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摘要：本论文首先介绍了高性能门窗的发展及双组分聚氨酯组角胶应用情况，其次研究了双组分聚氨酯组角胶密闭条件下的固化情况，并分析了固化时间、打胶厚度、混合比对粘接强度的影响;最后研究了之江JS-335双组分聚氨酯组角胶在实际门窗中的粘接性能以及整体性能。结果表明，JS-335双组分聚氨酯组角胶可以显著提高角部位置粘接强度，角部粘接强度大于角码强度，同时JS-335双组分聚氨酯组角胶综合性能优异，具有广泛的市场应用前景。
关键词：双组分;聚氨酯组角胶;粘接强度;胶厚度;混合比
1、背景介绍
现代建筑门窗业发展至今，已经历近30年，然而性能较差的普通门窗始终占据中国市场主导地位。中国门窗技术的升级换代较为缓慢，目前建筑门窗是建筑的耗能大户，因此将来必然也是节能大户[1]。
欧洲早在上世纪八十年代就研发出了具备高性能的系统化门窗，其节能性能、安全性能、舒适度等远远超过普通门窗。2003年欧洲门窗标准中要求K(传热系数)值不大于1.3，目前高性能的系统化门窗已在欧洲基本普及，市场应用量已达到了门窗总量的70%，而我国门窗平均K值约为3.5。据计算，按我国现有城镇建筑面积约430亿平方米计算，如果实行欧洲现行门窗标准K值，每年可节省标准煤4.3亿吨，约为中国全年煤炭产量的20%，节能效果显著。
近年来，随着建筑及门窗行业的快速发展，国家政策导向以及人们对生活品质的追求，极大的推动了国内高端节能门窗及系统化门窗的普及[2-4]。高性能门窗是一个性能系统的完美有机组合，具有节能、环保、安全、舒适等特点，各方面性能远远超过普通门窗。高性能门窗的各个组件对于整个门窗系统的性能都不可或缺。角部是门窗节能部位最为薄弱的环节[1]，组角胶作为高性能门窗组角位置结构粘接与密封的主要辅料之一，对于门窗结构、使用年限、安全等方面都具有重要影响。
为了解决铝门窗的角部问题，生产出符合性能要求的铝门窗，有效的做法是使用一种专为门窗设计的组角密封胶将角码或插件和型材腔壁进行粘接，其中组角胶主要起结构加强和密封作用，避免门窗框架因温差和外力形变造成门窗错位变形，从而保证了门窗的气密、隔热、隔音、隔尘等性能。
因此，组角胶的性能需要满足：1)硬度高、强度大、韧性好，可以使角码与型材腔壁之间形成结构性连接的同时也具有极好的防水性能;形成金属与金属连接之间的弹性垫，以减弱各种力的传导，起到避震、缓冲垫的作用[5];2)耐老化性要好，可耐-40℃~80℃的温度变化; 3)无溶剂，符合环保要求;4)初始强度高，有利于提高生产效率。
目前，组角胶主要分为单组分和双组分聚氨酯组角胶，单组分聚氨酯组角胶具有使用简单、灵活，然而其固化慢，对湿气要求高，固化后的强度往往较双组分组角胶低;与单组分聚氨酯组角胶相比，双组分组角胶具有强度高、固化快的优点，但是手动胶枪往往难以施工，需要配套气动/电动胶枪使用，因而需要一定的设备投资。根据客户不同需求，单双组分聚氨酯组角胶都具有较大的市场。本文主要对双组分聚氨酯组角胶的性能进行研究。
2、实验部分
2.1试验原料
聚醚多元醇（词条“聚醚多元醇”由行业大百科提供），二异氰酸酯，多亚甲基多异氰酸酯，烟台万华;气相二氧化硅，赢创;重质碳酸钙，欧米亚;吸水剂TI，Borchers;聚醚多元醇，陶氏化学等。
2.2 组角胶的制备
2.2.1 聚合物（词条“聚合物”由行业大百科提供）的制备
将脱水后的聚醚多元醇、二异氰酸酯以适当的比例加入到行星搅拌机（词条“行星搅拌机”由行业大百科提供）中，缓慢加热至70~75℃，反应3h，得到异氰酸酯封端聚合物。
2.2.2 A组分的制备
将聚醚多元醇、聚酯多元醇、气相白炭黑、纳米钙、重钙、氧化钙等加入行星搅拌机中搅拌1~2h，直到填料分散良好，无明显颗粒;随后加入促粘接剂、催化剂，继续搅拌1~2h，出料，得到A组分。
2.2.3 B组分制备
将一定量的聚合物、多亚甲基多异氰酸酯、吸水剂、气相白炭黑、重钙等加入到行星搅拌机中，搅拌分散1~3h。出料，即得到B组分。
2.3 性能检测
表干时间的测定方法：按照GB/T 13477.5进行实验，采用B法。
不同固化时间、不同胶层厚度、不同体积混合比剪切强度的测定方法：按GB/T 7124-2008第5章的规定制备5个试件，在标准试验条件下养护不同时间，养护结束立即按GB/T 7124-2008方法进行试验。设定预荷载5N，试验速度为(20±0.5)mm/min，记录破坏荷载(N)、剪切强度(MPa);试验结果取5个试件的算术平均值。
适用期：标准条件下，气动胶枪压力恒定条件下，连续打胶1min后，再停留一定时间进行打胶，胶管不再出胶的时间间隔，定义为适用期。
角部位置的粘接强度按照德国IFT(罗森海姆门窗幕墙技术研究院)推荐的测试方法(如图1所示，水平方向窗框固定（词条“固定”由行业大百科提供）在拉力机上，垂直方向门窗开孔，进行拉拔测试。)
图1德国IFT组角胶角部强度测试方法示意图
3、实验结果
3.1 双组分聚氨酯组角胶固化情况研究
由于双组分组角胶由A、B组分直接反应固化，因此要求双组分组角胶在无湿气条件下实现快速固化，如图2所示，双组分组角胶施胶于密封离心样品管中，研究无湿气条件下的固化情况。结果表明，在隔绝湿气条件下，1h后双组分组角胶即可实现内外整体固化，摁压后不粘手，如图2所示;2h后摁压无明显下沉;4h后整体固化良好，可从PP管中取出。不同固化时间的强度如图3所示，固化6h后，强度即>3MPa，固化后24h剪切强度达到8.15 MPa，7天强度>9 MPa，24h强度达到7天强度的89%。
图2密闭条件下双组分聚氨酯组角胶放置不同时间的固化情况
图3双组分聚氨酯组角胶强度-固化时间曲线
由于门窗、角码尺寸加工越来越紧密，角码与门窗间的缝隙越来越小，因此打胶厚度相对变小。通过研究胶厚度对剪切模块粘接强度的影响，我们发现随着胶层厚度的增加，模块剪切强度迅速降低，如图4所示。当胶层厚度>2mm后，剪切强度<4MPa，因此实际应用中建议提高角码加工精度，降低角码与腔体间厚度，从而提高角码与腔体粘接强度，提高门窗整体粘接强度。
图4 胶层厚度与粘接强度关系曲线
3.2 施胶比例对粘接强度的影响
由于不同门窗厂双组分胶枪差异大，目前市售双组分胶枪出胶的推力通常是作用于单管，另一管推杆跟随受力管推杆运动。因此施胶时两管受力不一致，存在出胶比例的波动;出胶比例的波动对于双组分聚氨酯组角胶的粘接强度存在重要影响。如表1所示，当A组分体积比过量10%时，强度下降18.4%，为7.47MPa;B组分体积比过量10%时，强度降低5.7%，为8.64MPa。因此为了保证组角位置的粘接强度，必须待A、B组分混合均匀、颜色均一后方可对组角位置进行施胶。
3.3实际门窗角部拉力值测定
为了准确的分析双组分组聚氨酯角胶施胶后组角位置的粘接强度，我们进一步研究了实际门窗角部位置使用双组分聚氨酯组角胶后的粘接强度。结果表明，使用双组分聚氨酯组角胶后角部位置破坏形式表现为角码断裂，如图5圆圈所示，说明通过使用双组分聚氨酯组角胶，角部位置的粘接强度大于角码本身强度。使用双组分聚氨酯组角胶后角部位置的最大拉力值如图6所示，为11200N左右，结果表明使用双组分聚氨酯组角胶后，单个门窗角部位置的受力高达1.14吨，说明使用双组分聚氨酯组角胶具有优异结构加强作用。
图5使用双组分聚氨酯组角胶后角部位置拉断情况图
图6使用双组分组角胶后角部位置强度拉力图
实际门窗拉拔结果表明，使用双组分聚氨酯组角胶后角部位置的粘接强度高于角码本体强度，双组分聚氨酯组角胶具有显著的结构加强作用。
3.4JS-335双组分聚氨酯组角胶性能
早期国内组角胶的市场基本为进口聚氨酯组角胶占领，近几年由于国家对门窗整体性能要求的不断提高，国内门窗厂组角胶的使用量迅速增加，因此国内组角胶生产厂家也逐渐增多。基于此，为了规范门窗组角胶的选用，2016年~2018年中国建材（词条“建材”由行业大百科提供）检验认证集团苏州有限公司完成了JC/T 2560-2020《建筑门窗用组角结构密封胶》建材行业标准的制定工作，并于2020年4月16日发布，2020年10月1日起实施。其中双组分聚氨酯组角的主要性能要求如表2所示，主要涉及适用期、弯曲变形、邵氏硬度、剪切强度、总挥发物几个方面。
按照行业标准对之江JS-335双组分聚氨酯组角胶进行检测。结果表明，之江双组分聚氨酯组角胶产品完全达到行标要求，可操作时间约为35min，便于门窗厂线上连续使用;弯曲变形5.9mm，具有较高的韧性。初始剪切强度、7天剪切强度、老化后粘接强度均较高，经过高温老化的项目(80℃剪切，高低温循环等)，技术指标均有不同程度的上升。JS-335双组分聚氨酯组角胶综合性能较好，可保证门窗组角位置整体性能。
4、结论
本文我们研究了双组分聚氨酯组角胶隔绝湿气条件下的固化情况以及固化时间、粘接厚度、AB组分体积混合比对粘接强度影响等，然后在实际门窗中测试了双组分组角胶的粘接强度;最后按照行标对双组分聚氨酯组角胶的性能进行了测试，具体得到以下结论：
1)双组分聚氨酯组角胶具有优异的初始粘接强度，6h剪切强度即>3MPa，固化24h后粘接强度达到8.15MPa，达到7天固化强度的89%。
2)胶厚度和体积混合比对粘接强度都具有重要影响，胶厚度越薄，粘接强度越高;体积混合比波动时，粘接强度有不同程度的降低。
3)双组分聚氨酯组角胶可以显著提高门窗角部位置强度。双组分聚氨酯组角胶在实际窗框角部使用时，门窗角部位置强度大于角码本身强度，破坏形式表现为角码断裂。
4)双组分聚氨酯组角胶各项性能满足行标要求，综合性能优异。
参考文献
[1] 马华刚, 节能系统门窗在我国的现状和发展, 中国建筑金属结构, (2014) 31-32.
[2] 刘军, 系统门窗在中国的历史、发展现状及未来趋势, 中国建筑金属结构, (2017) 38-40.
[3] 马俊清, 系统节能门窗——绿色建筑时代的发展方向, 居业, (2015) 16-17.
[4] 刘军, 推广系统门窗势在必行, 居业, (2015) 5-5.
[5] 王永波, 铝合金门窗的角部结构加强和密封, 河北煤炭, (2007) 53-54.
作者单位：杭州之江有机硅化工有限公司
