摘要：本文研究了精密钢型材与硅酮结构密封胶、硅酮耐候密封胶的粘结性及涂层的粘结耐久性，探索了涂层粘结耐久性的测试方法，为密封胶在精密钢型材上的应用提供参考。
关键词：精密钢型材；密封胶；涂层;粘结性；耐久性
1.背景介绍
钢铁的精密复杂制造与成型技术，始于上世纪60年代，由德国、瑞士相继研发成功。使用该技术制造的精密钢材，既具有铝材截面的复杂性与功能性，又具备钢铁的强韧性及耐高温、低热导等诸多优势，可广泛应用于建筑、家居、汽车、交通运输等产业。
国内有相关企业于2016年掌握了与精密钢型材科技相关的核心技术，使我国成为继德国、瑞士之后全球第 3个掌握此项技术的国家[1]。
钢材的熔点约1500℃，远高于铝合金的熔点(约650℃)，同时钢材的导热系数只有铝合金的约三分之一，因此钢材是防火幕墙支撑结构的首选材料。再加上钢材的强度、弹性模量均比常用的铝合金型材(6063)高1~2倍，这意味着较小截面的钢材可以支撑较大的幕墙分格，可增加玻璃幕墙的通透性。
因此目前在高层间钢框架幕墙、大跨度和大空间的结构和采光顶中有着越来越多的应用[2，3]。可以预见，未来随着钢铁精密复杂成型技术的发展，精密钢型材在建筑领域会有着越来越广泛的应用。
与可以通过阳极氧化处理进行防腐的铝材不同，精密钢型材主要通过表面涂装的方式防腐，因此密封胶与精密钢型材的粘结其实主要是与其表面涂层的粘结，要确保密封胶与精密钢型材粘结牢固，不仅需要密封胶与涂层粘结牢固，还需要涂层与精密钢型材之间粘结牢固，尤其是老化或腐蚀以后，涂层与精密钢之间能否承受密封胶的拉力，是一个需要关注的问题。关于该问题目前尚缺乏相关的研究，而这对于精密钢的推广应用非常关键。
为了确认精密钢型材与密封胶之间的粘接性以及型材表面涂层的粘接耐久性，我们设计了试验方法，对精密钢型材与各种密封胶的粘接性及涂层的粘接耐久性做了一个初步的研究。
2. 试验方法的确定
密封胶与精密钢型材之间的粘结性可以参考国家标准《建筑用硅酮结构密封胶》GB 16776-2005[4]附录B“实际工程用基材同密封胶粘结性试验方法”进行剥离粘结性试验来确定。
而对于粘结耐久性，则需要考虑钢材表面涂层附着力的影响。本试验所用基材按《色漆和清漆拉开法附着力试验》GB/T 5210-2006[5]的规定进行涂层附着力测试，结果显示，未老化的情况下，精密钢型材表面的涂层与钢材之间的附着力在4MPa以上。(此时，测试用环氧胶与涂层脱开，涂层完好，如图1所示)。
这个附着力已高于硅酮结构密封胶的拉伸粘结强度，这表明在未经老化的情况下，涂层与精密钢型材的附着性能可靠，可以承受和传递密封胶的粘结力。
不过在实际应用过程中，精密钢型材表面涂层可能发生老化，其附着力可能会下降，尤其是在涂层局部划伤的情况下，钢材的腐蚀区域可能会扩展，影响到划痕周边区域涂层的附着力，这将影响到密封胶与精密钢型材的粘结耐久性。因此，有必要考察精密钢型材表面涂层在经过破坏、水煮、泡水以后，是否能够承受密封胶的剥离力而涂层不被破坏。
参考国家标准《铝合金建筑型材第5部分：喷漆型材》GB/T 5237.5-2017[6]和《铝合金建筑型材 第4部分：喷粉型材》GB/T 5237.4-2017[7]中规定了涂层附着性的检测方法，包括干附着性、湿附着性和沸水附着性。
以GB/T 5237.5-2017为例，干附着性是按照国家标准《色漆和清漆划格试验》GB/T 9286-2021[8]的规定划格之后，将黏着力大于10 N/25mm的粘胶带覆盖在划格的膜层上，以垂直于膜层表面的角度快速拉起粘胶带，按照交叉切割区域的涂层表面脱落程度进行评级。湿附着性测试则是按照国家标准GB/T 9286-2021的规定划格后，置于38 ℃±5℃的国家标准《分析实验室用水规格和试验方法》GB/T 6682-2008[9]中规定三级水中浸泡24 h，取出并擦干试样，再按照干附着性的测试方法进行试验并评级。沸水附着性则是按照国家标准GB/T 9286-2021的规定划格后，将试样悬立于沸水(三级水)中煮 20 min，取出并擦干试样，再在5min内按照干附着性的测试方法进行试验并评级。
图2 精密钢型材表面涂层划格示意图
上述涂层附着性能的检测，采用的是黏着力大于10N/25mm的粘胶带，这个力不大，目的是测量涂层可以被轻易剥落的面积，但是划格后的涂层能否承受密封胶较大的拉力，该方法无法给出可靠结果。
本试验设计了将涂层沸水附着性测试方法与国家标准GB 16776-2005附录B“实际工程用基材同密封胶粘结性试验方法”相结合的方案对精密钢型材与各种密封胶的粘结性及涂层的粘结耐久性做一个初步的研究。
3. 试验
3.1主要原料
精密钢型材，表面经过粉末喷涂处理的精密钢型材，切割成矩形片状，尺寸约为宽度60mm、长度不小于150mm，湖南省金为新材料科技有限公司;不锈钢网，30目，尺寸为长度约300mm、宽度约25mm、厚度约0.5mm，河北安平鸿昌金属网厂;结构密封胶A(单组分，醇型硅酮胶)、结构密封胶B(双组分，醇型硅酮胶)、耐候密封胶A(单组分，醇型硅酮胶)、耐候密封胶B(单组分，酮肟型硅酮胶)，广州白云科技股份有限公司;底涂液，底涂液A，广州白云科技股份有限公司。
3.2试验设备
拉力机：微机控制电子万能试验机(深圳市新三思材料检测有限公司)，型号DXLL-3000。
3.3试件制备及养护
3.3.1未划格处理的精密钢型材与各种密封胶剥离粘结性试验的试件制备及养护
按国家标准GB 16776-2005和《建筑密封材料试验方法第18部分：剥离粘结性的测定》GB/T 13477.18-2002[10]中的要求制备剥离粘结性测试试件。制备过程如下：
1)清洗精密钢型材，如果试验方案需要施打底涂，则在基材上涂刷底涂液。
2)在粘结基材顶端横向放置一条25 mm 宽的遮蔽条，然后将在标准条件下处理过的试样涂抹在粘结基材上(多组分试样应按生产厂家的配合比将各组分充分混合5min后再涂抹)，涂抹面积约为130 mm×30mm，涂抹厚度约2mm。如图3a，图3b所示。
3)将金属网放置在密封胶的表面，使得密封胶和金属网充分地接触，并把密封胶的高度控制在1.5mm。、如图3c，图3d所示。
4)在金属网上面复涂一层密封胶，并把密封胶的高度控制在3mm，去除两侧多余的部分，使密封胶的宽度控制在25mm，如图3e，图3f所示。
采用上述制样方法，将准备好的不同密封胶分别与精密钢型材制作试件，每种密封胶采用两个试验方案，分别为“清洗后不施打底涂液”、“清洗后施打底涂液A”，每种方案制作3个试件。将制作好的试件在标准条件下养护至指定时间(单组分养护21天、双组分养护14天)，再放入水中泡水7天。
3.3.2划格处理的精密钢型材涂层粘结耐久性试验的试件制备及养护
针对密封胶与精密钢型材表面涂层之间的粘结耐久性试验，本研究设计了两个方法。方法1是先将基材表面涂层划格后进行涂层的沸水附着性测试，然后将基材与密封胶制成试件并进行养护、泡水之后测试剥离粘结性。该方法选择了对涂层腐蚀的最不利条件，然后考察处理后涂层承受密封胶剥离力的能力。方法2是先将基材划格与密封胶制成试件，在养护、泡水之后再按照沸水附着性测试的要求煮沸，然后再测试剥离粘结性。该方法与实际应用过程较为接近，密封胶先与受损但未被腐蚀的涂层粘结，而密封胶实际对受损涂层可以起到一定的防腐蚀作用，再对粘结了胶的涂层进行耐沸水腐蚀测试，之后检查其是否能够承受密封胶的粘结力。
具体的试验过程如下。
方法1：先划格水煮再施胶，检测剥离粘结性
1)按照GB/T 5237.5的要求在精密钢型材表面涂层进行划格，划格间距为1mm。将GB/T 6682 规定的三级水注入烧杯，在烧杯底部加热至水沸腾。将试样悬立于沸水中煮 20 min。试样应保持在水面10 mm 以下，但不能接触容器底部。在试验过程中保持水温不低于 95℃，并随时向杯中补充煮沸的 GB/T 6682 规定的三级水，以保持水面的高度。煮沸结束，取出并擦干试样，再在5min内按照GB/T 5237.5中干附着性的测试方法进行试验。
2)以上述测试结束的精密钢型材为基材，采用结构密封胶A按照本文3.3.1的过程制作试件，共采用两个试验方案，分别为“清洗后不施打底涂液”、“清洗后施打底涂液A”，每种方案制作3个试件。将制作好的试件在标准条件下养护21天，再放入水中泡水7天。
方法2：先划格、施胶，水煮后检查剥离粘结性
1)按照GB/T 5237.5的要求在精密钢型材表面涂层进行划格，划格间距为1mm。将划格后的基材，采用结构密封胶A按照本文3.3.1的过程制作试件，共采用两个试验方案，分别为“清洗后不施打底涂液”、“清洗后施打底涂液A”，每种方案制作3个试件。将制作好的试件在标准条件下养护21天，再放入水中泡水7天。
2)在养护和泡水完成后，将试件按照GB/T 5237.5的要求悬立于沸水中煮 20 min。试样保持在水面10 mm 以下，但不能接触容器底部。在试验过程中保持水温不低于 95℃，并随时向杯中补充煮沸的 GB/T 6682 规定的三级水，以保持水面的高度。煮沸结束后，取出试件。
3.4试验步骤
3.4.1未划格处理的精密钢型材与各种密封胶的剥离粘结性试验
取出试件后，立即将表面擦干。将试料与遮蔽条分开，从下边切开 12 mm 试料。将试件装入拉力试验机，以50 mm/min 的速度于180方向拉伸金属丝网使试料从基材上剥离，如图4所示。记录剥离时拉力峰值的平均值(N)，剥离强度(N/mm)和最大剥离力(N)。
3.4.2划格处理的精密钢型材涂层粘结耐久性试验
针对方法1和方法2养护好的试样，按照3.4.1进行剥离粘结性试验。
4、结果与讨论
4.1未划格处理的精密钢型材与各种密封胶的剥离粘结性试验
剥离粘结性试验结果汇总如表1所示。
表1中的试验结果表明：本次使用的精密钢型材表面的涂层可以与密封胶粘结良好，不管是结构密封胶还是耐候密封胶均可以形成良好的粘结，醇型密封胶和酮肟型密封胶粘结效果也并无显著差别。
4.2划格处理的精密钢型材涂层粘结耐久性试验
采用方法1、方法2的涂层粘结耐久性试验结果如图5所示。
采用方法1、方法2的涂层粘结耐久性试验结果汇总如表2所示。
1.采用方法1进行划格试验之后，精密钢型材表面涂层的沸水附着性按照国家标准GB/T 9286-2021中的分级要求，可以判定为0级，涂层交叉切割区域的边缘完全平滑，网格内无脱落。
2.方法1、方法2进行剥离粘结性测试之后，精密钢型材表面的涂层没有产生破坏，涂层的粘结耐久性相对较好。
3. 方法1和方法2在采用同样的施工方案(例如清洗后不施打底涂液)时，其剥离强度、峰值平均剥离力基本一致。
4. 采用方法1和方法2测得的峰值平均剥离力、剥离强度、最大剥离力与3.1中未进行涂层耐久性试验的结果基本一致，说明本次使用的精密钢型材的表面涂层耐久性比较好。
上述涂层粘结耐久性试验的测试结果表明：上述两种方法均可以作为精密钢型材涂层粘结耐久性的测试方法，方法1对涂层的腐蚀条件更为严苛，可以优先采用。对于其他需要受结构密封胶拉力的涂层的粘结耐久性，也可以采用方法1进行验证确认。
需要指出的是，由于涂料种类、涂料批次质量、涂装工艺、涂装批次质量等均对涂层的附着力、耐久性和与密封胶的粘结性有较大影响，本试验只能证明试验过程中所使用的精密钢型材和密封胶的粘结耐久性良好。对于工程实际应用的材料，如需用于结构粘结，应采用方法1进行相关试验，确认该精密钢型材与该密封胶的粘结性和粘结耐久性。
另外，在实验过程中观察到，精密钢型材的切口处在泡水时会出现生锈的情况。因此，在实际的工程应用中，需要注意考虑采用合适的方法避免切口处锈蚀的发生。
5、结论
1. 本试验开发了精密钢型材涂层与密封胶粘结耐久性的试验方法。该方法将涂层沸水附着性测试方法与国家标准GB 16776-2005附录B“实际工程用基材同密封胶粘结性试验方法”相结合，可以作为评价涂装材料与密封胶粘结耐久性的试验方法。
2. 本试验使用的精密钢型材表面的涂层可以与密封胶粘结良好，不管是结构密封胶还是耐候密封胶均可以形成良好的粘结，醇型密封胶和酮肟型密封胶粘结效果也并无显著差别。
3. 本试验使用的精密钢型材表面涂层与密封胶之间的粘结良好，能够承受结构密封胶的拉力;而且涂层与精密钢型材之间的耐久性能较好，经泡水和沸水处理之后仍可承受结构密封胶的拉力。
4. 对于工程实际应用的材料，如需用于结构粘结，可以采用方法1进行相关试验，确认该精密钢型材与该密封胶的粘结性和粘结耐久性。
参考文献
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