精密鋼型材粘結(jié)耐久性測試方法初探

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　　摘要：本文研究了精密鋼型材與硅酮結(jié)構(gòu)密封膠、硅酮耐候密封膠的粘結(jié)性及涂層的粘結(jié)耐久性，探索了涂層粘結(jié)耐久性的測試方法，為密封膠在精密鋼型材上的應(yīng)用提供參考。

　　關(guān)鍵詞：精密鋼型材;密封膠;涂層;粘結(jié)性;耐久性

　　1. 背景介紹

　　鋼鐵的精密復(fù)雜制造與成型技術(shù)，始于上世紀(jì)60年代，由德國、瑞士相繼研發(fā)成功。使用該技術(shù)制造的精密鋼材（詞條“鋼材”由行業(yè)大百科提供），既具有鋁材截面（詞條“截面”由行業(yè)大百科提供）的復(fù)雜性與功能性，又具備鋼鐵的強(qiáng)韌性（詞條“韌性”由行業(yè)大百科提供）及耐高溫、低熱導(dǎo)等諸多優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于建筑、家居、汽車、交通運輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)。國內(nèi)有相關(guān)企業(yè)于2016年掌握了與精密鋼型材科技相關(guān)的核心技術(shù)，使我國成為繼德國、瑞士之后全球第 3個掌握此項技術(shù)的國家[1]。

　　鋼材的熔點約1500℃，遠(yuǎn)高于鋁合金的熔點(約650℃)，同時鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)只有鋁（詞條“鋁”由行業(yè)大百科提供）合金的約三分之一，因此鋼材是防火幕墻支撐結(jié)構(gòu)的首選材料。再加上鋼材的強(qiáng)度、彈性模量均比常用的鋁合金型材(6063)高1~2倍，這意味著較小截面的鋼材可以支撐較大的幕墻分格，可增加玻璃幕墻的通透性。因此目前在高層間鋼框架幕墻、大跨度和大空間的結(jié)構(gòu)和采光頂中有著越來越多的應(yīng)用[2，3]。可以預(yù)見，未來隨著鋼鐵精密復(fù)雜成型技術(shù)的發(fā)展，精密鋼型材在建筑領(lǐng)域會有著越來越廣泛的應(yīng)用。

　　與可以通過陽極氧化處理進(jìn)行防腐的鋁材不同，精密鋼型材主要通過表面涂裝的方式防腐，因此密封膠與精密鋼型材的粘結(jié)其實主要是與其表面涂層的粘結(jié)，要確保密封膠與精密鋼型材粘結(jié)牢固，不僅需要密封膠與涂層粘結(jié)牢固，還需要涂層與精密鋼型材之間粘結(jié)牢固，尤其是老化或腐蝕以后，涂層與精密鋼之間能否承受密封膠的拉力，是一個需要關(guān)注的問題。關(guān)于該問題目前尚缺乏相關(guān)的研究，而這對于精密鋼的推廣應(yīng)用非常關(guān)鍵。為了確認(rèn)精密鋼型材與密封膠之間的粘接性以及型材表面涂層的粘接耐久性，我們設(shè)計了試驗方法，對精密鋼型材與各種密封膠的粘接性及涂層的粘接耐久性做了一個初步的研究。

　　2. 試驗方法的確定

　　密封膠與精密鋼型材之間的粘結(jié)性可以參考國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》GB 16776-2005[4]附錄B“實際工程用基材同密封膠粘結(jié)性試驗方法”進(jìn)行剝離粘結(jié)性試驗來確定。

　　而對于粘結(jié)耐久性，則需要考慮鋼材表面涂層附著力的影響。本試驗所用基材按《色漆和清漆拉開法附著力試驗》GB/T 5210-2006[5]的規(guī)定進(jìn)行涂層附著力測試，結(jié)果顯示，未老化的情況下，精密鋼型材表面的涂層與鋼材之間的附著力在4MPa以上。(此時，測試用環(huán)氧膠與涂層脫開，涂層完好，如圖1所示)。這個附著力已高于硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，這表明在未經(jīng)老化的情況下，涂層與精密鋼型材的附著性能可靠，可以承受和傳遞密封膠的粘結(jié)力。

　　不過在實際應(yīng)用過程中，精密鋼型材表面涂層可能發(fā)生老化，其附著力可能會下降，尤其是在涂層局部劃傷的情況下，鋼材的腐蝕區(qū)域可能會擴(kuò)展，影響到劃痕周邊區(qū)域涂層的附著力，這將影響到密封膠與精密鋼型材的粘結(jié)耐久性。因此，有必要考察精密鋼型材表面涂層在經(jīng)過破壞、水煮、泡水以后，是否能夠承受密封膠的剝離力而涂層不被破壞。

　　參考國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金建筑型材第5部分：噴漆型材》GB/T 5237.5-2017[6]和《鋁合金建筑型材 第4部分：噴粉型材》GB/T 5237.4-2017[7]中規(guī)定了涂層附著性的檢測方法，包括干附著性、濕附著性和沸水附著性。

　　以GB/T 5237.5-2017為例，干附著性是按照國家標(biāo)準(zhǔn)《色漆和清漆劃格試驗》GB/T 9286-2021[8]的規(guī)定劃格之后，將黏著力大于10 N/25mm的粘膠帶覆蓋在劃格的膜層上，以垂直于膜層表面的角度快速拉起粘膠帶，按照交叉切割區(qū)域的涂層表面脫落程度進(jìn)行評級。濕附著性測試則是按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9286-2021的規(guī)定劃格后，置于38 ℃±5℃的國家標(biāo)準(zhǔn)《分析實驗室用水規(guī)格和試驗方法》GB/T 6682-2008[9]中規(guī)定三級水中浸泡24 h，取出并擦干試樣，再按照干附著性的測試方法進(jìn)行試驗并評級。沸水附著性則是按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9286-2021的規(guī)定劃格后，將試樣懸立于沸水(三級水)中煮 20 min，取出并擦干試樣，再在5min內(nèi)按照干附著性的測試方法進(jìn)行試驗并評級。

圖2 精密鋼型材表面涂層劃格示意圖

　　上述涂層附著性能的檢測，采用的是黏著力大于10N/25mm的粘膠帶，這個力不大，目的是測量涂層可以被輕易剝落（詞條“剝落”由行業(yè)大百科提供）的面積，但是劃格后的涂層能否承受密封膠較大的拉力，該方法無法給出可靠結(jié)果。

　　本試驗設(shè)計了將涂層沸水附著性測試方法與國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776-2005附錄B“實際工程用基材同密封膠粘結(jié)性試驗方法”相結(jié)合的方案對精密鋼型材與各種密封膠的粘結(jié)性及涂層的粘結(jié)耐久性做一個初步的研究。

　　3. 試驗

　　3.1主要原料

　　精密鋼型材，表面經(jīng)過粉末噴涂處理的精密鋼型材，切割成矩形片狀，尺寸約為寬度60mm、長度不小于150mm，湖南省金為新材料科技有限公司;不銹鋼網(wǎng)，30目，尺寸為長度約300mm、寬度約25mm、厚度約0.5mm，河北安平鴻昌金屬（詞條“金屬”由行業(yè)大百科提供）網(wǎng)廠;結(jié)構(gòu)密封膠A(單組分，醇型硅酮膠)、結(jié)構(gòu)密封膠B(雙組分，醇型硅酮膠)、耐候密封膠A(單組分，醇型硅酮膠)、耐候密封膠B(單組分，酮肟型硅酮膠)，廣州白云科技股份有限公司;底涂液，底涂液A，廣州白云科技股份有限公司。

　　3.2試驗設(shè)備

　　拉力機(jī)：微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)(深圳市新三思材料檢測有限公司)，型號DXLL-3000。

　　3.3試件制備及養(yǎng)護(hù)

　　3.3.1未劃格處理的精密鋼型材與各種密封膠剝離粘結(jié)性試驗的試件制備及養(yǎng)護(hù)

　　按國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776-2005和《建筑密封材料試驗方法第18部分：剝離粘結(jié)性的測定》GB/T 13477.18-2002[10]中的要求制備剝離粘結(jié)性測試試件。制備過程如下：

　　1)清洗精密鋼型材，如果試驗方案需要施打底涂，則在基材上涂刷底涂液。

　　2)在粘結(jié)基材頂端橫向放置一條25 mm 寬的遮蔽條，然后將在標(biāo)準(zhǔn)條件下處理過的試樣涂抹在粘結(jié)基材上(多組分試樣應(yīng)按生產(chǎn)廠家的配合比將各組分充分混合5min后再涂抹)，涂抹面積約為130 mm×30mm，涂抹厚度約2mm。如圖3a，圖3b所示。

　　3)將金屬網(wǎng)放置在密封膠的表面，使得密封膠和金屬網(wǎng)充分地接觸，并把密封膠的高度控制在1.5mm。、如圖3c，圖3d所示。

　　4)在金屬網(wǎng)上面復(fù)涂一層密封膠，并把密封膠的高度控制在3mm，去除兩側(cè)多余的部分，使密封膠的寬度控制在25mm，如圖3e，圖3f所示。

　　采用上述制樣方法，將準(zhǔn)備好的不同密封膠分別與精密鋼型材制作試件，每種密封膠采用兩個試驗方案，分別為“清洗后不施打底涂液”、“清洗后施打底涂液A”，每種方案制作3個試件。將制作好的試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至指定時間(單組分養(yǎng)護(hù)21天、雙組分養(yǎng)護(hù)14天)，再放入水中泡水7天。

　　3.3.2劃格處理的精密鋼型材涂層粘結(jié)耐久性試驗的試件制備及養(yǎng)護(hù)

　　針對密封膠與精密鋼型材表面涂層之間的粘結(jié)耐久性試驗，本研究設(shè)計了兩個方法。方法1是先將基材表面涂層劃格后進(jìn)行涂層的沸水附著性測試，然后將基材與密封膠制成試件并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、泡水之后測試剝離粘結(jié)性。該方法選擇了對涂層腐蝕的最不利條件，然后考察處理后涂層承受密封膠剝離力的能力。方法2是先將基材劃格與密封膠制成試件，在養(yǎng)護(hù)、泡水之后再按照沸水附著性測試的要求煮沸，然后再測試剝離粘結(jié)性。該方法與實際應(yīng)用過程較為接近，密封膠先與受損但未被腐蝕的涂層粘結(jié)，而密封膠實際對受損涂層可以起到一定的防腐蝕作用，再對粘結(jié)了膠的涂層進(jìn)行耐沸水腐蝕測試，之后檢查其是否能夠承受密封膠的粘結(jié)力。

　　具體的試驗過程如下。

　　方法1：先劃格水煮再施膠，檢測剝離粘結(jié)性

　　1)按照GB/T 5237.5的要求在精密鋼型材表面涂層進(jìn)行劃格，劃格間距為1mm。將GB/T 6682 規(guī)定的三級水注入燒杯，在燒杯底部加熱至水沸騰。將試樣懸立于沸水中煮 20 min。試樣應(yīng)保持在水面10 mm 以下，但不能接觸容器底部。在試驗過程中保持水溫不低于 95℃，并隨時向杯中補(bǔ)充煮沸的 GB/T 6682 規(guī)定的三級水，以保持水面的高度。煮沸結(jié)束，取出并擦干試樣，再在5min內(nèi)按照GB/T 5237.5中干附著性的測試方法進(jìn)行試驗。

　　2)以上述測試結(jié)束的精密鋼型材為基材，采用結(jié)構(gòu)密封膠A按照本文3.3.1的過程制作試件，共采用兩個試驗方案，分別為“清洗后不施打底涂液”、“清洗后施打底涂液A”，每種方案制作3個試件。將制作好的試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)21天，再放入水中泡水7天。

　　方法2：先劃格、施膠，水煮后檢查剝離粘結(jié)性

　　1)按照GB/T 5237.5的要求在精密鋼型材表面涂層進(jìn)行劃格，劃格間距為1mm。將劃格后的基材，采用結(jié)構(gòu)密封膠A按照本文3.3.1的過程制作試件，共采用兩個試驗方案，分別為“清洗后不施打底涂液”、“清洗后施打底涂液A”，每種方案制作3個試件。將制作好的試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)21天，再放入水中泡水7天。

　　2)在養(yǎng)護(hù)和泡水完成后，將試件按照GB/T 5237.5的要求懸立于沸水中煮 20 min。試樣保持在水面10 mm 以下，但不能接觸容器底部。在試驗過程中保持水溫不低于 95℃，并隨時向杯中補(bǔ)充煮沸的 GB/T 6682 規(guī)定的三級水，以保持水面的高度。煮沸結(jié)束后，取出試件。

　　3.4試驗步驟

　　3.4.1未劃格處理的精密鋼型材與各種密封膠的剝離粘結(jié)性試驗

　　取出試件后，立即將表面擦干。將試料與遮蔽條分開，從下邊切開 12 mm 試料。將試件裝入拉力試驗機(jī)，以50 mm/min 的速度于180方向拉伸金屬絲網(wǎng)使試料從基材上剝離，如圖4所示。記錄剝離時拉力峰值的平均值(N)，剝離強(qiáng)度(N/mm)和最大剝離力(N)。

　　3.4.2劃格處理的精密鋼型材涂層粘結(jié)耐久性試驗

　　針對方法1和方法2養(yǎng)護(hù)好的試樣，按照3.4.1進(jìn)行剝離粘結(jié)性試驗。

　　4、結(jié)果與討論

　　4.1未劃格處理的精密鋼型材與各種密封膠的剝離粘結(jié)性試驗

　　剝離粘結(jié)性試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

　　表1中的試驗結(jié)果表明：本次使用的精密鋼型材表面的涂層可以與密封膠粘結(jié)良好，不管是結(jié)構(gòu)密封膠還是耐候密封膠均可以形成良好的粘結(jié)，醇型密封膠和酮肟型密封膠粘結(jié)效果也并無顯著差別。

　　4.2劃格處理的精密鋼型材涂層粘結(jié)耐久性試驗

　　采用方法1、方法2的涂層粘結(jié)耐久性試驗結(jié)果如圖5所示。

　　采用方法1、方法2的涂層粘結(jié)耐久性試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

　　1.采用方法1進(jìn)行劃格試驗之后，精密鋼型材表面涂層的沸水附著性按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9286-2021中的分級要求，可以判定為0級，涂層交叉切割區(qū)域的邊緣完全平滑，網(wǎng)格內(nèi)無脫落。

　　2.方法1、方法2進(jìn)行剝離粘結(jié)性測試之后，精密鋼型材表面的涂層沒有產(chǎn)生破壞，涂層的粘結(jié)耐久性相對較好。

　　3. 方法1和方法2在采用同樣的施工方案(例如清洗后不施打底涂液)時，其剝離強(qiáng)度、峰值平均剝離力基本一致。

　　4. 采用方法1和方法2測得的峰值平均剝離力、剝離強(qiáng)度、最大剝離力與3.1中未進(jìn)行涂層耐久性試驗的結(jié)果基本一致，說明本次使用的精密鋼型材的表面涂層耐久性比較好。

　　上述涂層粘結(jié)耐久性試驗的測試結(jié)果表明：上述兩種方法均可以作為精密鋼型材涂層粘結(jié)耐久性的測試方法，方法1對涂層的腐蝕條件更為嚴(yán)苛，可以優(yōu)先采用。對于其他需要受結(jié)構(gòu)密封膠拉力的涂層的粘結(jié)耐久性，也可以采用方法1進(jìn)行驗證確認(rèn)。

　　需要指出的是，由于涂料種類、涂料批次質(zhì)量、涂裝工藝、涂裝批次質(zhì)量等均對涂層的附著力、耐久性和與密封膠的粘結(jié)性有較大影響，本試驗只能證明試驗過程中所使用的精密鋼型材和密封膠的粘結(jié)耐久性良好。對于工程實際應(yīng)用的材料，如需用于結(jié)構(gòu)粘結(jié)，應(yīng)采用方法1進(jìn)行相關(guān)試驗，確認(rèn)該精密鋼型材與該密封膠的粘結(jié)性和粘結(jié)耐久性。

　　另外，在實驗過程中觀察到，精密鋼型材的切口處在泡水時會出現(xiàn)生銹的情況。因此，在實際的工程應(yīng)用中，需要注意考慮采用合適的方法避免切口處銹蝕的發(fā)生。

　　5、結(jié)論

　　1. 本試驗開發(fā)了精密鋼型材涂層與密封膠粘結(jié)耐久性的試驗方法。該方法將涂層沸水附著性測試方法與國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776-2005附錄B“實際工程用基材同密封膠粘結(jié)性試驗方法”相結(jié)合，可以作為評價涂裝材料與密封膠粘結(jié)耐久性的試驗方法。

　　2. 本試驗使用的精密鋼型材表面的涂層可以與密封膠粘結(jié)良好，不管是結(jié)構(gòu)密封膠還是耐候密封膠均可以形成良好的粘結(jié)，醇型密封膠和酮肟型密封膠粘結(jié)效果也并無顯著差別。

　　3. 本試驗使用的精密鋼型材表面涂層與密封膠之間的粘結(jié)良好，能夠承受結(jié)構(gòu)密封膠的拉力;而且涂層與精密鋼型材之間的耐久性能較好，經(jīng)泡水和沸水處理之后仍可承受結(jié)構(gòu)密封膠的拉力。

　　4. 對于工程實際應(yīng)用的材料，如需用于結(jié)構(gòu)粘結(jié)，可以采用方法1進(jìn)行相關(guān)試驗，確認(rèn)該精密鋼型材與該密封膠的粘結(jié)性和粘結(jié)耐久性。

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　　[10]全國輕質(zhì)與裝飾裝修建筑材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 13477.18-2002建筑密封材料試驗方法第18部分：剝離粘結(jié)性的測定[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

作者單位：廣州白云科技股份有限公司