中空玻璃密封胶失效原因分析及预防措施

1 前言

中空玻璃是用两片或两片以上玻璃，中间用带有干燥剂的间隔框隔开，周边采用密封胶密封而制成的玻璃制品。中空玻璃因其具有隔热、隔音、防结霜、防结露等优良胜能,已被广泛用于建筑、制冷等领域。2011年我国中空玻璃的产量达4087.37万平方米，同比增长13.51% 。如此巨大的中空玻璃市场，质量问题至关重要。目前我国中空玻璃存在的问题主要是寿命短、质量没有保证，主要表现是使用一段时间后中空玻璃内部出现结露或结霜, 甚至产生中空玻璃进水现象，中空玻璃隔热保温等功效完全丧失。这种问题产生的主要原因是密封胶失效，导致中空玻璃密封胶失效的原因是多方面的，如密封胶的选择及其性能施工工艺等。本文针对影响中空玻璃密封胶失效的各种因素进行了系统地分析研究，并提出了预防措施。

2 中空玻璃失效现象

近年来，中空玻璃出现了一系列严重的质量问题,其中包括：①中空玻璃内表面结露或结霜以及漏气、漏水现象，如图1、图2；②中空玻璃腔体内出现丁基胶流淌现象，如图3；③镀膜中空玻璃腔体出现彩虹现象或膜层受到腐蚀、氧化等现象，如图4；④二道密封胶固化后产生气泡，如图5a)，或者使用一段时间产生脆化、开裂现象，如图5b)。

3 原因分析

经过对近几年来诸多中空玻璃失效案例的分析调研, 主要原因可归纳为以下几类。

3. 1 密封胶选择不当

密封胶一般为高分子聚合物,通常用于中空玻璃的密封胶有聚硫密封胶、硅酮密封胶、丁基密封胶和聚氨醋密封胶等。对于这些高分子材料,其两侧存在逸度差(压差或浓度差) ,在逸度较高的一侧,气体分子(空气和水)能够进人固体聚合物中,移动并穿过聚合物链阵从逸度较低的一侧释放出来。影响水蒸气扩一散的因素主要是聚合物的气体渗透系数、胶层厚度和空气层内外的水汽压差。

水份扩散遵循关系式(l):

J=(P/L)×△P

J一扩散速度,指单位时间、单位面积上气体通过一定厚度的聚合物的扩散量;

P一聚合物气体渗透系数;

L—聚合物的厚度;

△P一聚合物两侧的气体分压差。

由上述关系式可以看出, 在胶层厚度与环境条件同样的情况下,密封胶材料的气体渗透系数越小,其气密性越好,越不易导致中空玻璃密封失效现象的发生。在中空玻璃的制作过程中如果选用了气体渗透系数较大的密封胶,则易出现密封性不良、中空玻璃露点上升、结露或结霜甚至进水等现象(图1、图2 )。

3. 2 硅酮密封胶中掺入低沸点物质(如白油等)

硅酮密封胶生产都是以端轻基聚硅氧烷为基料。以二甲基硅油为增塑剂,产品质量稳定。随着市场竞争的日益激烈,一些企业为降低成本在硅酮密封胶产品中掺入低沸点物质(如白油)来代替二甲基硅油,使产品耐久性大大降低。

白油是石油润滑油馏分高压加氢精制而成的无色、无味白色油状长链烷烃,常用于纺织润滑剂和冷却剂,微量使用可以改善橡胶制品的表面光泽。白油基本组成为饱和烃结构,主要成分为C16-C31的正异构烷烃类的混合物,分子量较小(250~450)、沸点低、易挥发。白油的分子链以C-C键为主,不能溶解以Si-O化学键为主链结构的硅酮密封胶,只能在卷曲的大分子链间留存,但随着大分子的交联固化,链间距离压缩,尤其是在环境温度较高的情况下,白油必将挥发、渗出,随着时间的推移硅酮胶将逐渐硬化、收缩,甚至开裂[图5b)] ,从而导致粘结失效。而中空玻璃所采用的第一道密封胶——丁基胶中主要成分是聚异丁烯,其分子链以C-C键为主,与白油类似,二者之间的极性相近。根据相似相溶原理,丁基密封胶遇到白油时,就会被其溶胀、溶解,从而产生中空玻璃密封胶流淌现象(图3)。当白油进人镀膜中空玻璃时,玻璃就会出现彩虹现象(图4),膜层被腐蚀从而导致镀膜玻璃失效。

3. 3 密封胶施工工艺不当

中空玻璃密封胶施工过程中,如不按照正确的施工工艺执行,就会导致中空玻璃漏气、漏水等问题的发生。密封胶施工工艺不当主要有以下四个方面:

a) 基材粘结面清洁度不够。密封胶固化后因基材表面清洁度不够造成粘结强度低,粘结性能较差,气密性受到影响。

b) 密封胶混胶比例不当或混胶不均匀。双组分密封胶的A、B 组分混合比例不当,混合不够充分,会导致打出的胶固化不均匀,部分粘结性能不好。此外如果在混胶过程中混入气泡,在挤出过程中易造成断胶现象,影响其粘结性能。

c) 清洗打胶设备的溶剂没有挥发干净。打胶设备一般采用溶剂进行清洗, 清洗打胶设备的溶剂如果未挥发完全,打胶时附着在密封胶的表面, 就会在密封胶与基材粘结表面形成气孔,导致密封胶与玻璃粘结不良。

d)施工和养护条件不符合工艺要求。以硅酮密封胶为例, 施工温度范围一般在5℃~40℃(具体情况参照密封胶供应商的要求), 施工温度过高或过低均会影响密封胶的性能。温度过高时施工可能造成硅酮密封胶的固化反应速度过快,产生的小分子物质来不及迁移出胶体表面而在胶体内部聚集形成气泡[图5a)] ,从而破坏胶缝的美观和性能;温度过低,硅酮密封胶的固化速度会特别慢, 固化过程显著延长。温度低于4℃时, 基材的表面容易结露或结冰、结霜等, 为粘结安全性带来很大隐患。做成中空玻璃后, 如果养护时间太短,密封胶还没有完全固化就直接接触阳光暴晒,则会出现密封胶外观颜色变化或起泡现象。

4 预防措施

4 .1 选择合适的密封胶

选择气体渗透率低的中空玻璃密封胶是减少气体扩散速度的有效措施之一。表1是按照EN 1279《中空玻璃》标准进行的气密性试验的几种常用中空玻璃密封胶的试验结果,其中丁基橡胶的气体渗透率和水蒸汽渗透率最小,这是因为丁基橡胶为长线性紧密卷曲且易转动的分子链结构,且其分子链中侧甲基排列十分密集,限制了聚合物分子的热运动,有效地降低了气体的渗透,从而赋予了丁基胶优异的气密性能,所以目前双道密封中空玻璃均采用丁基橡胶作为第一道密封层。

与其它密封胶相比,硅酮密封胶的气密性最差, 但是硅酮密封胶具有优越的耐紫外光辐射、耐水等耐老化性能,长期使用后性能保持效果非常良好。聚硫密封胶具有较低的水蒸汽透过率,对玻璃具有良好的粘结性能,同时又具有优异的耐油、耐溶剂性能,综合性能优异,性价比较高,是最早用于中空玻璃行业的密封胶。近年来,对中空玻璃外道密封胶的研究相当多,从实际使用情况来看,对于建筑门窗、明框玻璃幕墙、空调机车、冰箱冰柜等中空玻璃应选用丁基/聚硫密封体系(即丁基胶做第一道密封胶,聚硫密封胶作为第二道密封);而对于隐框或半隐框玻璃幕墙, 需要承担结构强度,则应选择丁基硅酮密封体系。

4. 2 杜绝使用掺白油的硅酮密封胶

相对于不含白油的密封胶, 含有白油的密封胶具有独特图6中2#曲线是掺白油密封胶(白油含量10%)的热失重曲线, 可以看出,在160℃密封胶开始失重, 这是因为白油为低沸点物质, 闪点仅160℃~230℃;而不含白油的硅酮密封胶的热失重曲线(l#)显示失重起点为400℃左右。通过这种对比分析可以明显地判断出硅酮密封胶中是否掺有白油。

图7为硅酮结构密封胶的红外光谱图,1260cm^-1处为Si-CH3吸收峰,1130cm^-1~1000cm^-1处为Si-O-Si的伸缩振动吸收峰,2960cm^-1为CH3的C-H非对称伸缩振动峰, 以上特征峰在1#和2#中均有出现; 而2#图谱中在1380cm^-1出现CH3的C-H对称弯曲振动, 1470cm^-1为CH2的弯曲振动吸收峰, 以及在2860cm^-1处出现CH2的C-H非对称伸缩振动。因此,可以定性判断2#密封胶中存在白油。

综合以上分析可以看出,利用热重分析和红外光谱分析可以有效地判断硅酮密封胶中是否掺有白油,可以以此为依据,杜绝使用掺有白油的硅酮密封胶。

4. 3 严格控制施工工艺

4. 3 .1基材表面的清洁及溶剂的选择

材料表面是密封粘结的关键之处, 无论何种材料表面,在现场施工时均易粘染不洁净的物质,如油污、灰尘、脱模剂、水气或保护胶带膜去除后残存的物质等。这些材料在施打密封胶前都应用溶剂进行清洗干净,但并不是每种溶剂都可以有效地清除任何污染物,有些溶剂的使用可能会严重地损坏某种材料的表面, 所以溶剂的正确选择是粘结材料表面清洁要求的一个关键环节。

溶剂的选择因污染物的不同而异。非油性的灰尘和污垢,用50%的异丙醇(IPA)加50%的去离子水或75%的酒精就可清除干净。油性的污垢和薄膜, 需用脱脂溶剂如丁酮(MEK)、二甲苯来清洁。

清洗溶剂也可以根据不同的季节进行选择。其中IPA和MEK可溶解在水中, 所以非常适合在冬天使用, 它能有效去除基材表面的冷凝水及结霜。甲苯和二甲苯不能溶于水,故较适合于夏天使用。

4 .3 .2施工及养护条件

中空玻璃密封胶应在规定的温湿度条件(参照密封胶供应商的要求)下进行施工和养护,防止发生因施工及养护温度过高或过低而导致密封胶性能受到影响的现象。

4. 3. 3打胶工艺

密封胶的打胶工艺是制作中空玻璃的重要环节,它决定着中空玻璃制品的综合质量。第一道密封胶丁基胶涂胶须均匀,涂胶截面要一致,应仔细检查中间有无断线、气泡以及影响美观的杂质,四角丁基胶条应互相接触压合,必要时应重新涂敷或补胶,不能存在漏气的隐患。第二道密封胶一般为双组分聚硫或硅酮密封胶, 涂胶时还应满足以下要求:A、B组分应严格按照生产厂商提供的混合比例配比,两组分应充分混合均匀(通过“蝴蝶试验”进行测试),打胶量准确,无欠胶和多胶现象。打胶时尽量匀速的沿一个方向打胶, 防止产生气泡,打胶完毕后刮去玻璃表面残余涂胶时要与第一道密封胶紧密接触,不应留有空隙。

4. 3. 4胶层厚度

从3.1中公式(l)可以看出,气体通过聚合物的扩散量与胶层厚度成反比, 胶层越厚其扩散量越少, 所以GB/T11944-2012《中空玻璃》标准中规定:单道密封胶层厚度为10mm±2mm,双道密封外层密封胶层厚度为5mm~7mm。可见胶层厚度的大小也是中空玻璃密封性能好坏的关键因素,在生产时一定要保证胶层具有适当的厚度且厚度均匀。

5 结论

综上所述, 中空玻璃密封胶失效的原因是多方面的,主要有原材料的选择、密封胶的选用、施工工艺等。在实际的应用过程中,应选用合适及质量有保证的密封胶,杜绝使用掺白油的硅酮密封胶,严格控制施工工艺等措施预防密封胶失效,以延长中空玻璃的有效使用寿命。

(作者：程鹏 邢凤群 秦灵芳等 郑州中原应用技术研究开发有限公司)