VHBTM SGT 在玻璃幕墻粘接應(yīng)用中的耐久性能和可靠性能探討

劉盈 王新 王思宇

收稿日期：2014-04-01

作者簡(jiǎn)介：劉盈（1982-），女，主要從事幕墻裝配用密封膠、膠帶等產(chǎn)品的性能檢測(cè)及相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。

曾參與住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部課題，發(fā)表相關(guān)領(lǐng)域文章多篇。

摘要：介紹了玻璃幕墻粘接的應(yīng)用，從粘接材料的結(jié)構(gòu)組成和耐久性能以及玻璃幕墻系統(tǒng)的可靠性等方面進(jìn)行了重點(diǎn)的闡述，論證了VHBTM SGT是玻璃幕墻粘接應(yīng)用的一種可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：玻璃幕墻；耐久性；可靠性

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ437+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2014）05-0033-04

1 前言

壓敏膠是一種非常古老的膠種，最早可以追溯到公元前1600年后漢時(shí)期《黃帝內(nèi)經(jīng)》中記載的用中藥與松脂、動(dòng)物膠熬制的治療傷痛的膏藥[1]?，F(xiàn)代社會(huì)廣泛使用的包裝膠帶，電器絕緣膠帶，不干膠標(biāo)簽，美紋紙膠帶是最為常見(jiàn)的壓敏膠；導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光學(xué)等特種壓敏膠的出現(xiàn)使得壓敏膠技術(shù)的發(fā)展達(dá)到一個(gè)新的高度，VHBTM膠帶是這一系列產(chǎn)品中具有代表性的一個(gè)，它的應(yīng)用在很大程度上扭轉(zhuǎn)了人們之前對(duì)于壓敏膠無(wú)法應(yīng)用在復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)，不能在室外長(zhǎng)期可靠工作的認(rèn)識(shí)。VHBTM膠帶在包括航空，建筑以及交通標(biāo)識(shí)等很多苛求的領(lǐng)域得以成功應(yīng)用，尤其在建筑市場(chǎng)，20多年來(lái)，被廣泛應(yīng)用于金屬幕墻系統(tǒng)中板材與框架和加強(qiáng)筋的粘接及玻璃幕墻系統(tǒng)中玻璃和金屬框架的粘接。其中VHBTM膠帶粘接金屬板幕墻項(xiàng)目有新加坡 Temasek Tower，阿聯(lián)酋Arabian Tower，美國(guó)Walt Disney Concert Hall，巴西BankBoston等項(xiàng)目；VHBTM膠帶粘接玻璃幕墻項(xiàng)目中有美國(guó)Liberty Memorial Museum，德國(guó)Philips Headquarters，泰國(guó)Athenee Tower，巴西Glass Tower等項(xiàng)目。

2 隱框玻璃幕墻的粘接應(yīng)用

玻璃幕墻大致可以分為明框幕墻和隱框幕墻。明框幕墻采用機(jī)械方式進(jìn)行組裝，從上個(gè)世紀(jì)60年代硅酮結(jié)構(gòu)膠被開(kāi)發(fā)用于將玻璃粘接到金屬框架上的隱框幕墻并獲得了大量的使用，并隨之制定了一系列的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，比如 ASTM C24.35委員會(huì)起草的 ASTM C 1184 Standard Specification for Structural Silicone Sealants，歐洲技術(shù)批準(zhǔn)組織 （EOTA） 開(kāi)發(fā)的ETAG 002 Guideline for European Technical Approval for Structural Sealant Glazing Kits （SSGK），中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776—2005建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠等。VHB?玻璃幕墻結(jié)構(gòu)裝配膠帶（VHB? Structural Glazing Tape，簡(jiǎn)稱(chēng)SGT）是專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)用于玻璃幕墻粘接的膠帶，在這個(gè)應(yīng)用中SGT與硅酮結(jié)構(gòu)膠一樣起著玻璃與金屬框間主要粘接劑的作用，如圖1所示，正面作用的風(fēng)荷載通過(guò)SGT轉(zhuǎn)移至建筑物的結(jié)構(gòu)上，其必須保持足夠的粘接強(qiáng)度用以支撐在風(fēng)荷載及其他環(huán)境關(guān)聯(lián)狀況下的玻璃面板。由于玻璃幕墻對(duì)于粘接強(qiáng)度和可靠性的要求極高，這個(gè)應(yīng)用可以認(rèn)為是迄今為止壓敏膠承擔(dān)的技術(shù)要求較高的應(yīng)用。

3 SGT的結(jié)構(gòu)組成

常見(jiàn)的泡綿膠帶是在泡綿芯材的2面涂布薄層膠粘劑，SGT是采用了獨(dú)特的無(wú)溶劑制造技術(shù)生產(chǎn)的，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，粘彈性芯材和強(qiáng)力粘接涂層都是由聚丙烯酸酯類(lèi)粘彈體構(gòu)成，可以形象地稱(chēng)之為“固態(tài)膠水”。這種結(jié)構(gòu)賦予了膠帶特殊的整體粘彈性，能有效地將粘接接頭內(nèi)的應(yīng)力，比如風(fēng)荷載，分散到粘彈性芯材中通過(guò)力學(xué)弛豫耗散掉，從而有效地保護(hù)粘接線，提高了承載能力和抗疲勞性能。而一般的泡綿膠帶受到的應(yīng)力將會(huì)集中到粘接接頭上，粘接很容易被破壞。另外，SGT的粘彈性芯材是100%的全閉孔結(jié)構(gòu)，水和空氣均不能通過(guò)，這將有助于實(shí)現(xiàn)幕墻的氣密、水密性能。

4 SGT的耐久性能和可靠性能探討

4.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

首先從化學(xué)結(jié)構(gòu)上分析SGT高耐久性的原因，SGT由聚丙烯酸酯構(gòu)成，主鏈全部為碳-碳單鍵，這種結(jié)構(gòu)的主鏈對(duì)熱、紫外線以及化學(xué)試劑的破壞均具有很強(qiáng)的抵抗性。聚丙烯酸酯泡綿和膠粘劑不會(huì)降解，其模量將隨著交聯(lián)的建立而輕微增加，從而形成一種更強(qiáng)的耐久粘接。而對(duì)于不耐久的泡綿和膠粘劑而言，此類(lèi)狀況可能導(dǎo)致聚合物主鏈的破壞，從而降低力學(xué)性能。

4.2 戶(hù)外老化實(shí)驗(yàn)

戶(hù)外老化實(shí)驗(yàn)是人們針對(duì)戶(hù)外應(yīng)用所進(jìn)行的評(píng)估實(shí)驗(yàn)。截至目前為止佛羅里達(dá)州的高溫潮濕環(huán)境、亞利桑那州高溫干燥且日照豐富的環(huán)境以及明尼蘇達(dá)州的極冷極熱環(huán)境的這些有代表性的測(cè)試都證實(shí)了SGT在經(jīng)過(guò)5年的戶(hù)外老化后仍然保持了近乎100%的粘接強(qiáng)度。在日本地區(qū)歷時(shí)11年的室外測(cè)試也得出了相同的結(jié)果[2]。

4.3 人工加速老化實(shí)驗(yàn)

3M進(jìn)行了SGT的加速老化實(shí)驗(yàn)去研究其耐久性能。測(cè)試采用了壽命預(yù)估實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，測(cè)試樣品包括分別使用硅酮結(jié)構(gòu)膠和SGT粘接的玻璃和陽(yáng)極化鋁的樣塊。這些樣品被放置在帶有熱和濕度（噴水）循環(huán)的高強(qiáng)度UV 老化箱內(nèi)，然后在不同的時(shí)間間隔后被取出測(cè)試正拉強(qiáng)度。圖3描述了硅酮結(jié)構(gòu)膠和SGT經(jīng)過(guò)一段時(shí)間老化之后的正拉強(qiáng)度與初始強(qiáng)度的百分比[3]。

這個(gè)加速老化實(shí)驗(yàn)的最長(zhǎng)暴露時(shí)間為10 000 h，10 000 h的實(shí)驗(yàn)是比ETAG 002 和ASTM C 1184更高輻照強(qiáng)度的更嚴(yán)格的UV 循環(huán)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)壽命預(yù)估實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模型計(jì)算，10 000 h的加速老化實(shí)驗(yàn)其輻照強(qiáng)度有50%的可能性至少相當(dāng)于28年的佛羅里達(dá)州的高溫潮濕環(huán)境或者29.6年亞利桑那州高溫干燥且日照豐富的環(huán)境或者54.2年明尼蘇達(dá)州的極冷極熱環(huán)境。硅酮結(jié)構(gòu)膠和SGT在苛刻的加速老化試驗(yàn)中甚至在暴露了10 000 h以后都展示了超過(guò)100%的正拉強(qiáng)度維持率，說(shuō)明SGT和在業(yè)內(nèi)廣泛使用的硅酮結(jié)構(gòu)膠具有相近的耐久性能。

4.4 ETAG循環(huán)負(fù)載疲勞實(shí)驗(yàn)和CE認(rèn)證

根據(jù)ETAG 002和GB16776，SGT分別在歐洲和國(guó)內(nèi)進(jìn)行了在標(biāo)態(tài)、高溫、低溫、浸水、水-紫外光照條件下的正拉和剪切強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)都是在膠帶沒(méi)有承受任何應(yīng)力條件下進(jìn)行的。ETAG 002中最為獨(dú)特的是材料的循環(huán)負(fù)載疲勞實(shí)驗(yàn)，其循環(huán)應(yīng)力設(shè)計(jì)如圖4所示，鋁對(duì)鋁的正拉強(qiáng)度樣塊在經(jīng)歷了循環(huán)負(fù)載疲勞實(shí)驗(yàn)后正拉強(qiáng)度基本保持不變，這也證明了SGT的極佳耐疲勞性能。SGT在通過(guò)歐洲技術(shù)批準(zhǔn) ETA—09/0024 3M? VHB? Structural Glazing Tape G/B 23F-Acrylic foam tape for structural tape glazing kits的同時(shí)也得到了CE認(rèn)證。

4.5 幕墻形式試驗(yàn)

以上實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)材料性能的測(cè)試，為了更好地支持和研究SGT在粘接玻璃幕墻中的應(yīng)用，3M 公司在2005年進(jìn)行了苛刻條件下的幕墻形式試驗(yàn)[4]，本次試驗(yàn)同樣選擇硅酮結(jié)構(gòu)膠作為參照物。風(fēng)壓設(shè)計(jì)值為2.9 kPa，根據(jù)各自的設(shè)計(jì)規(guī)則，分別完成SGT 和硅酮結(jié)構(gòu)膠對(duì)測(cè)試板塊的粘接。第1個(gè)測(cè)試程序包括SGT 對(duì)PVB夾膠玻璃，SGT 對(duì)DGU中空玻璃和硅酮結(jié)構(gòu)膠對(duì)DGU中空玻璃的粘接板塊。本次試驗(yàn)的設(shè)計(jì)非常嚴(yán)格，除了國(guó)內(nèi)GB/T 15227—2007要求的常規(guī)氣密、水密、抗風(fēng)壓性能測(cè)試，額外增加了高低溫循環(huán)老化，并且在高低溫老化和耐風(fēng)壓測(cè)試后進(jìn)行了氣密、水密性能的驗(yàn)證，更是在高低溫（-25 ℃，32 ℃，70 ℃）情況下進(jìn)行了抗風(fēng)壓的測(cè)試（持續(xù)1 min），這是非?？量痰脑囼?yàn)條件。正常條件下風(fēng)會(huì)降低建筑物的溫度，意味著不會(huì)出現(xiàn)既是高溫又有很大風(fēng)壓的情況。SGT 和硅酮結(jié)構(gòu)膠在本測(cè)試中都表現(xiàn)出良好的性能，之后又進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)，壓力被逐漸加大至8.4 kPa，在此條件下夾膠玻璃被吹出試驗(yàn)倉(cāng)，但是玻璃的四周邊緣仍然被SGT牢固地固定在框架的周?chē)?，SGT 和硅酮結(jié)構(gòu)膠粘接的DGU中空玻璃都順利地通過(guò)了試驗(yàn)。

隨后進(jìn)行第2系列的試驗(yàn)，包括分別使用SGT 和硅酮結(jié)構(gòu)膠粘接8 mm鋼化玻璃，已經(jīng)承受過(guò)第1系列循環(huán)的SGT粘接的DGU中空玻璃也參加了第2系列的試驗(yàn)，相當(dāng)于進(jìn)行了2遍循環(huán)。盡管風(fēng)壓設(shè)計(jì)值為2.9 kPa，但實(shí)際上最大風(fēng)力載荷測(cè)試為10 kPa，SGT 和硅酮結(jié)構(gòu)膠都順利地通過(guò)了測(cè)試，這一切說(shuō)明了SGT和硅酮結(jié)構(gòu)膠一樣在玻璃幕墻結(jié)構(gòu)裝配應(yīng)用中的可靠性能。

4.6 實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目歷史

SGT粘接玻璃幕墻這類(lèi)應(yīng)用最早可以追溯到 1990年的巴西Urcov Building 項(xiàng)目，至今已有將近24年的成功應(yīng)用歷史，從那以后3M 公司將SGT應(yīng)用于美國(guó)、德國(guó)、巴西、印度、以色列、泰國(guó)、新加坡等國(guó)家的數(shù)千座建筑物的玻璃幕墻中。

4.7 既有項(xiàng)目可靠性評(píng)估

有報(bào)道玻璃幕墻在使用若干年后有的會(huì)發(fā)生玻璃脫落的情況，所以人們非常想知道建筑物的預(yù)估壽命，這樣就可以在出現(xiàn)安全隱患前，提前采取措施進(jìn)行更換或加固。幕墻行業(yè)的著名咨詢(xún)顧問(wèn)公司CURTAINWALL DESIGN CONSULTING （CDC）在2010年對(duì)于已使用大約16年的巴西Glass Tower建筑物的SGT的結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估，測(cè)試方法依據(jù)ASTM C 1392 “Standard Guide for Evaluating Failure of Structural Sealant Glazing”，但是該測(cè)試是一種非破壞性檢測(cè)程序，根據(jù) ASTM E 330 “Structural Performance of Exterior Windows，Doors，Skylights and Curtain Walls by Uniform Static Air Pressure Difference”反復(fù)的施加載荷。

試驗(yàn)裝置如圖5所示，3個(gè)支撐吸盤(pán)置于室內(nèi)鋁合金框架正對(duì)的玻璃上，中央拉拔的真空吸盤(pán)（直徑為305 mm）置于后面是VHB SGT的玻璃的邊緣。該器具配備一個(gè)真空泵，此泵固定在空壓機(jī)上，這樣當(dāng)吸盤(pán)通過(guò)一個(gè)液壓泵上的液壓缸來(lái)緩慢向外拉拔時(shí)可以確保中央吸盤(pán)穩(wěn)固吸附在玻璃表面。這個(gè)拉拔的動(dòng)作可模擬負(fù)風(fēng)壓從而可以檢測(cè)SGT的拉應(yīng)力承載量。SGT 的設(shè)計(jì)載荷為85 kPa，整個(gè)試驗(yàn)的程序如下：1）設(shè)計(jì)載荷循環(huán) （100% 設(shè)計(jì)載荷）。將玻璃拉到設(shè)計(jì)載荷85 kPa，保持10 s，然后釋放載荷讓其回復(fù)到原始狀態(tài)；在同一位置重復(fù)2次，2次測(cè)試之間的間隔在1 min以上（根據(jù)ASTM E330）；回復(fù)3～5 min后，在同一位置將玻璃拉到設(shè)計(jì)載荷85 kPa，保持60 s，然后釋放載荷讓其回復(fù)到原始狀態(tài)。2）超設(shè)計(jì)載荷循環(huán) （150% 設(shè)計(jì)載荷）。100% 設(shè)計(jì)載荷試驗(yàn)結(jié)束3～5 min后，在同一位置將玻璃拉到150%設(shè)計(jì)載荷（126 kPa），保持60 s，然后釋放載荷讓其回復(fù)到原始狀態(tài)；在測(cè)試進(jìn)行到45 s時(shí)，從背面向測(cè)試粘接區(qū)域吹入滑石粉，這將有助于檢測(cè)玻璃與 SGT之間有無(wú)產(chǎn)生脫膠分離。整個(gè)測(cè)試結(jié)果如下：SGT 仍完整粘貼在玻璃和鋁合金框架上，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)膠帶與玻璃之間有滑石粉的痕跡，沒(méi)有發(fā)生粘接破壞；同時(shí)SGT 本身沒(méi)有撕裂，膠帶無(wú)內(nèi)聚破壞。在應(yīng)用若干年后SGT結(jié)構(gòu)完整性的試驗(yàn)再一次證明了SGT用于玻璃幕墻粘接是一種非?？煽康慕鉀Q方案。

5 結(jié)語(yǔ)

從上世紀(jì)70年代起隨著壓敏膠技術(shù)的成熟化及相關(guān)新技術(shù)新產(chǎn)品的誕生，國(guó)外開(kāi)始將壓敏膠帶產(chǎn)品用于建筑幕墻的結(jié)構(gòu)裝配[5]。本技術(shù)在眾多國(guó)家得到了實(shí)際使用，最早的玻璃幕墻作品已經(jīng)過(guò)24年的實(shí)際使用，并于2009年取得了歐洲ETA的認(rèn)可，另外CDC 在2010年對(duì)于已經(jīng)使用16年的SGT結(jié)構(gòu)完整性的評(píng)估充分證明了該技術(shù)的可行性和可靠性。SGT應(yīng)用技術(shù)在2011年1月順利通過(guò)了住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展中心的科技成果評(píng)估。與目前廣泛使用的硅酮結(jié)構(gòu)膠相比，其突出特點(diǎn)為施工簡(jiǎn)單方便、粘貼迅速、美觀。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)與建筑水平的發(fā)展，這一技術(shù)在中國(guó)的嘗試與推廣將有益于提高我國(guó)幕墻制造水平，為實(shí)現(xiàn)建筑師的創(chuàng)意提供新的手段。

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