Nie, to nie będzie nudne, naprawdę – zwłaszcza jeśli uwielbiasz rozciągliwe gumowe rzeczy. Czytając dalej, dowiesz się prawie wszystkiego, co kiedykolwiek chciałeś wiedzieć o jednoskładnikowych silikonowych uszczelniaczach.
1) Czym one są
2) Jak je zrobić
3) Gdzie ich używać
Wstęp
Czym jest jednoczęściowy uszczelniacz silikonowy?
Istnieje wiele rodzajów uszczelniaczy utwardzanych chemicznie – silikon, poliuretan i polisulfid to najpopularniejsze. Nazwa pochodzi od szkieletu cząsteczek, z których są wykonane.
Silikonowy szkielet składa się z:
Si – O – Si – O – Si – O – Si
Modyfikowany silikon to nowa technologia (przynajmniej w USA) i w rzeczywistości oznacza organiczny szkielet utwardzany chemicznie silanami. Przykładem jest tlenek polipropylenu zakończony alkoksysilanem.
Wszystkie te substancje chemiczne mogą być jedno- lub dwuskładnikowe, co oczywiście wiąże się z liczbą części potrzebnych do utwardzenia materiału. Zatem „jedna część” oznacza po prostu otwarcie tubki, wkładu lub wiadra, a materiał się utwardzi. Zazwyczaj te jednoskładnikowe systemy reagują z wilgocią zawartą w powietrzu, przekształcając się w gumę.
Jednoczęściowy silikon to układ, który jest stabilny w tubce do momentu, aż po wystawieniu na działanie powietrza stwardnieje i powstanie guma silikonowa.
Zalety
Jednoskładnikowe silikony mają wiele unikalnych zalet.
- Prawidłowo przygotowane, są bardzo stabilne i niezawodne, charakteryzują się doskonałą przyczepnością i właściwościami fizycznymi. Okres przydatności (czas, w którym można je przechowywać w tubce przed użyciem) wynosi co najmniej rok, a niektóre preparaty zachowują trwałość przez wiele lat. Silikony charakteryzują się również bezsprzecznie najlepszą trwałością. Ich właściwości fizyczne praktycznie nie zmieniają się z upływem czasu i nie wpływają na nie promienie UV, a ponadto charakteryzują się doskonałą stabilnością temperaturową, przewyższającą inne uszczelniacze o co najmniej 50°C.
Jednoskładnikowe silikony utwardzają się stosunkowo szybko, zazwyczaj tworząc naskórek w ciągu 5 do 10 minut, stając się suche w ciągu godziny i utwardzając się do elastycznej gumy o grubości około 1/10 cala w niecały dzień. Powierzchnia ma przyjemną, gumowatą fakturę.
- Ponieważ można je uczynić półprzezroczystymi, co samo w sobie jest ważną cechą (półprzezroczysty to najczęściej używany kolor), stosunkowo łatwo jest je zabarwić na dowolny kolor.
Ograniczenia
Silikony mają dwa główne ograniczenia.
1) Nie można ich malować farbami na bazie wody, może to być również trudne w przypadku farb na bazie rozpuszczalnika.
2) Po utwardzeniu uszczelniacz może uwolnić część plastyfikatora silikonowego, który w przypadku zastosowania w szczelinach dylatacyjnych budynku może powodować powstawanie nieestetycznych plam wzdłuż krawędzi szczeliny.
Oczywiście, ze względu na samą naturę jednoczęściowego silikonu, nie da się szybko uzyskać głębokiego przekroju przez utwardzenie, ponieważ system musi reagować z powietrzem, utwardzając się od góry do dołu. Mówiąc bardziej szczegółowo, silikony nie mogą być stosowane jako jedyne uszczelnienie w szybach zespolonych, ponieważ… Chociaż doskonale zapobiegają przedostawaniu się wody w stanie ciekłym, para wodna stosunkowo łatwo przenika przez utwardzony silikon, powodując zaparowanie szyb zespolonych.
Obszary i zastosowania rynku
Jednoskładnikowe silikony są stosowane niemal wszędzie, w tym również (ku rozczarowaniu niektórych właścicieli budynków), gdzie dwa wyżej wymienione ograniczenia stwarzają problemy.
Największy wolumen sprzedaży przypada na rynek budowlany i DIY, a następnie na motoryzację, przemysł, elektronikę i lotnictwo. Podobnie jak w przypadku wszystkich uszczelniaczy, główną funkcją silikonów jednoskładnikowych jest klejenie i wypełnianie szczelin między dwoma podobnymi lub różnymi podłożami, zapobiegając przedostawaniu się wody lub przeciągów. Czasami formuła silikonu nie wymaga praktycznie żadnych zmian, poza uczynieniem go bardziej płynnym, na którym następnie staje się powłoką. Najlepszy sposób na rozróżnienie powłoki, kleju i uszczelniacza jest prosty. Uszczelniacz uszczelnia między dwiema powierzchniami, podczas gdy powłoka pokrywa i chroni tylko jedną, a klej w znacznym stopniu utrzymuje obie powierzchnie razem. Uszczelniacz jest najbardziej podobny do kleju, gdy jest stosowany w szkleniu strukturalnym lub szkleniu zespolonym, jednak nadal pełni funkcję uszczelniającą oba podłoża, a także utrzymuje je razem.
Podstawy chemii
Uszczelniacz silikonowy w stanie nieutwardzonym ma zazwyczaj konsystencję gęstej pasty lub kremu. Pod wpływem powietrza reaktywne grupy końcowe polimeru silikonowego ulegają hydrolizie (reagują z wodą), a następnie łączą się ze sobą, uwalniając wodę i tworząc długie łańcuchy polimerowe, które w dalszym ciągu reagują ze sobą, aż w końcu pasta przekształci się w imponującą gumę. Grupa reaktywna na końcu polimeru silikonowego pochodzi z najważniejszej części formulacji (poza samym polimerem), a mianowicie z sieciownika. To właśnie sieciownik nadaje uszczelniaczowi jego charakterystyczne właściwości, bezpośrednio, takie jak zapach i szybkość utwardzania, lub pośrednio, takie jak kolor, przyczepność itp., ze względu na inne surowce, które mogą być stosowane z określonymi systemami sieciowania, takimi jak wypełniacze i promotory adhezji. Wybór odpowiedniego sieciownika jest kluczowy dla określenia ostatecznych właściwości uszczelniacza.
Rodzaje utwardzania
Istnieje kilka różnych systemów utwardzania.
1) Acetoxy (zapach kwaśnego octu)
2) Oksym
3) Alkoksy
4) Benzamid
5) Amina
6) Aminoksy
Oksymy, alkoksy i benzamidy (szerzej stosowane w Europie) to tzw. układy neutralne lub bezkwasowe. Aminy i układy aminoksy mają zapach amoniaku i są zazwyczaj stosowane w motoryzacji i przemyśle lub w specjalistycznych zastosowaniach budowlanych na zewnątrz.
Surowce
Formuły składają się z kilku różnych składników, z których niektóre są opcjonalne, w zależności od zamierzonego zastosowania.
Jedynymi absolutnie niezbędnymi surowcami są polimer reaktywny i środek sieciujący. Jednakże, wypełniacze, promotory adhezji, polimery niereaktywne (plastyfikujące) i katalizatory są prawie zawsze dodawane. Ponadto, można stosować wiele innych dodatków, takich jak pasty barwiące, fungicydy, środki zmniejszające palność i stabilizatory termiczne.
Podstawowe formulacje
Typowa formuła uszczelniacza budowlanego lub uszczelniacza do samodzielnego montażu wygląda następująco:
| % | ||
| Polidimetylosiloksan, zakończony grupą OH 50 000 cps | 65,9 | Polimer |
| Polidimetylosiloksan, trimetyloterminowany, 1000 cps | 20 | Plastyfikator |
| Metylotrioksimosilan | 5 | Środek sieciujący |
| Aminopropyltrietoksysilan | 1 | Promotor adhezji |
| 150 m2/g powierzchni krzemionki pirogenicznej | 8 | Podsadzkarz |
| Dilaurynian dibutylocyny | 0,1 | Katalizator |
| Całkowity | 100 |
Właściwości fizyczne
Typowe właściwości fizyczne obejmują:
| Wydłużenie (%) | 550 |
| Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) | 1.9 |
| Moduł przy wydłużeniu 100 (MPa) | 0,4 |
| Twardość Shore'a A | 22 |
| Skóra w czasie (min) | 10 |
| Czas schnięcia (min) | 60 |
| Czas zarysowania (min) | 120 |
| Przez wyleczenie (mm w ciągu 24 godzin) | 2 |
Formulacje z innymi środkami sieciującymi będą wyglądać podobnie, być może różniąc się poziomem środka sieciującego, rodzajem promotora adhezji i katalizatorami utwardzania. Ich właściwości fizyczne będą się nieznacznie różnić, chyba że zastosowano przedłużacze łańcucha. Niektórych systemów nie da się łatwo wyprodukować bez użycia dużej ilości wypełniacza kredowego. Tego rodzaju formulacje oczywiście nie mogą być produkowane w wersji przezroczystej lub półprzezroczystej.
Opracowywanie uszczelniaczy
Proces opracowywania nowego uszczelniacza przebiega w 3 etapach.
1) Koncepcja, produkcja i testowanie w laboratorium – bardzo małe wolumeny
Tutaj chemik laboratoryjny ma nowe pomysły i zazwyczaj zaczyna od ręcznego wymieszania około 100 gramów uszczelniacza, aby sprawdzić, jak się utwardza i jaki rodzaj gumy powstaje. Teraz dostępna jest nowa maszyna „The Hauschild Speed Mix” firmy FlackTek Inc. Ta specjalistyczna maszyna idealnie nadaje się do mieszania małych, 100-gramowych partii w ciągu kilku sekund, jednocześnie usuwając powietrze. Jest to ważne, ponieważ pozwala teraz producentowi na faktyczne przetestowanie właściwości fizycznych tych małych partii. Krzemionka pirogeniczna lub inne wypełniacze, takie jak kreda strącana, mogą zostać wmieszane do silikonu w około 8 sekund. Odpowietrzanie trwa około 20-25 sekund. Maszyna działa na zasadzie podwójnego, asymetrycznego mechanizmu wirówkowego, który zasadniczo wykorzystuje same cząsteczki jako własne ramiona mieszające. Maksymalna wielkość mieszanki to 100 gramów, a dostępnych jest kilka różnych rodzajów kubków, w tym jednorazowe, co oznacza całkowity brak konieczności czyszczenia.
Kluczowe w procesie formulacji są nie tylko rodzaje składników, ale także kolejność ich dodawania i czas mieszania. Oczywiście, usunięcie powietrza jest ważne, aby produkt zachował trwałość, ponieważ pęcherzyki powietrza zawierają wilgoć, która powoduje utwardzanie się uszczelniacza od wewnątrz.
Gdy chemik uzyska rodzaj uszczelniacza wymagany do konkretnego zastosowania, może przeskalować go do miksera planetarnego o pojemności 1 kwarty, który może wyprodukować około 3-4 małych tub o pojemności 110 ml (3 uncje). Jest to wystarczająca ilość materiału do wstępnego sprawdzenia trwałości i przyczepności oraz spełnienia wszelkich innych wymagań specjalnych.
Następnie może przejść do maszyny o pojemności 1 lub 2 galonów, aby wyprodukować 8-12 tub o pojemności 10 uncji (ok. 280 ml) w celu przeprowadzenia dogłębnych testów i pobrania próbek od klientów. Uszczelniacz jest wytłaczany z pojemnika przez metalowy cylinder do wkładu, który jest zakładany na cylinder pakujący. Po tych testach jest gotowy do produkcji na większą skalę.
2) Skalowanie i dostrajanie – średnie wolumeny
W fazie produkcji na większą skalę, receptura laboratoryjna jest teraz wytwarzana na większej maszynie, zazwyczaj o pojemności 100–200 kg, czyli około jednego bębna. Ten etap ma dwa główne cele.
a) aby sprawdzić, czy występują jakieś znaczące różnice między rozmiarem 4 funtów a tym większym rozmiarem, które mogą wynikać z szybkości mieszania i dyspersji, szybkości reakcji i różnych ilości ścinania w mieszance, oraz
b) wyprodukować wystarczającą ilość materiałów, aby móc wytypować potencjalnych klientów i uzyskać realną informację zwrotną z pracy.
Ta 50-galonowa maszyna jest również bardzo przydatna do produkcji wyrobów przemysłowych, gdy wymagane są niewielkie ilości lub specjalne kolory, a jednorazowo trzeba produkować tylko jedną beczkę każdego rodzaju.
Istnieje kilka rodzajów mieszalników. Dwa najczęściej używane to mieszalniki planetarne (jak pokazano powyżej) i dyspergatory wysokoobrotowe. Mieszalnik planetarny sprawdza się w przypadku mieszanek o wyższej lepkości, natomiast dyspergator sprawdza się lepiej, szczególnie w przypadku płynnych systemów o niższej lepkości. W przypadku typowych uszczelniaczy budowlanych można stosować oba typy mieszalników, o ile zwróci się uwagę na czas mieszania i potencjalne generowanie ciepła przez dyspergator wysokoobrotowy.
3) Pełnoskalowe ilości produkcyjne
Produkcja końcowa, która może być wsadowa lub ciągła, miejmy nadzieję, po prostu odtwarza ostateczną formułę z etapu produkcji na większą skalę. Zazwyczaj stosunkowo niewielka ilość (2 lub 3 wsady lub 1-2 godziny ciągłej pracy) materiału jest najpierw wytwarzana w urządzeniach produkcyjnych i sprawdzana przed rozpoczęciem normalnej produkcji.
Testowanie – co i jak testować.
Co
Właściwości fizyczne – wydłużenie, wytrzymałość na rozciąganie i moduł
Przyczepność do odpowiedniego podłoża
Okres przydatności do spożycia – zarówno przyspieszony, jak i w temperaturze pokojowej
Szybkość utwardzania – naskórek z czasem, czas schnięcia, czas zarysowania i utwardzania na wskroś, stabilność temperaturowa kolorów lub stabilność w różnych płynach, takich jak olej
Ponadto sprawdzane i obserwowane są inne kluczowe właściwości: konsystencja, niski zapach, korozyjność i ogólny wygląd.
Jak
Arkusz uszczelniacza jest wyciągany i pozostawiany do utwardzenia na tydzień. Następnie wycina się specjalny hantel i umieszcza w urządzeniu do pomiaru wytrzymałości na rozciąganie (Tensile Tester), aby zmierzyć właściwości fizyczne, takie jak wydłużenie, moduł sprężystości i wytrzymałość na rozciąganie. Urządzenia te służą również do pomiaru sił adhezji/kohezji na specjalnie przygotowanych próbkach. Proste testy adhezji typu „tak/nie” przeprowadza się, naciągając na badane podłoża pasma utwardzonego materiału.
Miernik twardości Shore'a-A mierzy twardość gumy. Urządzenie to wygląda jak ciężarek i wskaźnik z końcówką wbijaną w utwardzoną próbkę. Im głębiej końcówka wnika w gumę, tym bardziej jest ona miękka i tym niższa jest wartość. Typowy uszczelniacz budowlany ma twardość w zakresie 15–35.
Pomiary czasu naskórkowania, czasu schnięcia i inne pomiary specjalistyczne skóry wykonuje się palcem lub za pomocą folii z ciężarkami. Mierzy się czas, po którym folia może zostać dokładnie oderwana.
Aby zapewnić trwałość, tubki z uszczelniaczem są poddawane starzeniu w temperaturze pokojowej (co naturalnie zajmuje 1 rok, aby potwierdzić roczną trwałość) lub w podwyższonej temperaturze, zazwyczaj 50°C przez 1, 3, 5, 7 tygodni itd. Po procesie starzenia (pozostawienie tubki do ostygnięcia w przypadku przyspieszonego procesu), materiał jest wytłaczany z tubki i formowany w arkusz, gdzie ulega utwardzeniu. Właściwości fizyczne gumy uformowanej w tych arkuszach są testowane tak jak poprzednio. Następnie właściwości te są porównywane z właściwościami świeżo przygotowanych materiałów w celu określenia odpowiedniej trwałości.
Szczegółowe objaśnienia większości wymaganych testów można znaleźć w podręczniku ASTM.
Kilka ostatnich wskazówek
Silikony jednoskładnikowe to najwyższej jakości uszczelniacze dostępne na rynku. Mają jednak pewne ograniczenia i w przypadku szczególnych wymagań mogą zostać opracowane specjalnie.
Kluczowe jest zadbanie o to, aby wszystkie surowce były jak najbardziej suche, formuła była stabilna, a w procesie produkcyjnym usuwano powietrze.
Proces opracowywania i testowania jest zasadniczo taki sam dla każdego jednoskładnikowego uszczelniacza, niezależnie od jego rodzaju. Przed rozpoczęciem produkcji należy sprawdzić wszystkie możliwe właściwości i dokładnie zrozumieć potrzeby danego zastosowania.
W zależności od wymagań aplikacji, można dobrać odpowiednią chemię utwardzania. Na przykład, jeśli wybrany zostanie silikon, a zapach, korozja i przyczepność nie są istotne, a wymagany jest niski koszt, najlepszym rozwiązaniem będzie utwardzacz acetoksylowy. Jeśli jednak chodzi o części metalowe, które mogą ulec korozji lub wymagana jest specjalna przyczepność do tworzyw sztucznych w unikatowym, błyszczącym kolorze, potrzebny jest oksym.
[1] Dale Flackett. Związki krzemu: silany i silikony [M]. Gelest Inc: 433-439
* Zdjęcie z OLIVIA Silicone Sealant
Czas publikacji: 31 marca 2024 r.
