夹层玻璃边缘脱胶及封边保护的有效性

夹层玻璃边缘脱胶及封边保护的有效性夹层玻璃边缘脱胶及封边保护的有效性 摘要:为防止和延缓夹层边缘玻璃脱胶病变的发生，目前主要技术措施是封边保护，其有效 性可通过实验室试验评估和验证。本文初步分析了夹层玻璃脱胶成因，对可供选择的标准 试验方法进行讨论并提出建立非标准试验方法的建议。 关键词:央层玻璃;脱胶;封边;有效性 夹层玻璃边缘产生气泡是粘结脱胶的表征，在安装条件下脱胶面积随使用年限增长而扩 展，表现为气泡数量增多并向内部蔓延，这种病变不仅影响玻璃的透视效果，也可能成为 安全玻璃功能下降的隐患，己引起建筑设计、业主和玻璃加工企业的关注。为防止或延缓 脱胶病变的发生，用于夹层玻璃边缘密封或覆盖保护的专用材料已有多项专利其中包括生 产线上涂饰的 BD101/BD201 封边涂料。国内某机场航站楼隐框玻璃幕墙投人使用几年后显 现边缘脱胶并有继续发展的趋势，表明中性硅酮密封胶封边难以阻止夹层玻璃病变的发生 (图 1)。为在较短时间内验证封边保护的效果，减少病变对建筑的影响，建立实验室评估 试验方法显得十分必要。本文初步分析了夹层玻璃脱胶成因，对可供选择的标准试验方法 进行讨论并提出建立非标准试验方法的建议，供业内参考。 1.1.夹层玻璃加工制造中气泡夹杂的产生夹层玻璃加工制造中气泡夹杂的产生 采用胶片粘结复合的夹层玻璃，在原材料处理、合片、预压、真空处理、高温高压等 工艺过程中，气泡夹杂的形成可能有以下因素: (1)胶片含水率过高; (2)玻璃表面清洁处理不彻底; (3)温度控制未达标 (4）预压不良，含气过多; (5)冷却时间过 产品标准不限制直径小于 0 甲 5mm 的不影响视觉的气泡，对可观察到的气泡和杂质的 允许尺寸、数量和分布已经做了规定，生产企业的质量控制将保证产品合格出厂，所以图 1 所示气泡状态不应归结为产品质量的符合性，而是使用环境条件下产生并不断蔓延的气 泡。值得注意的是图 1 建筑投人使用时间不长，设计使用期(50 或 100 年)内这种病害的进 一步发展令人关注。为减缓或根除脱胶病害的发生，有必要对夹层玻璃粘结材料的特性、 粘结机理及诱发脱粘的因素进行探讨。 2.2.胶片的物理化学特性胶片的物理化学特性 目前夹层玻璃胶片均为热塑性树脂，如聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯一醋酸乙烯 (EVA)、聚乙烯一甲基丙烯酸甲醋(SGP)等。PVB 胶片在夹层玻璃中应用最为普遍，其长链 分子结构包含三种不同链段(图 2)，大致比例是:聚乙烯醇缩丁醛 65%78%(M)、聚乙烯醇 19%32%(N)、聚醋酸乙烯酷 3% (Z)，材料的物理化学性质随着比例的不同有很大变化，目 前 PVB 胶片缺失统一的质量标准，产品质量是由供应商保证。PVB 胶片中聚乙烯醇链段含 经基具有较强的水溶性。聚合物的饱和吸水量可通过试验测定，也可由其极性基团的吸水 量(am011rz11/mol)计算，PVB 树脂分子结构中的极性基团O、OH 及COO在 25 oC 温度 100%湿度下的吸水量分别为 0.1、2 及 0.2，按以上组成 PVB 结构的单元饱和吸水量为 0. 60 mot 二 o/mol(约 100g 树脂饱和吸水量 3.8g)。此外，聚合物的分子量、分子量分布 和结构支化程度等，对材料的高温流变性也有着非线性的影响。 为便于尺寸规整的薄片挤出或流延加工，PVB 胶片的聚乙烯醇缩丁醛树脂中溶入了增 塑剂并经塑化处理，增塑剂可降低材料的脆性温度，获得良好热压延性、柔韧性和可加工 性，获得较好的热融粘流性，并有利于提高对玻璃的粘结性。常用增塑剂为葵二酸二丁酷 (16%18%)，或用二乙基丁酸盐的二缩三乙二醇(28%30%)。 PVB 胶片对玻璃有很好的粘结力、坚韧、抗冲击、无腐蚀，透明、耐无机酸和脂肪、 耐光、耐寒、耐老化。但特定的化学结构决定对醋酸、醇类及酮类物质的耐受性较差，甚 至可被溶解或软化以至丧失粘结力，由此可见 PVB 胶片不宜同脱酸型硅酮密封胶及脱醇型 中性硅酮密封胶接触。 3.3.胶片的粘结机理简析胶片的粘结机理简析 玻璃看似光滑的表面层实际存在着宏观缺陷，如固态夹杂物、气态夹杂物、化学不均匀等， 存在由于与主体玻璃的化学组成不一致导致潜在的内应力。此外，玻璃熔体内外不同步冷 凝，表面微观形貌高低不平，一些微观缺陷(如点缺陷、局部析晶、晶界等)常在宏观缺陷 处集中导致微裂纹。玻璃和多种金属的表面均为高能表面，但暴露在普通环境中会立即吸 附水或有机物，使表面成为低能表面，所以用普通方法测它们的表面张力基本相同，研究 还表明表面吸附层首先是化学吸附，而后是物理吸附层，吸附层的多少和环境湿度有关。 玻璃表面极性基团吸附的气体和水分子很难完全清除。 热塑性树脂胶片的粘结机理与热熔胶相同，在热压成型中胶片并不与平整的玻璃溶混。 以 PVB 为例，胶片在 135150T 热融状态同玻璃压合，两相界面分子紧密接触并经历几十分 钟时间的浸润过程，在分子引力的相互作用下表面分子将重新排列分布，形成紧密的物理 吸附，同时有些极性基团(如液相 PVB 的羟基、玻璃固体表面的硅醇基等)会形成共价键， 这些键合力如氢键、偶极和范德华力等构成粘结力并在冷却中“凝固”。PVB 的增塑剂也 会在其表面富集。研究表明两相的粘结不决定于各自分子间的结合力(内聚力)，而取决于 液体和固体表面不同分子间的吸引力，如 PVB 分子链自身的醋基间不能形成氢键，但同玻 璃表面的硅醇基团可形成氢键。玻璃表面的缺陷、吸附的杂质、凹陷在液体和固体之间的 气体及液相自身分子抵消两相的润湿并倾向于将界面重新张开。PVB 的聚乙烯醇链段能溶 解吸收湿气置换气泡的空间并浸润表面，这对粘结至关重要。值得注意的是 PVB 热熔的粘 结过程有可逆性，粘结对温度敏感，对胶层收缩和劈开应力敏感，对渗透的湿气敏感，这 是典型不溶混平面粘结的特点。 (4)混合破坏。 胶片热熔粘结力一般低于玻璃基体及胶片本体的内聚力，夹层玻璃的破坏表现为脱胶 粘附破坏。从能量角度分析，粘附破坏时外力破坏做的功必须大于界面粘附能并使界面 层产生塑性变形，使界面区生成两个不同的表面裂缝(透过玻璃可见为气泡)。结构粘结 破坏的断裂能的侧定取决于粘结破坏的受力形式。 4.24.2 使用中夹层玻璃粘结层的内应力使用中夹层玻璃粘结层的内应力 热熔粘结成型后夹层玻璃的粘结层存在内应力，这些内应力可能来源于多个方面，例 如: A 甲成型过程中界面存在杂质、微气泡，冷却固化便胶层产生收缩会在粘结界面形成 内应力; B.玻璃和胶片的模量、密度和热膨胀系数差异甚大，如玻璃热膨胀系数 9.1 x 10，PVB 胶片热膨胀系数为 3.51 x 10，相差 100)倍，建筑物室内外的温差可使两 层玻璃间产生差动位移并在粘结层中产生剪应力; .胶片及粘结界面由于吸收或渗人水分溶胀，压缩在玻璃表面凹陷中的气泡增生，在 界面产生新的内应力。 内应力和外力的作用可引起粘结界面层的分子链和分子间的键断裂，促使固有的 缺陷、气泡发展为裂缝，在边部可能集中表现为脱胶，粘结失效的脱胶面积随时间的推移 可不断增长和扩展。 4.44.4 夹层玻璃粘结对环境的耐受性夹层玻璃粘结对环境的耐受性 环境条件下胶片粘结层边缘可能发生水解、氧化及裂解等化学变化，增塑剂或其它小 分子可能迁移，导致胶层变色、脆化或龟裂，造成粘结性下降。湿热条件下水分子可通过 胶片本体向内部扩散渗透，也可沿粘结界面逐渐侵入，亲水性的玻璃表面层容易渗透水并 侵蚀粘结界面，实验证明水分子沿玻璃界面的渗透比通过树脂层的渗透要快几百倍。水的 渗入并逐步向内部扩散可促使胶片溶胀和水解，使“干态”时被压缩的气泡解压并逐步膨 胀，导致粘结强度急剧下降而脱胶，在热、光、冻融、微生物、荷载及粘结层交变位移等 综合条件下，胶片粘结性下降的进程将进一步加速。 5.5.封边有效性的试验评估封边有效性的试验评估 从以上分析可见，导致胶片脱胶的主要因素是水(含湿气)、热、光照和应力，这些因 素在夹层玻璃实用条件下交互作用且不断循环，建立模拟环境的试验条件，观测和检验粘 结脱胶的发生和发展，对分析环境条件对粘结的影响和评估封边措施的有效性是最好的方 法，但设备费用昂贵，耗费时间长，数据处理较为复杂。目前可行的标准试验方法的试验 条件大多是单因素。为更好的表征封边保护的有效性，可以依据影响脱胶的条件选择多项 单因素试验，同时考虑建立包含应力作用的两个因素的试验方法。当然，评估封边材料保 护效果的同时，也应测定粘度、固化速度、涂层厚度等工艺性能，保证其供应状态、外观 色泽和可操作性等满足封边处理的应用要求。 5.15.1 可供选择的标准试验方法可供选择的标准试验方法 a)耐热水试验 GB 9962 规定夹层玻璃产品的耐热性试验，采用 300mm x 300mm 试样 3 个，浸人 10098热水中沸煮 2 小时，检查边缘气泡及缺陷的发生。为检验封边处理的保护效果， 本试验可适当增加试样数量，延长试验时间，用气泡及缺陷的数量相对表征。夹层玻璃及 其封边处理后的试件经耐热试验后，由外管已可见封边保护的效果(图 4、图 5)。 b)紫外线辐射 GB 9962 规定的方法采用 75OW 水银弧光灯连续光照 100h，温度 4590，检查透视比及 变色。GB/T1194 提出类似的试验方法，采用功率不低于 40W/mZ 紫外灯，50。，C t3。， 下连续光照。封边试验的重点是封边试样边部的耐辐照性，可考虑延长试验时间，观测边 部气泡的数量、大小和胶片颜色的变化，相对检验封边处理的效果。 2)对建立非标准试验方法的考虑 目前已有的试验方法主要考虑了水、湿气、光照对边部胶层的侵蚀，考虑实际应用中 夹层玻璃的环境条件，应检验应力存在及交互加速下的作用(应力腐蚀)，建立应力条件下 的综合试验，以便对封边材料及保护措施的有效性进行深人评价。同标准方法一样，这些 试验的结果可能需要统计而且是相对的比较，但规律性的结论有利于深人分析夹层玻璃边 缘的开胶原因和各种因素的效应。科学评估封边材料的保护能力，应考虑试验条件尽量接 近使用条件。 已有的试验表明，在湿热(如 60。，c，HH100%)条件下，施加平行于胶层的剪应力将加 速粘结缺陷的发生，脱胶将以轴向 45 度夹角向表面层延伸并在粘结界面上形成新脱胶裂缝。 考虑胶片及玻璃热膨胀系数的差异，温差变化产生作用于夹层玻璃粘结层的剪切应力将加 速脱胶，应建立相应的湿热一剪切持久试验方法。 已有的试验已证明在湿热条件下施加垂直于粘结界面劈开力，粘结界面破坏将加速， 而且一旦发生破坏将会较快地向全部粘结界面扩尉。考虑夹层玻璃经受风压和挠曲变形