Masy uszczelniające do szyb zespolonych

Dawniej okna otrzymywano wyłącznie z drewna. Obecnie z drewna produkuje się tylko luksusowe rodzaje okien, droższe i wymagające konserwacji. Większość okien otrzymuje się obecnie przemysłowo, wytłaczając ich ramy z polichlorku winylu.

Wolne przestrzenie w ramach wielokomorowych zmniejszają zużycie materiału, polepszają właściwości izolacyjne, zwiększają stosunek wytrzymałości mechanicznej do masy, nadają oknom lekkość. Zdolność izolacyjna takich okien sięga obecnie od 0,8 nawet do 0,4 W/m²·K.

Definicja

Szyba zespolona jest to trwały, hermetyczny układ dwu (w jednokomorowej) lub trzech (w dwukomorowej) tafli szkła, oddzielonych ramką dystansową na ścieżnicy. W przestrzeni międzyszybowej zamknięte jest osuszone powietrze lub gaz. Szyby połączone są z ramką dystansową na całej długości obrzeża materiałami klejąco-uszczelniającymi, co zapewnia szczelność układu. Dziurkowana ramka dystansowa wypełniona, granulowanym, silnym środkiem higroskopijnym (sitem molekularnym), gwarantuje suchość powietrza zamkniętego pomiędzy szybami.

Szczeliwo stanowi materiał polimerowy, wiążący szyby, ramkę dystansową i ramę okienną w trwały, hermetyczny układ.

System uszczelnienia w szybie zespolonej musi:
- zapewnić adhezję do szkła i ramki dystansowej,
- kompensować różnice współczynników rozszerzalności cieplnej pomiędzy materiałem ramki i szkła podczas zmiany temperatury szyby zespolonej,
-  stanowić barierę dla penetracji pary wodnej do przestrzeni międzyszybowej szyby zespolonej,
-  zapobiegać ucieczce gazów o małym przewodnictwie cieplnym, takim jak argon lub krypton, z przestrzeni międzyszybowej.

Rozhermetyzowanie zestawu powoduje dostanie się doń pary wodnej i wskutek tego wzrost przewodnictwa cieplnego oraz wykraplanie się pary wodnej na wewnętrznych powierzchniach szyb, co wyklucza dalszą przydatność zestawu.

Składniki okien

Podstawowymi składnikami okien są: ramy (zwykłe i wielokomorowe – do 8 komór – z PCW) szyby, ramki dystansowe (z aluminium, blachy stalowej cynkowanej, stali kwasoodpornej lub tworzywa sztucznego). Stosuje się szyby „float” o grubości od 4 do 10 mm. Pojedyncze szyby „float” przepuszczają ok. 87%, a podwójne ok. 65%, padającego na nie światła.

Ostatnio ”ciepłe” ramki dystansowe otrzymuje się z porowatego polipropylenu wzmacnianego włóknem szklanym i powlekanego cienką warstwą folii metalowej, zapobiegającej przenikaniu gazu przez ramkę.

Napełnienie profili ram okiennych sztywną pianką poliuretanową zwiększa sztywność ram i zmniejsza ich przewodnictwo cieplne wskutek zmniejszenia konwekcji gazów w komorach.

Komponentami zmiennymi są: środek higroskopijny – sito molekularne, szczeliwo chemoutwardzalne, Hot Melt lub reaktywny Hot Melt, oraz gazy: argon, ksenon. Środki powierzchniowo-czynne mogą ułatwiać zwilżanie napełniaczy w szczeliwie a antyutleniacze (stabilizatory) zwiększają długotrwałą stabilność okien i polimerów zwłaszcza w szczeliwie.

Konstrukcja ram okiennych i szyb

Szyba w oknie musi przepuszczać światło do wnętrza budynku. Jednocześnie okno powinno stanowić skuteczną barierę termiczną, zmniejszającą straty ciepła. Ciepło z okien przenika do wnętrza lub z wnętrza przez ramy i szyby. Ramy wielokomorowe stanowią barierę termiczną, tym skuteczniejszą, im więcej zawierają komór.

Większość powierzchni okna stanowi szyba szklana, dlatego do zmniejszenia przenikania ciepła przez szyby przykłada się największą wagę. Tworzy się hermetyczny układ dwu (rzadziej trzech) szyb połączonych w postaci jednej (dwóch) komór szyb zespolonych. Hermetyzację układu szyb zapewnia się przez zastosowanie szczeliw.

Wymiana ciepła w szybach zespolonych zachodzi przez promieniowanie, konwekcję i przewodnictwo. Promieniowanie przenosi ciepło do i z tafli szkła, zarówno od zewnątrz do wewnątrz, jak i odwrotnie. Na promieniowanie cieplne może mieć wpływ rodzaj tafli szklanej (głównie rodzaj powłoki napylonej na szkło). Konwekcja ciepła zachodzi w komorach ram okiennych, zarówno przy stronie zewnętrznej i wewnętrznej okna, jak i wewnątrz samej komory szyb zespolonych.

Wprowadzając pomiędzy szyby zespolone gaz o możliwie najmniejszym przewodnictwo cieplnym i stosując ramkę dystansową o jak najmniejszej przewodności cieplnej uzyskuje się szyby o możliwie małym przewodnictwie i małych stratach cieplnych. Standartowa przenikalność termiczna okien Ug wynosi 1,7 W/m²·K. Przy Ug pojedynczej tafli szklanej 0,4 W/m²·K i zespole 3-szybowym (2 komory szybowe) otrzymuje się Ug=0,5, a całego okna 0,8 W/m²·K.

Szyby zespolone kontroluje się (PN-EN 1279-6) z punktu widzenia:

a) materiałów,

b) przebiegu produkcji,

c) gotowego wyrobu.

Budowa szyby zespolonej

Instalacja szyb zespołowych ma na celu zmniejszenie przenikania ciepła i hałasu przez okna. Na przenoszenie ciepła przez szybę zespoloną składają się przenoszenie ciepła przez tafle szyb oraz przez ramkę dystansową.

Hermetyzacja układu szyb zespolonych jest tu sprawą kluczową. Para wodna – wilgoć – mają dużą przewodność cieplną, dlatego powietrze lub inny gaz wypełniający przestrzeń pomiędzy szybami zespolonymi powinny być suche. Środowisko bezwodne zapewniane jest we wnętrzu szyby zespolonej przez środek suszący (sita molekularne lub silikażel) umieszczony w dziurkowanej lub porowatej, pustej ramce dystansowej.

Przewodnictwo cieplne szyby zespolonej zależy od rodzaju gazu wypełniającego szyby i maleje w kolejności:

para wodna >> powietrze > argon > krypton > ksenon > podciśnienie (tzw. vacuum)

Standardowo stosuje się ramki o grubościach 6-20 mm. Zadaniem ramki dystansowej jest zapewnienie odpowiedniego odstępu pomiędzy szybami oraz stworzenie możliwości umieszczenia między szybami materiału absorbującego parę wodną, który osusza warstwę powietrza lub gazu szlachetnego (np. argon, krypton) między nimi. Szczelne zamknięcie gazowej komory międzyszybowej ma duży wpływ na parametry fizyczne i mechaniczne szyby zespolonej.

Hermetyczność połączenia szyb jest uzyskiwana w złączach elastycznych przez dwustopniowe uszczelnienie.

Do klejenia szkła z ramką używa się termoplastycznego kleju butylowego (hot melt), natomiast do trwałego uszczelnienia złącza stosuje się masę chemoutwardzalną z poliuretanu, polisiarczku (tiokol), lub silikonu.

Bardzo istotne jest staranne uszczelnienie pierwotne (ciągła wstęga butylu, klejenie narożników) ponieważ najmniejsza przerwa w tej barierze otwiera przepływ wilgoci już tylko przez uszczelnienie wtórne. Dlatego na uszczelnienie wtórne należy stosować szczeliwo o jak najmniejszej przepuszczalności pary wodnej WVP i argonu (PS albo PUR).

Tzw. „ciepłą ramkę dystansową” stanowi mostek pomiędzy szybami o małym współczynniku przewodnictwa cieplnego. Ramka z porowatego polipropylenu ma współczynnik przewodnictwa 0,16 W/m·K (szyba szklana 1 W/m·K). Włókno szklane zwiększa wytrzymałość ramki tworzywa sztucznego, np. PP, a cieniutka folia metalowa zapewnia szczelność przenikania gazów.

Rodzaj gazu znajdującego się pomiędzy szybami wpływa w istotny sposób na współczynnik przenikania ciepła. Powietrze między szybą zespoloną zapewnia współczynnik 1,4-2,9 W/m²K, argon 0,9-1,0 a krypton 0,5-0,9 W/m²K.

Szyba zespolona jednokomorowa ze szkła niskoemisyjnego z argonem może mieć współczynnik przewodnictwa cieplnego Ug=1,1-1,5 W/m²·K. Szyba zespolona z jedną taflą szkła niskoemisyjnego, latem odbija promienie słoneczne zmniejszając nagrzewanie wnętrza słońcem, a w zimie zwiększa izolację przed zimnem, ograniczając wypromieniowanie ciepła z wnętrza pomieszczenia, trzykrotnie lepiej w porównaniu do zwykłych szyb zespolonych. Wprowadzenie do zespołu szybowego trzeciej tafli szklanej (okno dwukomorowe) zwiększa izolacyjność okna o  30-35% w porównaniu z oknem jednokomorowym.

Jeszcze mniejszy współczynnik przewodnictwa można uzyskać zmniejszając ciśnienie w przestrzeni międzyszybowej poniżej atmosferycznego, chociaż utrzymywanie tego jest trudne. Szprosy międzyszybowe zasadniczo nie zmieniają właściwości termoizolacyjnych szyb.

Oprócz obniżania przewodnictwa cieplnego istotne jest również wyciszanie okien. Głuszenie dźwięków w szybach zespołowych uzyskuje się przez asymetryczną budowę szyb oraz napełnianie przestrzeni międzyszybowej gazami tłumiącymi dźwięki. Wyciszenie jest tym większe, im grubsze są szyby w oknach i im więcej warstw szyb się używa. Można uzyskać izolacyjność akustyczną okien w granicach Rw=32-52 dB.

Szczeliwa

Szczeliwa są materiałami wypełniającymi szczeliny lub połączenia w celu zapobieżeniu przenikaniu przez nie wody, gazów lub innych zanieczyszczeń. Szczeliwa łączą szyby zespolone ze sobą i z ramami okiennymi, nadając im adhezję, szczelność i wytrzymałość mechaniczną. Wytrzymują temperaturę od -40 do 80^oC. Uszczelnienia w szybach zespolonych dzieli się na wewnętrzne i zewnętrzne.

Uszczelniacz wewnętrzny, np. tak zwany hot melt, jest termoplastyczny i spełnia rolę barierową, nie ma natomiast właściwości konstrukcyjnych. Szczeliwo zewnętrzne zawiera polimer chemoutwardzalny, utwardza się w temperaturze pokojowej, jest zwykle dwuskładnikowe (rzadziej jednoskładnikowe), składa się z PUR, polisiarczku lub silikonu, czasem z żywicy akrylowej, kauczuku, EPDM. Stosuje się je jako konstrukcyjne uszczelnienia zewnętrzne (wtórne). W najnowszych rozwiązaniach uszczelnienia wewnętrzne i zewnętrzne łączą się w postaci jednoskładnikowych, reaktywnych hotmeltów.

Optymalny czas żelowania szczeliw wynosi 0,5-3,0 h w temp. pokojowej. Za czas utwardzania szczeliw dwuskładnikowych uznaje się czas od chwili zakończenia mieszania obu składników do osiągnięcia twardości końcowej szczeliwa. Za czas utwardzenia szczeliw jednoskładnikowych uznaje się czas od wyjęcia szczeliwa z pojemnika do osiągnięcia twardości końcowej. Graniczne naprężenie, przy którym można obciążać utwardzające się szczeliwa wynosi >0,90 MPa.

Typowy skład jednoskładnikowego szczeliwa poliuretanowego jest następujący:
- prepolimer zakończony grupami izocyjanianowymi: 30-35% wag.

W szczeliwie dwuskładnikowym zamiast prepolimeru używa się mieszaninę oligomerolu i katalizatora z izocyjanianem
- wypełniacz (suchy!) 30-45%
- plastyfikator 15-35%
- absorber UV 1-3%
- antyutleniacz 1-2%
- czynnik odwadniający 1-3%
- promotor adhezji 1-3%
- środek tiksotropujący 2-3%
- rozpuszczalnik 3-5% wag.

Szczeliwa silikonowe

Szczeliwa silikonowe są dwóch rodzajów: jedno- i dwuskładnikowe. Są trwałe i elastyczne, odporne na promieniowanie UV, tlen i ozon, zmiany temperatury. Mają doskonałą przyczepność zarówno do szkła, jak i do ramek metalowych. Są odporne na wodę, parę wodną i czynniki atmosferyczne. Wytrzymują 2000 h działania promieniowania UV. Nie zawierają plastyfikatorów organicznych. Zaleca się je do sporządzania przeszkleń i łączy strukturalnych. Mogą być stosowane zarówno jako uszczelnienia wewnętrzne, jak i zewnętrzne w temperaturze do 100ºC i w warunkach wilgotnych.

Utwardzanie silikonu polega na reakcji grup metoksylowych oligomeru silikonowego z wodą, z wydzieleniem metanolu i utworzeniem polimeru siloksanowego. Czas do osiągnięcia pyłosuchości szczeliwa wynosi ok. 25 min, w temp. 23^oC i przy 50% wilgotność względnej (3 mm grubości/h). Czas utwardzania jest tym krótszy, im większa jest wilgotność otaczającego powietrza. Niestety, silikony mają stosunkowo dużą przepuszczalność pary wodnej (ok. 17 g/m²d) i argonu. Małocząsteczkowe pochodne krzemoorganiczne bywają stosowane jako modyfikatory, polepszające właściwości szczeliw, a w szczególności ich przyczepność do szkła.

Polisiarczki alifatyczne (tiokole)

Polisiarczki (-CH₂CH₂S-)_n otrzymuje się w reakcji chlorku etylenu z siarczkiem sodu. Powstaje przy tym dużo odpadu – chlorku sodu – co czyni wytwarzanie tiokolu mało ekologicznym i produkcja jego maleje. Tiokol ma dobre właściwości uszczelniające. W temperaturze pokojowej utwardza się przez utlenianie dwutlenkiem manganu (10% obj.) i po 24 h ma twardość 42^oShA. Gęstość tiokolu wynosi 1,78g/cm³. Przepuszczalność pary wodnej szczeliwa tiokolowego wynosi ok. 5 g/m²d. Szczeliwo jest trwałe i elastyczne, ma dobrą adhezję do szkła, aluminium, stali ocynkowej i nierdzewnej. Szybkość utwardzania tiokolu w zakresie temp. 20-40^oC wzrasta dwukrotnie wraz ze wzrostem temperatury o 10^oC. Być może warto się zastanowić nad możliwością otrzymania polisiarczków metodami wydzielającymi mniej zanieczyszczeń, np. polioksypropylenomerkaptanów.

Poliuretany

Najbardziej wszechstronnymi polimerami są poliuretany. Otrzymuje się z nich: elastomery, pianki poliuretanowe elastyczne, półsztywne i sztywne, kleje, powłoki i włókna elastyczne (spadeks) oraz tworzywa przekładkowe, o największym stosunku wytrzymałości do ciężaru. Szczeliwa otrzymuje się z elastomerów poliuretanowych. Dwoma głównymi składnikami poliuretanów są oligomerole (zawierające giętkie łańcuchy o ciężarze cząsteczkowym od 1000 do 10000 i reaktywne grupy hydroksylowe) oraz izocyjaniany, stanowiące pierścienie aromatyczne związane z grupami izocyjanianowymi. Po wymieszaniu oligomerole szybko reagują z izocyjanianami i tworzą poliuretany (elastomery poliuretanowe). Dodatek małocząsteczkowych przedłużaczy (glikole, diaminy) zwiększa wytrzymałość elastomerów poliuretanowych. Szybkość reakcji jest regulowana katalizatorami. Typowymi katalizatorami reakcji grup hydroksylowych z izocyjanianowymi są aminy trzeciorzędowe i związki cynoorganiczne. Mogą one przyśpieszać reakcje powstawania poliuretanów nawet do kilkuset razy. Nadmierne przyśpieszenie reakcji powstawania poliuretanów nie jest korzystne, gdyż polimer i szczeliwo może nie zdążyć zadowalająco zwilżyć całej powierzchni styku szczeliwa z płytą szklaną. Dlatego stosuje się również słabsze katalizatory: związki organiczne cynku, bizmutu, itp., zapewniające dłuższy czas życia mieszanek poliuretanowych. Związków rtęci unika się, ponieważ są toksyczne, chociaż wykazują korzystne właściwości przetwórcze.

Elastomery poliuretanowe mogą być jedno- lub dwu-składnikowe. PUR jednoskładnikowe są to poliuretany zakończone grupami izocyjanianowymi. Utwardzają się poprzez reakcję z wodą lub parą wodna. Wykorzystuje się je m.in. jako RHM. PUR dwuskładnikowe otrzymuje się przez wymieszanie oligomerolu (oraz katalizatorów i ew. innych składników mieszanki) z izocyjanianami. Stwarzają większą możliwość regulacji składu i szybkości sieciowania.

Przy doborze rodzaju oligomerolu do PUR należy brać pod uwagę zarówno cenę, jak i właściwości otrzymywanych zeń PUR i szczeliw.

Oligomerole do poliuretanów są kilku rodzajów:

    - Standartowe polieterole otrzymywane zwykle przez przyłączanie tlenku propylenu (czasem i etylenu) do związków wielohydroksylowych, tzn. oligoetery zakończone grupami hydroksylowymi, najczęściej mieszanki dioli i trioli polioksypropylenowych. Liniowe łańcuchy polioksypropylenodioli nadają poliuretanom dużą elastyczność a rozgałęzione łańcuchy polioksypropylenotrioli nadają im usieciowanie i trwałą wytrzymałość mechaniczną. Ich gęstość wynosi ok. 1,1, kg/dm3. Polioksybutylenole (PTMG), o regularnej budowie, tworzą PUR o większej wytrzymałości niż polioksypropylenole ale są istotnie droższe.

    - Długotrwałą odporność polimerom i otrzymywanym z nich szczeliwom zapewnia dodatek 0,2-2% antyutleniaczy – blokowanych fenoli, amin i  siarczków. Do takich antyutleniaczy należy BHT (di-tetr-butylo-hydroksytoluen) lub 2,2,4-trimetylo-1,2-dihydrochinolina.

    - Polidienole (PolyBd) – polimery butadienu zakończone grupami hydroksylowymi, z których otrzymuje się poliuretany o doskonałych właściwościach. Są one jednak otrzymywane stosunkowo trudnymi sposobami (np. przez polimeryzację anionową), deficytowe i drogie.

    - Oligoestrole, tworzące elastomery poliuretanowe o większej wytrzymałości mechanicznej niż powszechnie stosowane oligooksypropylenole, ale droższe i mniej odporne na działanie wilgoci, nie stosowane w zasadzie do wyrobu szczeliw.

    - Nowo opracowane hydrofobowe oligomerole, będące częściowymi estrami kwasów tłuszczowych i poligliceryny, otrzymywane z gliceryny lub odpadów gliceryny z produkcji biodiesla z olejów roślinnych (w Polsce – oleju rzepakowego). Początkowo, przez termiczno-katalityczną kondensację gliceryny (czystej, technicznej lub odpadowej) otrzymuje się poliglicerynę:

n HOCH₂CH(OH)CH₂OH --> HO[CH₂CH(OH)CH₂O]_nH + (n-1) H₂O.

Im większy jest stopień polikondensacji gliceryny tym większy jest ciężar cząsteczkowy a mniejsza liczba hydroksylowa poligliceryny. Poliglicerynę estryfikuje się następnie kwasami tłuszczowymi – wolnymi lub w postaci estrów: metylowego (biodiesel) lub glicerynowego (oleje). Zależnie od stopnia zestryfikowania kwasami tłuszczowymi grup hydroksylowych poligliceryny otrzymuje się oligomerole o różnej liczbie hydroksylowej (w granicach od 40 do 450 mg KOH/g) i poliuretany o różnej elastyczności – sztywności. Koszt wytwarzania oligomeroli z poligliceryny i kwasów tłuszczowych szacuje się na 4-5 zł/kg.

    - Regenerowane oligoeterole i oligoeterolaminy otrzymywane przez przeróbkę chemiczną odpadów elastycznych pianek poliuretanowych i wykorzystywane do otrzymywania poliuretanów i poliuretanomoczników o zwiększonej wytrzymałości mechanicznej i zwiększonej adhezji do szkła i metali. Koszt wytwarzania tych oligomeroli jest szacowany na ok. 3 zł/kg

Pewnym rodzajem RHM jest poliuretanoallofanian. Rozgałęziające ugrupowania allofanianowe powstają w reakcji nadmiaru grup izocyjanianowych z grupami uretanowymi.

    |
— NHCOO — + — NCO — → — NHCONCOO —

Wiązanie allofanianowe jest trwałe do 130ºC i poniżej tej temperatury zawierający je PUR jest usieciowany i stały. Powyżej temperatury 130ºC ugrupowanie allofanianowe dysocjuje, polimer się upłynnia i może być odwracalnie formowany.

Użycie polieterouretanów do wyrobu szczeliw uniezależnienia dostawy szczeliw od dostaw surowców, ponieważ oligoeterole stanowią bazę do produkcji różnych innych powszechnie używanych rodzajów poliuretanów, takich jak np. pianki poliuretanowe. Typowe szczeliwa poliuretanowe mają następujące właściwości:

    - czas urabialności (przydatność do użycia) wynosi 20-80 min. (zależnie od temp.); czas ten maleje dwukrotnie ze wzrostem temp. o 10^oC w zakresie 20-40^oC,
    - czas żelowania (pyłosuchość) – 3-5 h (zależnie od temperatury),
    - twardość, ^oSh A: 5 po 2 h; 20 po 4 h; 34 po 12 h; 38-52 po 24 h; <65 po 14 dniach,
    - przepuszczalność pary wodnej (MVTR): 3,75 g/m²/24 h (wg EN 1279-4),
    -  dyfuzja argonu (GPRa) 0,0041 g/m²d (wg EN1279-4).

Szczeliwo Hot Melt

Szczeliwa Hot Melt są (zwykle) węglowodorowymi polimerami termoplastycznymi. Należą do nich: poliizobutylen (PIB), kopolimery izobutylenu, terpolietylenopropylenodien (EPDM) lub polibutylen. Stosuje się je do wyrobu pierwotnych uszczelek wewnętrznych dla brzegowych szyb zespolonych. Ich zaletą jest mała przepuszczalność pary wodnej, duża odporność na promieniowanie UV, prostość i taniość nakładania. Hotmelt butylowy ma jednak ograniczoną odporność termiczną i wytrzymałość konstrukcyjną. Nakłada się je w temp. od 110^oC (Low Melt) do 210^oC (Hot Melt).

Aby adhezja kleju Hot Melt do szkła i ramki dystansowej była dostatecznie duża, temperatura stopu Hot Melt, musi być dostatecznie wysoka a jego lepkość wskutek tego dostatecznie mała, zarówno podczas nakładania kleju, jak i po jego zetknięciu z chłodną ramką i szkłem. Im wyższa jednak jest temperatura wyjściowa Hot Meltu tym większy jest następnie skurcz po jego ochłodzeniu i większe naprężenia wewnętrzne. Szczeliwo Hot Melt ma gęstość ok. 1050 g/dm³. Zużycie wynosi 5-6 g/mb (obie strony ramki dystansowej).

Reaktywne Hot Melty

Reaktywne hotmelty łączą w jednym układzie termoplastyczne hotmelty z uszczelniaczami chemoutwardzalnymi. Nie wymagają mieszania dwu składników. Sieciowanie RHM zwiększa kohezję, adhezję do szkła i odporność termiczną szczeliw. Wytwarza się reaktywne hotmelty (RHM) uretanowe i silikonowe. RHM uretanowy jest liniowym PUR zakończonym grupami izocyjanianowymi. Wobec wilgoci reagują z grupami izocyjanianowymi, wydzielając CO₂ (ulatniający się) i tworząc ugrupowania mocznikowe przedłużające i sieciujące polimer.

RHM siloksanowy jest liniowym polisiloksanem, zakończonym zwykle grupami metoksysiloksanowymi -Si-(OCH₃)_n. Pod wpływem wilgoci odszczepia metanol i tworzy sieciujące wiązania siloksanowe.

     |                              |           |
2 -Si-OCH3 + H2O --> -Si - O - Si - + 2 CH3OH
     |                              |           |

RHM formuje się w stopie o podwyższonej temperaturze rzędu 130^oC. Wytrzymałość początkową (tzw. „zieloną”) polimer osiąga natychmiast po ochłodzeniu uszczelniacza do temperatury pokojowej, po ok. 30 s. Umożliwia to skrócenie procesu produkcyjnego. W temperaturze pokojowej w uformowanym już reaktywnym hot-melcie przebiega dalej reakcja z parą wodną, tym szybciej, im większa jest wilgotność i temperatura otoczenia. Po ok. 10 min. od naniesienia połączenie RHM jest wytrzymalsze niż typowego Hot Meltu (rys. 1). Szybkość sieciowania RHM jest jednak na ogół powolniejsza niż systemów dwuskładnikowych.

Kleje cyjanoakrylowe

Znane są kleje cyjanoakrylowe utwardzane w ciągu kilku sekund promieniowaniem UV. Są odporne na temperatury od -50 do +120ºC. Stosuje się je do płaskiego klejenia płyt okiennych. Są jednak drogie (ok. 1000 zł/kg).

Rys. 1. Zmiany wytrzymałości na ścinanie różnych klejów w temperaturze pokojowej

3MTM Scotch-WeldTM reaktywne poliuretany (PUR) – przyrost siły połączenia w porównaniu do innych rodzajów klejów. Mierzona wytrzymałość w ścianie.

Środki pomocnicze

Wypełniacze i pigmenty

Aby zmniejszyć koszt szczeliwa polimer napełnia się możliwie dużą ilością tańszego wypełniacza. Wypełniacz zmniejsza także fizycznie przepuszczalność wilgoci i gazów, które mogą przenikać przez szczeliwo, przedłużając drogę, którą muszą przebyć. Ilość wypełniacza jest ograniczona płynnością (lejnością) szczeliwa. Wypełniaczami mogą być obojętne minerały, na przykład węglan wapnia lub kaolin, o dużym stopniu zdyspergowania. Specyficznym wypełniaczem jest węglan wapnia modyfikowany przez obróbkę kwasem stearynowym i powleczony powierzchniowo stearynianem wapnia, co nadaje mu hydrofobowość i śliskość.

Szczeliwo może zawierać pigment, który w pewnym stopniu może również odgrywać rolę wypełniacza. Pigmentem, zabezpieczającym szczeliwo przed promieniami ultrafioletowymi i degradacją polimeru jest sadza. Opracowano też wypełniacz reaktywny, który zwiększa wytrzymałość napełnionego nim polimeru.

Plastyfikatory

Płynność szczeliwa można zwiększać przez dodatek plastyfikatora, na przykład ciekłego ftalanu dialkilowego. Dostateczna płynność szczeliwa jest potrzebna aby zapewnić uszczelnianym powierzchniom powierzchnię styku, zwilżenie i adhezję. Plastyfikator powinien mieć wystarczająco małą prężność par (wysoką temperaturę wrzenia) aby nie powodował kroplenia oparów w szybach.

Katalizatory

Katalizatory utwardzania szczeliw zależą od rodzaju użytych polimerów. Termoplastyczne Hot Melty nie wymagają użycia katalizatorów. Tiokole utwardza się nadtlenkiem manganu (ok 10% obj.). Jako katalizatory utwardzania PUR standardowo stosuje się związki cynoorganiczne, katalizujące głównie reakcje grup hydroksylowych z izocyjanianowymi, które prowadzące do otrzymywania wiązań uretanowych oraz aminy III-rzędowe katalizujące silniej reakcje grup izocyjanianowych z wodą. Słabszymi katalizatorami są związki organiczne cynku, bizmutu, kobaltu i inne. Związki organiczne kobaltu (sykatywy) katalizują reakcje grup izocyjanianowych z wiązaniami uretanowymi.

Należy przy tym pamiętać, że katalizatory utwardzania katalizują reakcje w obie strony.

Stabilizatory - antyutleniacze

Typowymi antyutleniaczami są blokowane przestrzenne fenole (np. BHT ) i aminy, rzadziej pochodne siarki.

Promotory adhezji

Adhezję szczeliw, zwłaszcza do szkła, polepsza się przez wbudowywanie w skład polimerów związków silikonowych z grupami metoksylowymi oraz epoksydowymi, aminowymi lub merkaptanowymi. Związki metoksysilikonowe reagują z grupami Si-OH szkła, wiążąc je ze sobą.

Si-OH + Si-OCH₃ -> Si-O-Si + CH₃OH

Inne grupy funkcyjne promotora reagują z grupami -NCO poliuretanu, wiążąc PUR ze szkłem.

Środek tiksotropujący

Jednym z lepszych środków tiksopropujących jest krzemionka koloidalna.

Właściwości szczeliw

Właściwości szczeliw otrzymywanych z różnych polimerów

W tabeli 1 i 2 podano przenikalność pary wodnej i argonu przez masy uszczelniające o grubości 3 mm z różnych polimerów.

Jeżeli do pierwotnego uszczelnienia używa się butylu (HM), o małej przepuszczalności pary wodnej, to niezależnie od rodzaju uszczelnienia wtórnego szkła zespolonego otrzymuje się podobną przepuszczalność pary wodnej, WVP=1,2.

Bardzo istotne jest staranne wykonanie uszczelnienia pierwotnego (ciągła wstęga butylu, klejenie narożników) ponieważ najmniejsza przerwa w tej barierze otwiera przepływ wilgoci już tylko przez uszczelnienie wtórne; z tego względu bezpieczniej jest jako uszczelnienie wtórne stosować materiał o możliwie małej WVP (PS albo PUR).

Ponieważ butyl nie stanowi zadowalającej bariery dla argonu konieczne jest użycie jednocześnie uszczelnienia wtórnego o jak najniższej przepuszczalności argonu.

Tabela 1. Przenikalność pary wodnej (WVP) przez film masy uszczelniającej 3 mm grubości z różnych polimerów.

Wpływ składu szczeliw na ich właściwości

Ważnymi cechami użytkowymi masy szczelinowej są: lepkość, lejkość, tiksotropia, czas obróbki i czas żelowania.

Większa lepkość masy zapewnia większą równomierność nakładania szczeliwa ale zwiększa niebezpieczeństwo powstawania nieszczelności. Tiksotropia umożliwia stosowanie masy o mniejszej lepkości bez niebezpieczeństwa spływania masy.

W chemoutwardzalnych szczeliwach dwuskładnikowych istotne są:

    - Dokładność wymieszania składników. Właściwości szczeliwa są, asymptotycznie, tym lepsze, im bardziej jednorodnie zostaną wymieszane składniki. Jednocześnie czas mieszania składników powinien być oczywiście krótszy niż czas żelowania masy.
    - Szybkość utwardzania szczeliwa, po wymieszaniu komponentów, jest określana przez jego czas żelowania, (żywotność) który powinien być krótki ale w granicach umożliwiających bezpieczne naniesienie ewentualnych poprawek (10-30 min). Pożądane jest aby czas przeróbki był jak najdłuższy, a czas żelowania jak najkrótszy. Sieciowanie szczeliwa chemoutwardzalnego w temp. pokojowej przebiega stosunkowo powoli, 3-12 h a nawet dłużej. W miarę przebiegu utwardzania wzrasta twardość szczeliwa, przykładowo od 5^oShA po 2h; 20^oShA po 4h do 42^oShA po 24h utwardzania szczeliwa poliuretanowego. Szybkość utwardzania szczeliwa wzrasta ok. dwukrotnie ze wzrostem temp. o 10^oC (w granicach 20-40^oC).

Ważnymi cechami charakterystycznymi gotowych już szczeliw do okien są:

    - adhezja do szkła,
    - twardość, zwykle wyrażana w ºShA,
    - wytrzymałość kohezyjna na rozciąganie, wyrażona w MPa,
    - zawartość i lotność składników lotnych, np. określana przez ubytek masy (%) po 7 dniach w 70^oC.

Wielkości tych parametrów mogą ulegać zmianom. Właściwości polimerów termoplastycznych zależą przede wszystkim od temperatury. Właściwości polimerów i szczeliw utwardzalnych zmieniają się w miarę wzrostu stopnia utwardzenia, ustalając się po końcowym utwardzeniu polimeru – szczeliwa.

Polimery i szczeliwa utwardzalne charakteryzują się:

    - czasem do pyłosuchości, odpowiadającym czasowi żelowania polimeru;
    - czasem utwardzania, do uzyskania minimalnej wytrzymałość mechanicznej, zapewniającej utrzymanie integralności pod naprężeniem układowi usieciowanego polimeru;
    - czasem do uzyskania całkowitego, końcowego utwardzenia nie ulegającego już w zasadzie dalszej zmianie.

Tabela 2. Dyfuzja argonu przez film masy uszczelniającej o grubości 3 mm z różnych polimerów

Starzenie i trwałość okien z szybami zespolonymi

Trwałość wypełniacza i stabilizatora w ramach okiennych jest obliczona na 20-40 lat użytkowania w warunkach normalnych. Producent gwarantuje trwałość 5-15 lat.

Starzenie szczeliw przebiega przede wszystkim pod działaniem wolnych rodników powstających pod wpływem promieniowania UV, tlenu i ozonu. Starzeniu zapobiega się przez dodatek 0,1-2% wag. stabilizatorów – utleniaczy i absorberów UV. Trwałość polimerów w ramach okiennych i szczeliwach okiennych zwiększa obecność w nich wypełniaczy. Potencjalnie różnorodny (fizycznie i chemicznie) szkodliwy wpływ wody (pary wodnej) jest eliminowany przez stosowanie środków suszących (np. silikażel) i powinien wystarczyć na cały okres użytkowania okna z szybami zespolonymi. Szyby rozhermetyzowane i z dostępem wilgoci nie nadają się już do użytku. Opracowano jednak sposoby naprawy uszkodzonych szyb. Starzenie ram okiennych i szczeliw w szybach zespolonych zachodzi również w wyniku odkształceń mechanicznych, zwłaszcza wskutek zmian temperatury otoczenia, a także zanieczyszczeń atmosferycznych.

Składniki szyb zespolonych są wzajemnie zgodne, jeśli pomiędzy nimi nie zachodzą szkodliwe oddziaływania. Szkodliwym oddziaływaniem może być migracja plastyfikatorów, rozpuszczanie (zacieki) składników termoplastycznych (np. PIB). Należy dążyć aby oddziaływania takie przebiegały na tyle powoli, by nie ujawniały się w okresie trwałości a zwłaszcza w okresie gwarancji wyrobów. Oddziaływania takie zależą od powierzchni styku z krawędzią uszczelnienia, rodzaju i stężenia plastyfikatorów oraz temperatury otoczenia.

Rys. 2. Zależność współczynnika przenikania ciepła od resztkowego ciśnienia gazu w przestrzeni międzyszybowej (1 mm).

Ekonomika

W 2005 r. rynek sprzedaży mas uszczelniających do szyb zespolonych w Polsce składał się z 66% PUR, 31% polisiarczków, 2% Hot Meltów i 1% silikonów. Od tego czasu zużycie polisiarczków zmalało a poliuretanów wzrosło do 70-90%.

Reaktywne hotmelty (RHM) są droższe niż hotmelty butylowe, jednak wyższy ich koszt jest kompensowany w większości przypadków przez mniejsze zużycie (jedno szczeliwo zamiast dwóch).

Koszt wytwarzania szczeliw poliuretanowych można zmniejszyć stosując nowoopracowane, tańsze rodzaje oligomeroli oraz nowoopracowywane wypełniacze reaktywne.

Na zbyt szczeliw (podobnie jak i innych produktów) ma wpływ zarówno ich jakość, dostępność, łatwość stosowania, jak i cena. Cena produktu decyduje nieraz o jego zastosowaniu (oczywiście przy zachowaniu odpowiedniej jakości). Przykładem jest nie stosowanie oligomeroli PTMG do produkcji szczeliw PUR o dużej wytrzymałości oraz nie stosowanie do szczeliw drogich związków cyjanoakrylowych, sieciujących w ciągu sekund w promieniowaniu UV. Przeciwieństwem mogą być tanie PUR ze stosunkowo tanich, nowych oligomeroli.

Nowe rozwiązania

Zainstalowano po raz pierwszy ciągłą linię produkcyjną poliuretanowych mas uszczelniających, zapewniającą powtarzalność produkowanych szczeliw. Docelowa wydajność instalacji produkcyjnych w 2009 roku wyniesie około 8 mln litrów szczeliwa rocznie.

Wprowadzono osuszacze w postaci ramek piankowych mocowanych warstwą kleju samoprzylepnego. Wyeliminowano w ten sposób ramki metalowe i warstwy PIB a zmniejszono współczynnik przewodnictwa ramek do 0,06 W/m²h. Umożliwiono automatyzację produkcji. Zmniejszono dźwiękochłonność o ok. 2 dB.

Opracowano i zastosowano nowe, jednoskładnikowe reaktywne Hot Melty, poliuretanowe i silikonowe, w których dwa szczeliwa (Hot Melt i szczeliwa dwuskładnikowe) zastępuje się przez jedno: RHM.

Wprowadza się nową generację okien i oszkleń, w których izolację stanowi próżnia – idealny środek izolacyjny termicznie.

Otrzymuje się tzw. szyby VIG (Vacuum Isolating Glasing), których podstawową zaletą jest dobra izolacyjność termiczna (do 0,4 - 0,5 W/m²K), mała grubość (10 mm przy dwu szybach 4 mm) i ciężar oraz zbędność stosowania kosztownych gazów szlachetnych.

Współczynnik przenikania ciepła w przestrzeni międzyszybowej (1 mm) jest tym mniejszy, im mniejsze jest ciśnienie w tej przestrzeni, do 0,01 W/m²K przy 10-4 mBar. Szyby VIG zostały już opatentowane w USA i są produkowane w Japonii i Chinach a rozpoczęcie ich produkcji w UE jest przewidywane w 2010 r. Nie przyjęto jeszcze jednolitej technologii wytwarzania szyb VIG.

Jako materiały zespolające szyby VIG bierze się pod uwagę: lutowanie indem (temp. top. 155^oC – preferowane) lub innymi metalami (ok. 400^oC), stapianie szkła (300^oC), klejenie polimerami. Zastosowanie ultradźwięków i lasera zwiększa wydajność zespalania.

Zespolenie szyb w temperaturze niższej od 200^oC umożliwia stosowanie szyb niskoemisyjnych.

Próżnię w VIG otrzymuje się dwoma sposobami:

    - zespolenie tafli szkła w komorze próżniowej;
    - odpompowanie powietrza z przestrzeni międzyszybowej zespolonej szyby.

Zygmunt Wirpsza

Politechnika Radomska im. K. Pułaskiego

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym

patrz też:

- Masy uszczelniające do szyb zespolonych , Zygmunt Wirpsza, Świat Szkła 4/2010

- Hot Melt a inne masy uszczelniające w badaniach adhezji wg PN-EN 1279-4 , Agnieszka Marczewska, Świat Szkła 11/2009

- Masy uszczelniajace do szyb zespolonych - wymagania i badania normowe , Barbara Mazur, Świat Szkła 4/2008

- Badania mas uszczelniających w ZKP szyb zespolonych wg PN-EN 1279-6 , Agnieszka Marczewska, Świat Szkła 12/2007

- Chromatograficzna analiza gazów w badaniach wyrobów szklanych ,  Anna Kuśnierz, Świat Szkła 9/2007

- Badania mas uszczelniających wg normy PN-EN 1279-4:2004 , Agnieszka Marczewska, Świat Szkła 7-8/2007 

- Reaktywne hotmelty jako uszczelniacze do szyb zespolonych , Rafał Woźnicki, Świat Szkła 7-8/2007

- Notyfikacja Laboratorium Badawczego Instytutu Szkła i Ceramiki Oddział Zamiejscowy w Krakowie , Teresa Siekierska, Barbara Mazur, Świat Szkła 7-8/2006

- W poszukiwaniu najlepszej masy uszczelniającej , Wojciech Przybylski, Świat Szkła 6/2006

- Oddziaływanie związków chemicznych na krawędź szyby zespolonej , Mirosław Radomski, Świat Szkla 9/2005

- Masy uszczelniajace w produkcji szyb zespolonych, Andrzej Szafranowski, Swiat Szkła 1/2004

więcej informacji: Świat Szkła 4/2010 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne