CC BY
47УДК 621.798.264
И.К. ХАЙРУЛЛИН, канд. техн. наук
ФГУП «ВНИПИИстромсырье» (109028, Москва, Покровский бул., 6/20, стр. 1)
Герметизирующие материалы в современном строительстве
Лабораторией клеев и герметизирующих материалов ФГУП «ВНИПИИстромсырье» проведены исследования и внедрены мероприятия по практически полному исключению миграции пластификатора из герметика в строительные конструкции для составов, уже нашедших широкое применение у строителей (герметики НГМ-У, ГНС, Тегерон), а также для новых составов Бутизол-МОК, Герметик-М-Бутиловый, ленточные герметизирующие материалы марки Липлент и др., что позволило существенно улучшить их эксплуатационные характеристики. Среди отверждающихся герметиков совместная с Казанским заводом синтетического каучука разработка - однокомпонентный силиконовый герметик Паросил, усовершенствованный вариант двухкомпонентного уретанового герметика Гелур, для которого успешно решены вопросы тиксотропии. В состав введены эффективные светостабилизаторы и антистарители. Совместно с ФГУП «НИИСК им. акад. С.В. Лебедева» проведены исследования и разработаны составы клеев и герметиков широкого назначения на основе нового синтезированного олигомерного уретансилоксанового каучука с концевыми алкоксильными группами. Получены предварительные данные по основным физико-механическим, технологическим и эксплуатационным свойствам, разработаны способы регулирования этих характеристик. Большая часть разработанных материалов производится ЗАО «Гепол».
Ключевые слова: нетвердеющие, одно-, двухкомпонентные отверждающиеся герметики, миграция, тиксотропия, стеклопакеты, монтажный шов, уретансилоксановый каучук, алкоксильные группы, адгезия.
I.K. KHAYRULLIN, Candidate of Sciences (Engineering)
FGUP "VNIPIIstromsyrie" (6/20, structure 1, Pokrovsky blvd., 109028, Moscow, Russian Federation)
Sealing Materials in Modern Construction
The Laboratory of Glues and Sealing Materials of FGUP "VNIPIIstromsyrie" has conducted the study and realized the measures aimed at practically complete exclusion of migration of a plasticizer from the sealant into building structures for compositions already widely used by builders (sealants NGM-U, GNS, Tegeron), and also for new compositions Butizol-MOK, Germetic-M-Butilovy, strip sealing materials of Liplent mark; this has made it possible to significantly improve their operation characteristics. Among curable sealants a single-component silicone sealant Parosil, improved variant of two-component urethane sealant Gelur for which the problems of thixotropy have been successfully solved; they have been developed in cooperation with the Kazan plant SK. Efficient light stabilizers and ageing retardes have been included in compositions. In cooperation with FGUP "NIISK named after Academician S.V. Lebedev" the studies have been conducted and compositions of glues and sealants of wide application on the basis of the new synthesized oligomeric urethansiloxane rubber with alkoxyl end-groups have been developed. Preliminary data on the basic physical-mechanical, technological and operation properties have been obtained. The technology of regulating these characteristics has been developed. A large part of developed materials is manufactured by ZAO "Gepol".
Keywords: non-hardening, curable sealants, migration, thixotropy, pane-glass set, urethansiloxane rubber, alkoxyl groups, adhesion.
Требования к герметизирующим материалам строительного назначения определяются прежде всего областью их применения. Наиболее важными универсальными требованиями к герметизирующим материалам являются: высокая адгезия герметика к поверхности строительной конструкции, прочность и величина максимальной деформации при разрыве. Эти характеристики определяют способность герметиков противостоять знакопеременным нагрузкам при разрыве, сжатии, сдвиге и др., которые возникают в процессе эксплуатации зданий и сооружений. Так, величина абсолютной деформации шва в зависимости от колебаний температуры окружающей среды и величины динамических нагрузок, возникающих при эксплуатации зданий, колеблется в пределах 7—10% для мест примыкания оконных и балконных дверных блоков к элементам ограждающих строительных конструкций, 10—25% в крупнопанельных зданиях и достигает 40—45% и более в высотных зданиях и структурном их остеклении.
Другим важным требованием к герметизирующим материалам является способность противостоять внешним факторам, таким как совместное воздействие ультрафиолетового (УФ) облучения, воды и колебаний температуры и воздействие агрессивных атмосферных загрязнений, например кислотных дождей.
С развитием новых строительных технологий требования к герметизирующим материалам также претерпевают соответствующие изменения. Кроме технических требований такие материалы должны обладать технологичностью, удобонаносимостью и уменьшенными трудозатратами при их применении на строительных объектах.
Лабораторией клеев и герметизирующих материалов ФГУП «ВНИПИИстромсырье» накоплен многолетний опыт разработки составов и технологий, организации производства широкой номенклатуры полимерных композиционных материалов для строительства: не-твердеющих, отверждающихся герметиков, материалов для гидроизоляции в жилых и производственных помещениях, антикоррозионной защиты металлических, железобетонных, мостовых сооружений, ленточных герметизирующих материалов и др.
Разработанные материалы рекомендованы к применению с обязательным учетом климатических условий района строительства и особенностей сооружаемого объекта. Герметизирующие и приклеивающие материалы взаимно совместимые, дополняющие друг друга, позволяющие комплексно решать вопросы, связанные с герметизацией, гидроизоляцией и антикоррозионной защитой элементов строительных конструкций.
Большая часть разработанных материалов в промышленных масштабах производится в настоящее время Научно-производственным предприятием ЗАО «Гепол» (Московская обл.). Завод оснащен современным оборудованием, необходимым для переработки высокомолекулярных каучуков, и необходимой инфраструктурой. На предприятии трудится квалифицированный персонал.
К преимуществам выпускаемых ЗАО НПП «Гепол» нетвердеющих герметизирующих материалов следует отнести доступность и невысокую стоимость исходного сырья, широкий температурный диапазон их эксплуатации от -50 до +80оС. Имеется возможность полной механизации работ по их нанесению (используют электрогерметизатор). Производство является экологически
чистым, а гибкие технологические процессы позволяют максимально использовать местное сырье и отходы производства.
Рассмотрим более подробно области применения и наиболее важные эксплуатационные свойства этих материалов.
Герметик НГМ-У предназначен для герметизации стыков наружных ограждающих конструкций со сроком службы не менее 15 лет.
Мастика герметизирующая нетвердеющая морозостойкая Тегерон может применяться при низких значениях температуры (до -60оС) и рекомендована для районов Сибири и Крайнего Севера.
В последние годы в лаборатории разработан оригинальный способ снижения миграции пластификатора в полимерных композициях, не прибегая к дополнительным химическим сшивкам, например нетвердеющие герметики. Поэтому в рецептуры пользующихся заслуженным спросом герметиков НГМ-У, Тегерон и ГНС внесены изменения, обеспечивающие минимизацию миграции пластификатора, что позволило на 3—4 года увеличить срок службы этих материалов. Как ранее было показано в работах НПО «Полимерстрой-материалы», миграция пластификатора в строительные конструкции, или его «выпотевание» (экссудация), особенно при повышенной температуре, является одной из причин ухудшения эксплуатационных характеристик нетвердеющих герметиков и их относительно быстрого старения.
Герметик Гермус-М-герметик бутиловый предназначен для 1-й зоны герметизации стеклопакетов и превосходит по своим характеристикам выпускавшийся ранее Бутэпрол-КС, который применялся в производстве стеклопакетов и энергоэффективных окон. Герметик выпускается в брикетах, нанесение его на металлическую рамку производится экструдированием в температурном диапазоне 120—140оС.
Бутиловый герметик «горячего расплава» Гермус-2ТП, являющийся аналогом выпускаемых в ряде стран за рубежом герметиков под общим названием Butyl Hot Melt, предназначен для 2-й зоны герметизации стеклопакетов и может использоваться комплексно совместно с гермети-ком Гермус-М-герметик бутиловый.
Актуальной проблемой является надежность герметизации мест примыкания оконного блока со стеклопа-кетами к элементам строительных конструкций. Долговечная служба современных светопрозрачных конструкций из различных профильных систем зависит от качества монтажа и применяемых герметизирующих материалов.
В результате научно-исследовательских работ, проведенных совместно с ОАО «Казанский завод синтетического каучука», были разработаны отечественный па-роизоляционный бутиловый герметик Бутизол-МОК и однокомпонентный отверждающийся паропроницае-мый силиконовый герметик Паросил. На предприятиях ЗАО НПП «Гепол» и ОАО «Казанский завод синтетического каучука» отработаны оптимальные технологические режимы производства герметиков. Промышленные партии герметиков прошли успешные испытания на строительных объектах ЗАО «Моспром-строй», и была выдана путевка в жизнь разработанным герметикам.
Технологическое решение монтажного узла оконного блока с применением пароизоляционного бутилового и паропроницаемого силиконового герметиков предполагает трехслойное исполнение монтажного шва. При этом наружный слой — силиконовый герметик Паросил обеспечивает защиту теплоизоляционного слоя из пенополиуретана от атмосферных воздействий, а внутренний — бутиловый герметик Бутизол-МОК
играет роль пароизоляции. Нанесение герметиков производят по всему периметру монтажного шва, включая узел нижнего примыкания оконного блока, подоконника и слива к проему стеновой панели, причем в последнем случае исключается применение водоизоляцион-ной паропроницаемой ленты под сливом.
Разработанные герметики по всему комплексу эксплуатационных характеристик, включая уровень паропроницаемости, соответствуют требованиям ГОСТ 30971—2002. Оценку вентилируемости монтажного шва, определяемую как соотношение значений сопротивления паропроницанию наружных и внутренних слоев, производили в ОАО «ЦНИИЭП жилища». Расчеты показали, что при замене пароизоляци-онной ленты на бутиловый герметик Бутизол-МОК при толщине слоя 3—7 мм, а паропроницаемой ленты ПСУЛ на паропроницаемый отверждающийся силиконовый герметик Паросил при толщине слоя до 5 мм во всех существующих вариантах расчетное сопротивление паропроницанию до зоны возможной конденсации влаги на порядок выше требуемых. Следовательно, применение пароизоляционного бутилового герметика Бутизол-МОК и паропроницаемого силиконового герметика Паросил обеспечивает условия для удаления поступающих в монтажный шов водяных паров наружу.
Особое место среди полимерных нетвердеющих материалов занимают самоклеящиеся герметики ленточного типа. Преимущества этих материалов заключаются в их надежности и долговечности при эксплуатации (практически исключена миграция пластификатора в субстрат и его «выпотевание» при повышенной температуре), высоких прочностных и деформационных характеристиках, морозостойкости, надежной адгезии к материалу строительной конструкции. Они удобны при работе, экономичны и экологически безопасны.
Разработанная лабораторией и выпускаемая ЗАО НПП «Гепол» липкая герметизирующая лента Герлент предназначена для паро-, воздухо-, гидроизоляции стыков и швов наружных и внутренних ограждающих конструкций во всех типах зданий и сооружений, пароизоляции и уплотнения монтажных швов, узлов примыкания оконных и наружных дверных блоков к стеновым проемам, приклеивания рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов. Лента применяется для герметизации воздуховодов, шумо-, вибропоглощения при устройстве вентиляции и др.
Герметизирующая лента Герлент выпускается с различными типоразмерами по ширине, толщине липкого и дублирующего слоев (полиэфирная ткань, алюминиевая фольга, резиновая подложка и др.).
В отличие от нетвердеющих герметиков, сохраняющих свое пластическое состояние в процессе эксплуатации, отверждающиеся герметики по своим физико-механическим характеристикам относятся к эластичным материалам и рекомендованы к применению в стыках с предельно допустимой деформацией до 30%. В результате образования резиноподобной химически сшитой структуры отверждающиеся герметики более стойки к воздействию климатических и эксплуатационных факторов и более долговечны по сравнению с не-твердеющими герметиками при условии применения их в соответствии с разработанными рекомендациями. Герметики отверждаются в результате смешивания компонентов с отвердителем в определенной пропорции или за счет контакта с влагой воздуха или влагой, находящейся в строительных конструкциях в случае одно-компонентных герметиков. Жизнеспособность отвер-ждающихся герметиков строительного назначения колеблется в пределах 2—24 ч и зависит от дозирования
96
май 2014
j "А ®
отвердителя и температурно-влажностного состояния окружающей среды.
Разработанный лабораторией совместно с ОАО «Казанский завод синтетического каучука» и упомянутый выше однокомпонентный герметик Паросил имеет самостоятельное применение в строительной индустрии. Герметик обладает очень хорошей адгезией практически ко всем строительным материалам без предварительного праймирования субстрата; время пленкообразования (время исчезновения остаточной липкости) составляет не более 2 ч, прочность при разрыве до 1,5 МПа, относительное удлинение 300-500%.
Большим спросом у потребителей пользуются выпускаемые ЗАО НПП «Гепол» двухкомпонентные тиолсодержащие отверждающиеся герметики Тиксо-прол-АМ и Тиксопрол-АТ (разработаны ООО «Гер-мика») и новый двухкомпонентный отверждающийся уретановый герметик Гелур.
В последнее время по двухкомпонентному уретано-вому герметику Гелур проведены серьезные исследования модифицирования и надежного обеспечения тик-сотропии (не стекает даже с вертикальных поверхностей в температурном диапазоне до 35-40оС). Одновременно с решением проблемы тиксотропии удалось заметно улучшить удобонаносимость герметика, которая определяется на рабочих местах на строительном объекте при нанесении герметика по легкости нанесения в шов и образованию ровной поверхности после выравнивания.
В состав герметика введены стабилизаторы с целью увеличения сроков службы и для исключения изменения цвета в процессе эксплуатации. Даже после серьезной модификации состава герметика, ввода новых компонентов-модификаторов по ценовым характеристикам герметик Гелур сохраняет конкурентоспособность по сравнению с другими аналогами, имеющимися на рынке. Герметик имеет прочность при разрыве не менее 0,4 МПа, относительное удлинение при разрыве в пределах 300-500% с максимально допустимой деформацией в стыке 25%.
Герметик Гелур соответствует единым санитарно-эпидемиологическим и гигиеническим требованиям (заключение от 18.04.2013 г.) и имеет свидетельство государственной регистрации в рамках Таможенного союза Республики Беларусь, Республики Казахстан и Российской Федерации № RU 77.01.34.008.003561.04.13 от 23.04.2013 г.
Герметик Гелур с учетом привлекательных технологических свойств (удобонаносимости, тиксотропии, удобной упаковки и др.) и высоких эксплуатационных характеристик начинает завоевывать рынок и уже применяется на строительных объектах Москвы, Подмосковья, республик Таможенного союза. В 2012 г. его использовали в качестве антикоррозионной защиты крупного гидросооружения на территории РФ.
Особый интерес представляет последняя разработка института ФГУП «ВНИПИИстромсырье», проведенная совместно с ФГУП «НИИСК им. акад. С.В. Лебедева» и не имеющая аналогов в России. Результаты предварительных исследований по синтезу новых оли-гомерных уретансилоксановых каучуков с концевыми алкоксильными группами и рецептурно-технологи-ческие работы по созданию новых полимерных композиций - клеев и герметиков были опубликованы в журнале «Клеи. Герметики. Технологии» за 2012 г. № 7. Статья также была опубликована в журнале Polymer Science'Series D и вызвала большой интерес прежде всего у зарубежных читателей. Автор данной статьи получил много предложений по сотрудничеству с ведущими научными журналами мира (Journal of Biomaterials and
Nanobiotechnology, Jourrnal of Organic Polymer Materials, Advances in Materials Physics and Chemistry, Journal of Polymer Science and Chemical Engineering и др.) и ни одной реплики от отечественных читателей, научных работников и потенциальных производителей клеев и герметиков.
Краткое содержание проведенных работ заключается в следующем. Уретановые олигомеры (они выступают в качестве отвердителя практически для всех двух-компонентных уретановых герметиков и имеют функциональные изоцианатные (-NCO) группы, в том числе для герметика Гелур) с концевыми реакционноспо-собными алкоксильными группами или уретансилок-сановые каучуки (УСК), известные за рубежом как STO-, SPUR- или STP-полимеры, привлекли внимание исследователей и разработчиков полимерных композиционных материалов еще в конце прошлого столетия в качестве связующих для призводства клеев, герметиков и покрытий с улучшенными технологическими, физико-механическими, эксплуатационными характеристиками для строительства и других отраслей промышленности.
Первый модифицированный органофункциональ-ным алкоксисиланом полимер, как принято называть в зарубежной периодике, MS-полимер, был получен и коммерциализован японской фирмой Kaneka Corp. в 1978 г.
Практически одновременно были синтезированы гибридные полиуретаны, содержащие в молекулярной цепи реактивные алкоксисилановые группы SPUR-, STP-полимеры, сочетающие в себе положительные свойства как силиконовых, так и уретановых каучуков, которые были коммерциализованы несколько позже MS-полимеров. Свойства и эффект от применения ор-ганофункциональных силанов для модификации полиуретанов с изоцианатными (-NCO) группами в молекуле определяются их молекулярной структурой, которая содержит в одной и той же молекуле два типа функциональности:
(RO)3-Si-(CH2)n-Y,
где (RO) — способная к гидролизу с образованием сила-нола (Si-OH) алкоксильная группа, как метокси, эток-си, ацетокси и др. группы; Y — органофункциональная группа, как амино-, эпокси-, метакрилокси-, виниль-ная, изоцианатная и др. группы.
Через органофункциональную группу происходит взаимодействие с функциональной (изоцианатной) группой полимерного связующего и прививка силана к его молекулярной цепи. Привитые алкоксильные группы полимерного связующего под действием влаги гид-ролизуются с выделением соответствующего спирта или уксусной кислоты, и параллельно в присутствии эле-ментоорганического соединения протекает конкурирующая реакция - реакция конденсации с образованием стабильных (Si-O-Si) связей, т. е. в случае полимера происходит перевод линейной структуры полимерного связующего в трехмерную с приобретением эластичных свойств.
Преимущества полимерных композиций на основе уретановых преполимеров с алкоксисилановыми группами в молекулярной цепи связаны прежде всего с отсутствием в конечном олигомере -NCO групп. Их отсутствие в молекуле расширяет возможности использования в составах композиционных материалов весьма эффективных амино- и эпоксисилановых промоторов адгезии. Эти компоненты придают составам исключительно ценные свойства, такие как возможность регулирования в широких пределах адгезии к металлу, стеклу и другим трудносклеиваемым поверхностям
Наименование показателей Опыты
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Текучесть неотвержденного герметика, мм 0 0 0 0,5-1 0 2-3 (текучая масса) 0 0 0 0 Текучая масса
Технологичность нанесения герметика на шов отличная отличная хорошая хорошая хорошая - отличная отличная отличная хорошая -
Время образования пленки, мин 35-40 245 15-20 110 300 60 90 10-15 5-7 10 100-145
Прочность при разрыве, МПа 1,95 0,9 2,3 1,2 1 1,4 1,5 2,65 1,45 2,8 3,1
Относительное удлинение, % 490 520 330 560 630 650 680 720 910 480 110
Модуль при 100% удлинении, МПа 1,1 0,28 1,3 0,35 0,32 0,53 0,35 0,55 0,25 1,5 1,8
Прочность при сдвиге между пластинками из нержавеющей стали, МПа 2,1 - 2,4 - - - 2,2 3,1 - -3,4 3,4
** Характер отслаивания от бетона от стекла от нержавеющей стали 100% КО 100% АО 100% КО 100% КО 100% АО 100% АО 85% КО 95% КО 100% КО 100% КО 100% КО 100% КО 100% КО 100% КО 100% КО 100% КО 90% КО 100% КО 100% КО 100% КО 100% КО 100% КО 100% КО
** Характер отслаивания: КО - когезионный отрыв; АО - адгезионный отрыв.
с низкой поверхностной энергией, даже без предварительного праймирования субстратов, пространственно затрудненных аминостабилизаторов. Цель этих преобразований — повышение сроков службы композиций, обеспечение высокой стабильности к УФ излучению. Ввод таких добавок в составы на основе уретановых олигомеров со свободными ^СО группами не представляется возможным. Немаловажными также являются отсутствие образования пузырьков в процессе отверждения в отличие от уретановых композиций со свободными ^СО группами, возможность окрашивания отвержденного материала, в том числе красками на водной основе, что невозможно для силиконовых композиций.
Герметики и клеи с использованием в качестве связующего уретановых преполимеров с функциональными алкоксисилановыми группами характеризуются выдающимися физико-механическими и эксплуатационными характеристиками по сравнению силиконовыми, уретановыми и акриловыми герметиками и клеями.
В процессе проведенных исследований разработаны основные принципы изготовления однокомпонентных герметиков, полученных с использованием в качестве связующего синтезированных в лаборатории уретанси-локсановых каучуков, предварительные результаты исследования их свойств, некоторые пути регулирования этих характеристик, а также указаны области их применения.
Получены предварительные данные по основным физико-механическим, технологическим и эксплуата-
ционным свойствам разработанных составов и способы их регулирования.
Разработанные на основе этих связующих одноком-понентные клеи и герметики проявляют регулируемые в широких пределах скорости пленкообразования и отверждения, хорошие физико-механические характеристики, высокую адгезию к различным субстратам, сохранность и воспроизведение этих характеристик в течение не менее 1 года при условии хранения наполненной композиции в герметичных картриджах.
Хорошая адгезия практически ко всем конструкционным материалам без применения специальных прай-меров, высокие прочностные (2—3 МПа), деформационные характеристики, достигающие 1000% и более (см. таблицу), широкие возможности регулирования времени образования пленки (5—30 мин) позволяют их использовать в строительной индустрии как герметизирующие материалы при структурном остеклении зданий и сооружений, высотном строительстве; абсолютная допустимая деформация которых в монтажных швах достигает величины ±50% и более. Срок службы клеев и гермети-ков на основе модифицированных силаном полимеров, по прогнозам западных специалистов, не ниже таковых силиконовых герметиков, так как они проявляют высокую устойчивость к климатическим воздействиям.
По результатам исследований разработан концептуальный бизнес-план промышленного производства од-нокомпонентных клеев и герметиков, отверждаемых под действием влаги. Разработчики не теряют надежду и работают над реализацией результатов исследований в промышленных условиях.
ФГУП «ВНИПИИстромсырье» и ЗАО НПП «Гепол»
приглашают к сотрудничеству все заинтересованные фирмы, организации, предприятия России по разработке новых полимерных композиционных материалов и предлагают на взаимовыгодных условиях комплексную поставку широкой номенклатуры полимерных строительных материалов для герметизации, антикоррозионной защиты, гидроизоляции, ремонта зданий и сооружений.
98
май 2014
