Адгезионные свойства герметика со стеклом с покрытием и без него
1. Введение
В современных зданиях со сплошным остеклением наличие конструктивных швов между стеклом и рамами из различных материалов оконных и фасадных элементов неизбежно. Обеспечение герметизации этих швов с помощью высококачественных герметиков требует, прежде всего, постановки соответствующей задачи при проектировании здания и высокого профессионализма при ее реализации. Эластичные герметики могут надолго защитить швы -- даже при условии усадки -- от ветра и дождя.  большое количество швов с эластичными герметиками В процессе технического развития эластичные герметики дополнительно приобрели статическую несущую функцию, в результате чего появилась технология эластичного склеивания. Эта техника получила известность под названием " Structural Sealant Glazing" ("Структурное герметичное остекление"). Следует отметить, что в ряде стран данная технология еще официально не признана. Например, в Германии для ее применения требуется получение "Общего допуска службы строительного надзора" или "Разового разрешения". Таблица 1. Характеристики поверхностей остекления в зоне сцепления в соответствии с местоложением согласно позициям.
+ пригодно в качестве поверхности сцепления для клея-герметика При использовании обеих технологий, эластичного уплотнения швов и эластичного склеивания, стекло представляет собой как минимум одну из поверхностей сцепления для уплотняющего соответственно клеящего вещества, которое в дальнейшем назовем клеем-герметиком. Для реализации функционального назначения клея-герметика, должно быть обеспечено его прочное неразъемное соединение с поверхностью стекла. Из большого количества исследований, проведенных в Институте оконных технологий в г.Розенхайме, в данной статье мы остановимся на исследованиях механизма сцепления клеягерметика и стекла. 2. Расположение поверхностей сцепления в конструкции
Для изучения механизма сцепления между клеем-герметиком и стеклом воспользуемся принятой в отрасли классификацией местоположения согласно позициям. Обозначение соответствующей позиции проводится, начиная от внешней поверхности к внутренней поверхности с возрастающей нумерацией. На примере трех основных конструктивных решений рассмотрим положение клея-герметика по отношению к стеклу (Рис. 2).  В зоне соединения между клеем-герметиком и стеклом могут находиться как одинаковые поверхности остекления, так и поверхности с различными покрытиями. В таблице 1 представлена классификация различных поверхностей остекления в соответствии с возможным местоположением в конструкции. 3. Применение непокрытых поверхностей остекления в зоне сцепления
Основные компоненты флоат-стекла, а именно кальциево-натриевого стекла определены в EN 572-1 (Таблица 2). В стекле может содержаться небольшое количество других веществ. Наличие относительно широкого диапазона допустимых отклонений позволяет производителям флоат-стекла оптимизировать свою продукцию. Если сравнивать флоат-стекло, полученное в различных ваннах, то можно заметить различия в его механических и химических свойствах. Таблица 2. Основные компоненты кальциево-натриевого стекла согласно EN 572-1
Для оценки механизма сцепления на поверхности стекла необходимо рассмотреть поверхность остекления в пограничной зоне. Так как поверхность флоат-стекла имеет большую химическую активность, то уже в процессе его производства и дальнейшей обработки образуется химически связанный водяной слой с большой энергией. Эту хемосорбцию также называют "перманентной водяной пленкой", толщина которой приблизительно 1,5 нм. Так как энергия связи относительно велика, этот слой не может быть удален с помощью обычных методов. Поэтому рекомендуется вместо трудоемких методов удаления пленки использовать соответствующий адгезионный состав, который образует химическое соединение с группой ОН перманентной водяной пленки. На Рис.3 представлен верхний водяной слой (физосорбция) с незначительной энергией связи, который может быть удален с помощью глубокой очистки.  После завершения процесса получения флоатстекла на внутренней поверхности в результате контакта с оловянным расплавом образуется больше ионов олова, чем на внешней поверхности. Установлено, что механизм сцепления клея-герметика на внутренней поверхности может быть лучше, чем на внешней поверхности, что имеет вторичное значение для использования. Шероховатость поверхности стекла также не одинакова. В то время как внешняя поверхность имеет среднюю шероховатость 4-10 нм, шероховатость внутренней поверхности составляет всего 1-2 нм. Такие значения шероховатости поверхности не оказывают отрицательного влияния на механизм сцепления клея-герметика. 4. Применение поверхностей остекления c покрытием в зоне сцепления
Хотя на сегодняшний день имеется большое предложение стекол с покрытием, основным их компонентом является, как это видно из таблицы 1, оксид титана (таблица 1, строка 2 и 6). Так как эти покрытия характеризуются очень высокой химической, механической и термической стойкостью и при многослойном покрытии слои обладают большой прочностью сцепления между собой, приклеивание можно производить непосредственно на эти покрытия.  Теплоизоляционные покрытия на основе оксида олова со специальными промежуточными слоями из оксида кремния также относятся к погодостойким покрытиям (таблица 1, строка 3). Толщина покрытия может лежать в пределах от > 200 нм и иметь столбчатую структуру с твердыми, но шероховатыми поверхностями. Исследования, проведенные в рамках проектов по структурному остеклению, показали высокую надежность механизма сцепления клеягерметика для структурного остекления.  Наиболее часто применяемое в настоящее время теплоизоляционное покрытие (таблица 1, строка 4) изготовляется на основе серебра. В типичном многослойном покрытии слой серебра толщиной 12 нм находится между адгезионным или изоляционным слоем на поверхности стекла и покровным слоем. Эти покрытия из-за возможной подверженности коррозии имеют низкую стойкость к атмосферным воздействиям и должны быть полностью удалены в пограничной зоне склеивания, позиция 3, путем шлифования. В результате шлифования в зоне сцепления вдоль края возникают царапины, которые обусловливают появление в пограничной зоне шероховатости в м диапазоне. При этом большое значение имеет регулярная смена шлифовального инструмента, которая позволяет избежать "сгорания" абразивного материала, так как в противном случае нельзя обеспечить требуемое качество поверхности. Проведение тщательной очистки краев зоны сцепления является гарантией надежного соединения с изоляционными герметиками. Для остекления подоконных (парапетных) стенок, стеклянных панелей или структурного остекления с использованием стеклопакетов, в которых наружное стекло длиннее, чем внутреннее, для обработки зоны сцепления, позиция 2, может применяться эмалирование. Неорганическая стеклянная эмаль состоит из стеклянной матрицы (фритты) и придающих цвет неорганических пигментов. Исследования показали, что в пограничной зоне с клеем-герметиком состав на 98% соответствует матрице стекла. Хотя в данном случае мы и имеем дело с поверхностью сцепления аналогичной стеклянной, рекомендуется проверить механизм сцепления, особенно, при использовании клея-герметика для структурного остекления. Необходимость применения дополнительного праймера следует согласовать с производителем или установить опытным путем. 5. Механизм сцепления
Изучение поверхностей сцепления остеклений с покрытием и без него свидетельствуют о том, что "химические мостики" в пограничной зоне с клеемгерметиком возникают в основном за счет ионов ОН. Механизм сцепления в значительной мере определяется гидролитической реакцией с группами ОН. Содержащиеся в клее-герметике активаторы сцепления, в основном на базе модифицированных силанов, значительно улучшают адгезионный механизм, и образуют очень стойкие соединения. Адгезионный механизм является залогом надежного клеевого соединения, степень прочности которого должна превышать надежность клея-герметика или прочность поверхностей сцепления. Различные геометрические поверхностные структуры (фактура поверхности) также оказывают влияние на рабочую (эффективную) поверхность, что может привести к дополнительной механической адгезии из-за геометрического замыкания или псевдосоединения. Решающее значение имеет смачивание поверхности клея-герметика в жидком состоянии. При проникновении клея-герметика в структуру поверхности без образования пузырьков воздуха создаются оптимальные условия для хорошего сцепления. Для всех стекол с покрытием или без него необходимо проведение тщательной очистки зоны сцепления перед нанесением клея-герметика. Наряду с механической очисткой поверхности необходимо провести ее обезжиривание с помощью средств для очистки в соответствии с инструкцией изготовителя клея-герметика. После тщательной очистки и полного высыхания поверхностей сцепления образуются поверхности с большой активностью. Для того, чтобы предупредить процесс возникновения коррозии, следует нанести клей-герметик на поверхность сцепления как можно скорее. Для уплотнения швов при сплошном остеклении, структурном остеклении и погодостойкой герметизации, неизбежным является проведение специальных мероприятий по подготовке поверхностей. При строгом соблюдении инструкций можно избежать погрешностей обработки швов. Необратимое ухудшение механизма сцепления может наступить из-за длительного воздействия воды или влажности. Агрессивная среда проникает в микротрещины в полимере, располагающиеся вдоль пограничного слоя, вследствие процессов диффузии или капиллярного эффекта и в результате длительного воздействия ослабляет сцепление клеевого соединения. Ухудшение сцепления между клеем-герметиком и поверхностью остекления вызвано адсорбцией воды, отрицательно влияющей на эффективность полярных групп молекул полимера. У остеклений с покрытием, содержащим металлооксидные слои, проникающая вода может вступить в пограничном слое в реакцию гидратации с оксидным слоем и ухудшить, таким образом, реактивный грунт для клея-герметика.  6. Оценка адгезионного поведения
Для оценки адгезионного поведения особое значение имеют данные долговременных наблюдений. Начальная прочность, установленная при испытании на растяжение, не является надежной основой для проведения оценки, так как при этом не учитываются комплексные нагрузки, действующие в течение всего срока службы. Так как во многих случаях из-за очень коротких циклов разработки и производства не представляется возможным воспользоваться результатами длительных испытаний в естественных условиях эксплуатации, следует получить соответствующие данные с помощью испытаний, проведенных в сжатые сроки. Корреляция искусственного старения в ходе ускоренных испытаний с истинным воздействием без знания конструктивных особенностейлишь ограничено возможна для оценки длительной прочности. Для проведения оценки величина ухудшения прочности (остаточная прочность), определенная в ходе испытаний на растяжение, по отношению к начальной прочности является лишь одним их критериев оценки. Более важное значение имеет оценка поверхности разрушения после проведения испытаний на растяжение, которая позволяет сделать заключение об адгезионном поведении. Поэтому при лабораторных испытаниях проводится моделирование старения в условиях дополнительного влияния повышенной температуры при одновременном воздействии ультрафиолетового излучения. Изменение отдельных параметров в ходе ускоренных испытаний зачастую обуславливает невозможность однозначного определения причины и результата. Таким образом, ускоренные испытания, с помощью которых оценивается длительная прочность, всегда являются компромиссом между минимальными затратами времени и результатами, максимально приближенными к реальной практике. Основные методы испытаний на основе действующих в настоящее время стандартов, таких как:
7. Заключение
Для эффективной герметизации швов при установке окон и строительстве фасадов или несущих швов структурного остекления адгезионное поведение герметика по отношению к стеклу или к неорганическим покрытиям имеет решающее значение. Если отсутствуют данные о надежности соединения поверхностей сцепления и клея-герметика и опыт его применения, то проведение испытаний неизбежно. Для обеспечения постоянного преобладания адгезии над когезией необходимо следить за строгим соблюдением технологии изготовления клея-герметика и тщательной подготовкой поверхностей сцепления. Целесообразным является применение эффективной системы управления качеством. В данном случае справедлив принцип: "Клеевое соединение никогда не прощает ошибок".
Вернер Штиль (Werner Stiell) Дипломированный инженер, |
