化产品的应用等方面发挥了重要作用，也为未来国际互认创造了条件。
　　3   行业规模发展
　　90年代中期我国建筑幕墙迅速发展，为粘结密封材料产品开辟了崭新市场，当时进口结构胶的高价位（单价160元/kg）为国产化产品提供了极大的利润空间。1997年国家对结构胶生产实施行政审批认定管理，对生产企业进行总量控制，为最早准入获证的5家企业提供了极为有利的发展机遇和空间，有效地制止了良莠不分一哄而上的局面。经短短几年的发展，至2003年我国以硅酮结构密封胶为代表的有机硅建筑密封胶的产量，已由1997年的几千吨增长到7万吨，成为建筑和幕墙工程中的主导产品。现在建筑密封胶的企业总数已超过80家，销售额过亿的企业已超过25家，接近或超过5亿元的企业至少有6家，。密封胶产品以门窗幕墙、中空玻璃、装饰装修业和建筑防水为主要市场，逐步向汽车、铁路运输、电子和新能源等多个工业领域扩展。其中有机硅密封胶的产能和产量增长最为迅速，预计2015年总产量将由2002年入世时的23万吨，增长至52万吨[1]。目前，业内不仅已有企业成功上市，而且许多企业呈现强劲发展和规模扩张的势头。尽管目前有些小企业仍将密封胶产品当作“短平快”项目经营，成为新建企业的投资动向，但经济增长方式从数量扩张型向质量效益型转变，逐步走向规模化和集约化已成为必然趋势。
　　4   原料及生产装备
　　早期建筑结构粘结密封材料的基础聚合物及单体主要依靠进口，但随着产品市场需求的急速增长，国产化产能不断提升，其中以国产硅氧烷的产能增长最为迅速，由90年代初的几万吨到现在的100多万吨，2010年的表观消费量已达50万吨，国产原材料供应充足，价格基本稳定，尚有巨大的潜在产能未释放。我国密封胶最初多采用高速分散机、捏合机和三辊研磨机等设备，间歇式分段生产，手动灌装，产品质量难以稳定控制。1998年后有机硅密封胶生产开始引进国外设备，包括各种规格的真空行星式搅拌机和压出机等，逐渐引进紊流混合设备，软、硬包装自动灌装机及堪称世界先进水平的全自动多组分静态紊流拼混设备和大型差速捏合设备。这一时期国产化设备的技术水平和功能质量也在不断提高和完善，价格优势明显（约为进口设备的1/5甚至1/8）。2002年以后，行业设备得到更新，新的企业生产线相继投入建设，国产设备已成主体，其中江阴化工机械厂、佛山市金银河公司、石家庄市晓进公司等企业都做出了贡献，特别是2008年后以双螺杆自动混合挤出设备为主体的生产线在业内推广，企业产能和生产规模得以显著提升，产品成本相应下降。近几年，国外更加先进的第三代生产线吸引企业的关注，该生产线配置可不同程度地实现过程自动控制和在线检测，如原材料的远距输送、计量、真空投料，实现物料混合、分散、均化、细化加工的自动化，从配方控制、调色配合直至密封灌装、装箱、码垛，取代了一线生产人员值机作业模式，实现全线自动化生产。目前一些规模化生产企业已开始引进高配置的生产线装置，以适应竞争日益激烈的市场，减少人力资源对产品成本的影响，满足客户对产品价格、质量及批次稳定性不断增长的诉求。
　　5   应用技术体系
　　俗称的“三分料七分工”同样适用于粘结密封装配。粘结构造及尺寸设计、粘结选材、施工环境控制、施工技艺和质量验收等环节，都影响到结构粘结的可靠性及接缝密封的可靠性。目前，建筑门窗幕墙企业依据材料标准、建筑规范和供胶企业的技术支持，对结构粘结密封设计、施工工艺及质量验收，建立了较完善的程序文件和作业指导书，配备了密封胶进场复验、低温仓储、自动混胶、恒温恒湿净化施胶作业和质量验收所需的仪器和装备，粘结密封操作人员技术培训考核上岗，通过评比形成一支精通技术、熟练作业的专业“枪手”队伍。供胶企业已将工程应用纳入自己的服务责任，复核工程粘结密封设计尺寸、复核工程附件相容性检验结果、复核工程材料被粘表面的粘结性等，向结构设计、粘结施工及特殊表面处理提供技术支持，保留工程用胶样品，积累试验测试数据，跟踪幕墙应用及材料性能变化，展开相应的试验研究，在实践中构建的应用技术体系已成为优质工程的重要保障。我国建筑门窗幕墙施工面积及年竣工量已跃居世界之最，并走出国门承接欧、美、中东、俄罗斯及东南亚多项幕墙工程建设，这表明我国建筑粘结密封材料的产品水平、加工技术水平及粘结装配结构的可靠性已近世界水平。
　　6   展望和建议
　　建筑粘结密封材料产能和产量的规模发展得益于门窗幕墙市场的增长，但目前的产品多处于中低端同质技术，欠缺高端产品及核心技术优势。同发达国家相比较，我们的技术创新和市场竞争能力不强，关键是新材料、新技术、标准和应用技术基础研究不足，所以，提升企业国际市场竞争力，必须提升技术基础，提高产品一致性，推进国际公认的认证制度，同时加大自动化、规模化生产线建设，提高企业集约化生产水平，调整产品结构，推进企业重组进程。
　　1）产品研发
　　近年来，跨国化工企业将中国作为最大的新兴市场，纷纷在华建设研发中心、测试中心、技术服务中心，如陶氏在上海建设了陶氏化学中心，埃克森投资7 000万美元建上海研发中心，道康宁投5 000万美元建上海商务技术中心，还有巴斯夫、杜邦、朗盛、3M公司等都在华设立了研发中心[2]，由此可预见市场竞争态势将以创新及核心技术为支撑。道康宁2010年销售额创60亿元新高，比上年增长18%，为客户提供创新的有机硅技术直接造就了这一强劲表现。新一代粘结密封产品已进入市场，如瓦克公司推出了α－硅烷为基础不含有机锡催化的密封胶，具有优异的耐化学性能，弹性高，强度高，且像玻璃一样透明；又如创新的单组分及双组分聚脲密封胶，强度7～14 MPa，伸长率250%～800%，耐热150～350 ℃，耐UV辐照、耐低温，长期耐水、酸、碱和油浸泡稳定。国内企业尽管多为中小企业，但专业技术相对集中，建议企业提高产品创新起点，建立产学研基地、研发中心或委托专业机构出资研究及合作研究获得知识产权，关键聚合物项目可申报纳入地方或国家重点科研计划，集中优势创新研发极具前景的工程用胶和专业新产品。
　　2）新技术
　　硅酮结构密封胶应用于建筑幕墙结构粘结密封装配，基本依据是耐老化性能优越、粘结稳定、承载安全。2008年欧洲技术批准（ETA—09/0024）推出一项新材料——幕墙玻璃结构粘结系统专用丙烯酸泡棉压敏胶，有别于硅酮密封胶，具有粘塑性材料的力学特性，，采用干法粘结施工技术，具有新颖性。该项技术的基础是深入的材料研究、工程试验和应用技术研究，证明在该粘塑性材料在风荷载及地震等瞬时/变动荷载下，呈现出特有的非线性的应力—应变效应，在热位移慢速荷载下呈现出大应变—低应力，这些特性适用于粘结体系的安全承载。该技术在幕墙玻璃结构粘结中具有应用前景。粘结密封是材料、结构及工程科学的边缘技术，具有较大的技术创新空间，应综合专业优势针对工程需要加强基础研究，如结构粘结密封中聚合物弹性连接体的非线性力学特性研究、建筑结构粘结连接优化技术研究、新型材料及新颖粘结技术研究等，充分发挥弹性粘结的技术优势，有效改善脆性薄面板结构装配的可靠性、中空玻璃结构粘结密封的延寿、玻璃粘结复合结构成型和应用技术问题等。建议围绕建筑安全和节能要求开发新颖技术，展开针对性验证试验、应用研究和基础研究。
　　3）标准化
　　我国非等效采用ISO 11600《建筑结构—密封胶—分类及要求》的建筑密封胶标准，目前已有JC/T 882、JC/T 883、JC/T 884、JC/T 881等，标准内容大同小异，产品性能要求及试验方法相同，仅个别技术指标随使用条件不同而略有差异。类似细化用途的产品标准随着密封胶在建筑上应用对象的增加，可能还会不断增加。密封胶的基本功能是密封，具有相同的功能性要求及试验方法，只要有明确的分类及合理的要求，密封胶产品标准完全可等效采用ISO 11600，不必分列为诸多标准。不同对象和使用条件下密封胶的适用性，应在密封选材、建筑接缝密封设计、施工应用技术等相关规范中细化规定，，目前这些技术规范均有缺失，直接影响着建筑结构粘接及防水密封质量水平的进一步提高。
　　目前建筑密封胶的标准用于产品合格判定，规定了产品性能最低指标。众所周知，密封胶是多种成分混合加工的非定型产品，配方、生产工艺、原材料产地及规格等都会影响产品的内在质量，为有效保证质量稳定，定型的品牌产品不仅要保证合格，而且应限量控制密封胶的密度、黏度、强度、伸长率、模量等性能指标的波动，保证质量一致性。欧洲标准对密封胶的质量一致性提出了要求，如规定了产品密度波动限值、模量波动限值，检验产品热失重曲线和红外吸收光谱的符合性，将材料疲劳、蠕变等长期的综合老化性能纳入型式检验项目，以综合表征和有效检验成分、原料及工艺变化影响的显著性。若借鉴这种做法，一些检验指标合格但配方掺加白油的低价密封胶就难以流入建筑市场，规避应用后才发现流油、开裂、脱胶等工程质量事故的风险。此外应加大贯彻标准的力度，如位移能力级别是建筑接缝宽度设定及选用密封胶的基本依据，但一些低性能产品不执行标准，不标志级别，往往引起误用，造成建筑接缝密封早期失效；又如结构胶的模量是幕墙设定结构粘结厚度的重要依据，但不少产品不提供报告，放任幕墙企业对结构胶变位能力（δ）的随意取值，甚至超出现有材料的能力取δ＝25%、40%，导致粘结厚度不足影响粘结可靠性。
　　建筑安全和节能与密封胶品质关系密切。目前中空玻璃产品寿命保证期为10年，延长寿命关键是密封胶的性能。中空玻璃存在露点过早上升、结露、渗水甚至外片玻璃坠落伤人现象，主要是玻璃结构粘结中的密封胶耐久性不足，应通过试验量化产品技术指标与延寿的相关性。对全国城镇建筑而言，若能使中空玻璃寿命延长一年，获得经济效益和社会效益将十分显著。此外，人们关注幕墙玻璃粘结的安全性，但有关既有幕墙玻璃结构粘结承载可靠性检验和失效判定的方法和标准尚未建立，应加快标准化研究，尽快制订检验规则和判定标准。
　　4）产品认证
　　1997至2002年国务院取消结构胶认定管理行政审批，5年间国家经贸委批准认定准入生产的企业共有6家15个牌号，但2002年入世至2010年经协会批准认定的企业基本囊括了结构胶生产企业，共55家138个牌号。目前市场准入门槛已经消失，一些诚信企业开始选择国家认监委批准的认证机构进行公平、公正、合法、合规的第三方产品质量认证，这些认证是以企业忠诚和发证机构的信用为担保，适应国际贸易规则和开展国际互认的基础条件，对企业突破国际贸易技术壁垒、赢得市场竞争优势具有重要意义[3]。
　　7   结语
　　住房和城乡建设部仇保兴副部长指出，中国是世界最大的建筑市场，正处在大规模城镇化建设阶段，目前的建筑量占到世界的一半还多，大规模建设还会持续 30年至35年。这将预示着建筑粘结密封材料市场会持续增长。值得注意的是有机硅密封胶随技术的重大突破，单体合成流化床反应器、净化和浓酸水解技术现已居国际先进及领先水平，大型企业投产单套12万吨的规模装置已平稳运行，单体产能过剩已成定局[4]，这将加大有机硅价格的下行趋势，促进下游密封胶更大发展，加剧市场的替代性竞争。基于这一分析，企业应及时调整产品结构，争取产品质量认证，加大规模化集约化力度，增强国际市场竞争力。

　　参考文献：
　　[1] 中国胶粘剂工业协会.有机硅—上游警惕过剩下游良机初现[J].中国胶粘剂信息,2011(2):19-20.
　　[2] 国际化工企业正逐步加强中国研发中心建设[J].中国胶粘剂信息,2011(1):36.
　　[3] 建筑用硅酮结构密封胶产品认证市场分析报告,www.cncwe.net，2008.8.25
　　[4] 国产有机硅装置运行稳定达标居国际先进水平[J].粘接，2011(4):29.