中空玻璃二道密封膠的要求

    文章概括 ：根據(jù)當前標準，中空玻璃單元（IGU）彈性密封均為雙道密封: 內(nèi)道或稱一道密封膠主要采用熱塑性聚異丁�。≒IB）或丁基橡膠, 用以降低水汽及氣體在密封邊緣的滲透性，此外它還起著加工助劑的作用，以便在中空玻璃加工過程中將間隔條固定在合適的位置。有些中空玻璃單元也采用雙面膠帶作加工助劑，但這種膠帶并未經(jīng)過水汽透過控制檢驗-故此種中空玻璃單元并不能認為是雙道密封。
　　1. 引言
　　根據(jù)當前標準，中空玻璃單元（IGU）彈性密封均為雙道密封: 內(nèi)道或稱一道密封膠主要采用熱塑性聚異丁�。≒IB）或丁基橡膠, 用以降低水汽及氣體在密封邊緣的滲透性，此外它還起著加工助劑的作用，以便在中空玻璃加工過程中將間隔條固定在合適的位置。有些中空玻璃單元也采用雙面膠帶作加工助劑，但這種膠帶并未經(jīng)過水汽透過控制檢驗-故此種中空玻璃單元并不能認為是雙道密封。
　　外道或稱二道密封膠的功能是作為粘接劑，將玻璃單元固定在一起，同時限制水分轉(zhuǎn)移到玻璃單元內(nèi)及氣體由單元內(nèi)滲出。二道密封膠可由不同的材料制得，不過較主要的有三種, 即:聚硫（PS）, 聚氨酯（PUR）和硅酮（SI）。
　　2007年, 大部分國家生產(chǎn)的4.5億多平方米中空玻璃使用了6,500萬升聚硫密封膠, 3,000萬升聚氨酯密封膠和1,500萬升硅酮密封膠。由這些數(shù)字可以明顯地看出，在各類中空玻璃用彈性二道密封膠中，聚硫密封膠仍然是市場的帶領(lǐng)者。這一突出的地位不僅是由于聚硫中空玻璃密封膠具有獨特的加工與產(chǎn)品綜合性能, 還因其接近50年的長期使用經(jīng)驗及對當今玻璃窗和建筑物的適用性決定的。
　　一般來講, 二道密封材料的較終選擇應(yīng)當考慮以下幾點:
　�。�1）對邊緣密封的性能
　�。�2）由整個玻璃系統(tǒng)提供的保護
　　（3）二道密封膠在適用過程中所暴露的環(huán)境
　　在日常實踐中，上述指標或多或少導致人們對不同用范圍選擇不同的二道密封膠: 對于商業(yè)建筑用玻璃（玻璃幕墻，結(jié)構(gòu)玻璃）一般優(yōu)選的是硅酮膠，聚氨酯密封膠主要用于生產(chǎn)玻璃尺寸和形狀基本相同的自動生產(chǎn)線，這種"普通"應(yīng)用的玻璃可有非常大的產(chǎn)量。 聚硫密封膠可用于各種中空玻璃（對于中空玻璃邊緣必須要保護的玻璃幕墻，聚硫是被限制使用的）。這一特殊限制是因過去10年間中空玻璃加工及密封膠設(shè)計的發(fā)展出現(xiàn)的，它還與固化后密封膠（如: 某些特殊優(yōu)點）的性能及密封膠的加工性能有關(guān)。
　　實際上, 中空玻璃生產(chǎn)廠家和中空玻璃使用者對密封膠性能有著不同的看法: 除成本外，二者對生產(chǎn)高質(zhì)量的中空玻璃單元這點是一致的。 而此外，中空玻璃生產(chǎn)廠還關(guān)心搬運性能, 易加工，零次品等等。加工性能對他們來講是非常重要的。這兩組性能在本文中都講討論到。本文中所采用的數(shù)據(jù)來自于阿克蘇諾貝爾公司對市場上的歐洲較主要的密封膠生產(chǎn)廠家的膠進行測試所得結(jié)果及有關(guān)文獻。由于加工性能在很多文章和產(chǎn)品介紹中都有詳細討論, 故本文僅對其做簡單描述。 （例如[1], [2]）。在此我們主要側(cè)重對固化后密封膠的性能。
　　2.加工性能
　　使用自動生產(chǎn)線對中空玻璃密封膠提出了一些額外要求：高產(chǎn)量，低磨損，易搬運，減少廢料和重復(fù)利用等。因此，基礎(chǔ)聚合物與密封膠生產(chǎn)廠家現(xiàn)在要更加重視他們產(chǎn)品的加工性，現(xiàn)代中空玻璃密封膠化合物須具備[2] ：
　　特殊的流變性
　　對底材（玻璃和間隔條）良好的潤濕性是好的粘接力必選的先決條件。密封膠須沿玻璃四個邊角連續(xù)涂敷。因此,密封材料需具有低粘度而且不流掛的性能。所有測試過的各類中空玻璃二道密封膠都表現(xiàn)出所要求的假塑性。
　　高活性
　　足夠長的使用期和快速固化也是中空玻璃生產(chǎn)廠家所需要的。在下面的表中，總結(jié)了市場上不同中空玻璃二道密封膠的固化性能:
　　表1 中空玻璃二道密封膠的固化
　　密 封 膠 PS14 PS23 PS30 SI25 SI72 SI73 PUR28 PUR32
　　使用期 分鐘 30 29 20 40 33 20 35 20
　　表干時間 分鐘 50 45 35 240 150 50 90 50
　　肖氏A硬度
　　經(jīng)固化時間 1h 13 20.5 16 7 3.5 4 6 11
　　1.5h 28 31.5 28 14 6.5 5 14. 15.6
　　2h 34 42 33.5 16 11.5 7.5 17 20.5
　　3h 45 45 36 27 18 11 25 26
　　4h 45 48.5 39 31.5 23 20 31.5 30
　　24h 47 50 45 42.5 36 37 43 46
　　168h 48 50 45 48 45 45 46 51
　　好的聚硫中空玻璃二道密封膠配方, 其產(chǎn)品在室溫下固化4小時后的硬度應(yīng)能達到其較終硬度的80％。這一獨特的性能是因其與活性二氧化錳進行的氧化固化的結(jié)果。而其它類型的產(chǎn)品固化速度較聚硫慢得多。這一點在[2]中已有論述。大多數(shù)中空玻璃密封膠都要在24小時后達到較終的肖氏A硬度值約為50。
　　粘接力的快速生成
　　粘接力的快速生成是一個要特別關(guān)注的問題。附著力產(chǎn)生的越快，在中空玻璃單元的運輸過程中出現(xiàn)的問題越少。配方做得好的聚硫中空玻璃密封膠在室溫下固化4小時內(nèi)即可達到其完全的粘接力。
　　EN 1279-6中所描述的粘接力試驗（其粘接力試驗是在室溫固化24小時后進行的，試樣須經(jīng)受一定載荷持續(xù)至少10分鐘）結(jié)果清楚地顯示出大多數(shù)中空玻璃二道密封膠表現(xiàn)都不錯。
　　表 2 根據(jù)EN 1279-6 測得的初始附著力結(jié)果
　　密封膠 PS 14 PS 23 PS 30 SI 25 SI 72 SI 73 PUR 28 PUR 32
　　玻璃 通過 通過 通過 通過 通過 通過 通過 通過
　　鋁間隔條 通過 通過 通過 70％ AF 通過 通過 80％ AF 60％ AF
　　3.4分鐘后 1.25分鐘后 1.5分鐘后
　　AF: 粘接破壞
　　關(guān)于加工性能, 聚硫中空玻璃二道密封膠在某些方面較其它種類的膠具有優(yōu)越性, 但在歐洲市場，大多數(shù)經(jīng)過測試的密封膠產(chǎn)品都表現(xiàn)不錯，可以滿足要求。
　　3.中空玻璃單元邊緣密封的功能與性能
　　3.1 理論方面
　　中空玻璃單元會經(jīng)受各類因搬運（開, 合）, 風力，溫度及氣壓變化產(chǎn)生的載荷, 這些載荷會導致單元的變形（圖 1）, 則密封膠要產(chǎn)生延伸, 壓縮和剪切。
　　在經(jīng)受額外的濕度，紫外線照射及受熱條件下的適應(yīng)能力決定了密封膠使用壽命。當中空玻璃腔內(nèi)出現(xiàn)濕汽冷凝（結(jié)露）（對于充氣玻璃則是氣體外泄）, 這就意味著一個中空玻璃單元使用壽命的終止。
　　對于中空玻璃單元來說，幾個關(guān)于水汽和氣體透過率的重要方面是我們要考慮的:
　　與多孔材料（如濾紙）相反, 通過聚合材料進行的質(zhì)量輸送是以活性擴散的形式發(fā)生的。
　　原則上講，有兩種可能的擴散途徑: 通過第二道和靠前道密封膠, 或沿著玻璃與密封膠的結(jié)合面。 沿界面擴散的可能性要遠高于通過密封膠的擴散[4]。
　　對雙道密封的玻璃單元來說，其擴散受到的阻力即是各道密封之和。
　　對密封膠的透過率總是與其面積成比例關(guān)系的。 若在已經(jīng)建立平衡的狀態(tài)下, 一般是與其厚度成反比。
　　如果尚未達到平衡, 則達到平衡所需時間大致與厚度的平方成比例（Fick"s and Henry"s 定律）。
　　因此，與達到平衡后相比, 密封膠的厚度在達到平衡前的期間里可更多地提高其阻隔性能。
　　網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變松弛 - 如, 塑化或腫脹結(jié)構(gòu) - 都會使?jié)B透性增加。
　　3.2水汽滲透（水汽透過率（MVTR） ）
　　在玻璃與密封膠無缺粘接的情況下, 水汽只可能透過密封膠進入中空玻璃腔內(nèi)。萬一頭道密封膠與玻璃的粘接失效, 二道密封膠就要擔當起可阻隔濕氣滲入的任務(wù)。假如二道密封膠與玻璃的粘接也失效，那么這塊中空玻璃就無法再使用并需要更換。中空玻璃的早期失效主要是由于生產(chǎn)過程中的某些失誤或采用了劣質(zhì)密封膠，亦或二者都有造成的。
　　表3中總結(jié)了通過不同類型密封膠及雙道密封（丁基＋其中一種做二道密封膠）的水汽透過情況
　　表3 水汽透過率
　　水汽透過率[克/米2天] 水汽透過率 [％]
　　DIN 53 122 - 3 mm 密封膠試片 EN 1279-4 雙道密封中空玻璃
　　20 °C 60 °C 23 °C 23 °C 5.1章 DIN 52 344
　　來源 [5] [5] [6] [6] [7] [6]
　　密封膠類型
　　聚硫 4-5 20-30 3-6 5 5.8-7.0 < 1.2
　　聚氨酯 3-6 20-30 2-4 4 2.6-3.5 < 1.2
　　硅酮（雙組分,中性） 7-16 40 - 70 15-20 15 9.2 < 1.2
　　聚異丁稀 0.1-0.2
　　表中數(shù)據(jù)清楚地表明水汽透過率（MVT rate）取決于聚合物的類型, 且其與溫度成比例增加。對氣體和水汽阻隔能力較差的材料是硅酮橡膠。有意思的是硅酮橡膠在水中只有輕微的溶脹。然而，測試結(jié)果表明，選擇對水阻隔作用好的材料并不能像我們通常那樣僅看其在水中的溶脹這一個指標[3]。
　　聚異丁稀對濕氣的阻隔能力強并決定了中空玻璃單元的擴散阻力. 因此,我們看到所有雙道密封的中空玻璃單元的水汽透過率都比較接近。
　　3.2 惰性氣體的滲透
　　中空玻璃單元充氣，如氬氣或氪氣等惰性氣體以提高其隔熱及隔音的能力。惰性氣體的擴散取決于溫度和腔內(nèi)與環(huán)境的壓差。
　　3.3 中空玻璃單元的設(shè)計 – 密封膠打膠尺寸
　　盡管硅酮中空玻璃二道密封膠表現(xiàn)出它抵擋氣體及濕氣擴散的能力較差, 可還是有人用它來生產(chǎn)充氣的中空玻璃。不過，在設(shè)計中空玻璃時人們需要把這一點考慮進去。 因此, 許多歐洲的中空玻璃生產(chǎn)廠家都建立了自己的內(nèi)部標準以滿足EN1279對充氣中空玻璃的要求, 靠前道丁基密封膠的厚度及用量按照不同類型的二道密封膠而做了相應(yīng)地嚴格限定。
　　中空玻璃二道密封膠類型 聚硫 或 聚氨酯 硅酮
　　丁基膠用量 克/米 間隔條 2.5 3.5
　　二道密封膠厚度 毫米 2.5 - 3 4 -5
　　如前所述, 硅酮密封膠較弱的阻檔氣體和濕氣的能力，亦可以通過加大密封膠用量并仔細將間隔條的端部（與丁基一起）密封好也可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的中空玻璃。
　　惰性氣體克擴散也可以用來估計中空玻璃的使用壽命：聚硫/丁基密封的中空玻璃的氬氣損失率可由HOLLER[6] 方法測定，其范圍在 1-8*10-3/年, 而人們發(fā)現(xiàn)聚氨酯/丁基體系的值在6-25*10-3 /年。
　　FELDMEIER and SCHMID [8] 預(yù)測， 如果氬氣的年損失率約1％的話, 則中空玻璃的使用壽命大約是20年。 按此計算聚硫/丁基密封的中空玻璃由于其均勻的惰性氣年體損失率小于1％， 那么，它的使用壽命估計可達30 到40年。
　　3.4 強度，松弛，粘接力
　　人們經(jīng)常討論的一個問題, 是二道密封膠的功能只是起到彈性粘接作用, 而阻隔功能是由靠前道密封提供的。前面章節(jié)的內(nèi)容顯示出，對于中空玻璃的性能來說，水汽與氣體透過二道密封膠的問題也是非常重要的。 然而, 強度和對玻璃與間隔條的粘接力, 是與密封膠將玻璃片結(jié)合在一起,并防止水汽（和惰性氣體）透過玻璃與密封膠之間的界面的能力密切相關(guān)的。
　　強度（及松弛） 和粘接力都因聚合物的類型不同而存在差異, 在考慮到成本問題時，就更應(yīng)強調(diào)這兩個指標對配方的依賴性。僅以聚硫密封膠為例, 聚合物/增塑劑/填料的比例決定了密封膠的性能。如曾經(jīng)談到過的，氣體與水汽的透過率會隨著聚合物含量的增加而降低，而應(yīng)力恢復(fù)也隨合物含量的增加而成比例的提高。
　　同時, 二道密封膠中可產(chǎn)生塑性變形的組分就會減少，密封膠的成分對膠的性能的影響已在一些文獻及報告中均有描述。 （如: [5], [9], [10] ）
　　4. 結(jié)論
　　對于中空玻璃的二道密封膠來說, 具備良好的加工（工藝）性, 在各種載荷下的可搬運能力及抵抗環(huán)境影響的能力是較為重要的。由于某些類型的膠的個別優(yōu)點, 人們開發(fā)出適用于特殊應(yīng)用的不同密封膠。 根據(jù)長期的實踐經(jīng)驗, 不僅密封膠的質(zhì)量, 中空玻璃各組成部分的質(zhì)量也都有了很大提高, 其設(shè)計也得到了優(yōu)化。 就中空玻璃二道密封膠講, 假如現(xiàn)場數(shù)據(jù)認可各種密封膠均可滿足高性能中空玻璃的要求, 那說明這些膠的配制都具有較高水準。
　　本文中需要著重提到的是MOGNATO 及其他人 [11] 的研究成果。 他們經(jīng)過在中空玻璃生產(chǎn)過程中進行有效的檢驗及按照嚴格的規(guī)則使其達到較低的次品率而得出的結(jié)論。為達到這一高質(zhì)量水準, 必要的第三方檢驗亦同時在現(xiàn)場, 以確保優(yōu)良的產(chǎn)品質(zhì)量。