摘要 中空玻璃因其獨特的結構而具有優異的節能(néng)效果,現已成為主(zhǔ)要的外圍護結構(gòu)和(hé)外裝飾材料。本文(wén)通(tōng)過分析水蒸氣滲透原理以(yǐ)及滲透(tòu)的途徑,發現密封膠水蒸氣透過率參(cān)數與中空玻璃的失效關係密切,因此結(jié)合JC/T914-2003要求介紹了(le)丁基熱熔密封膠水蒸氣透過率的測(cè)試方法(fǎ),以期為相(xiàng)關企業中空玻(bō)璃密封膠的質量控製提供一定的指導。
關鍵字 中空玻(bō)璃,密封膠,水蒸氣
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Impact of Water Vapor Permeability of Sealant on the Energy Efficiency of Insulating Glass & Testing Method of Water Vapor Permeability of Sealant

Labthink Instruments Co., Ltd

Abstract

Because of its unique structure, the insulating glass is featured with excellent energy efficiency and it has become the main material that is used to construct the building envelope and exterior decoration. This article aims to discuss the correlation between the water vapor transmission rate (WVTR) of the sealant and the performance of insulating glass through the analysis on the water vapor permeation theory. Additionally the testing method of WVTR of butyl hot-melt sealant (conforming to the requirements specified in JC/T914-2003 standard) is introduced in this article, which may provide related enterprises with certain guidance to the quality control of insulating glass.

Keywords

Insulating Glass, Moisture Condensation, Sealant, Water Vapor Transmission Rate (WVTR)

   作為建築的(de)外圍護(hù)結構材料之一,玻璃(lí)隔熱性能最差,是能量流轉的重要通道。據數據統計,冬季采暖條件下經單層玻(bō)璃散失的熱量約占總供熱能量的30%-50%,夏(xià)季空調製(zhì)冷條件下太(tài)陽(yáng)輻射(shè)熱量透過(guò)單(dān)層玻璃而(ér)消耗的冷量約(yuē)占總製冷能量的20%-30%。GB50189《公共建築節能設計(jì)標準》中提出新建建築的外圍護結構應分擔建築(zhù)節能的25%-13%,單層玻璃的節能效果(guǒ)相差較遠,亟需尋找新的替代材料(liào)。

中空玻璃的節能原理

  通常(cháng),能量的(de)傳遞有三種(zhǒng)方式:1、輻射(shè)傳遞(dì),即能量通過射線(xiàn)以(yǐ)輻射的形式進(jìn)行(háng)的傳(chuán)遞;2、對流傳(chuán)遞,依靠流體微團的(de)宏觀運動來傳遞熱量(liàng),如玻璃兩側具有溫度差,冷空(kōng)氣下降熱空(kōng)氣上升,產生空(kōng)氣的對流,而造(zào)成能量的流失;3、熱傳導(dǎo)傳遞,依靠(kào)物質分子或原子的移動傳遞(dì)熱量。在玻璃(lí)的能量傳遞過程中,熱傳導傳遞和(hé)輻射傳遞所占(zhàn)比例(lì)最大,約為總能量(liàng)的97%,因此,減少能量傳遞的最佳辦法是增強玻璃(lí)的輻射阻隔能力或者降(jiàng)低玻璃整體係統的傳(chuán)熱係數(傳熱係數K是指在穩定傳熱條件下,玻璃兩側空氣溫度差為1℃時,單位時間內通過(guò)1平方米玻璃的傳(chuán)熱量,單位為W/(m2·K))。

  中空玻(bō)璃是指(zhǐ)兩塊或多塊玻璃板之間,由間隔體、密封膠(jiāo)、幹燥劑分隔為一個密閉、充斥空(kōng)氣的單元,具體結構如圖1所示(shì)。這種結(jié)構最大的優勢在於(yú)氣體間(jiān)隔層的隔熱作用。玻璃自身的導熱係(xì)數為0.77 W/(m·K),空氣的導(dǎo)熱係數是0.024W/(m·K)[1],僅為玻璃的3.12%,由(yóu)此構成的中空玻璃整體傳熱係數約為(wéi)2.7 W/(m2·K),較單層玻璃5.4~5.8 W/(m2·K)降低了53.45%,熱阻增(zēng)加,從而降低了熱傳導速率。

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圖1 中空玻(bō)璃結構(gòu)圖(tú)

中空玻璃的失效的原因(yīn)

  根(gēn)據對(duì)使用過(guò)程中失效的中空(kōng)玻璃調查發(fā)現,失效原因基本分為(wéi)兩類:一(yī)是中空玻璃層間結露導(dǎo)致,占總體失效數量的63%;二是中空玻璃發生炸(zhà)裂,約占26%[2]。前者原因相對集中,因(yīn)此下文將重點對結露產生的原因進行(háng)分析。露點是指空氣(qì)濕度達到飽和狀態的溫度,其與空氣濕度和含水量呈一一對應(yīng)關係。當中空玻璃空氣層中的水蒸氣含量增加(jiā),相應的露點(diǎn)上升,中空玻璃表麵的溫度更容易達到或低於空氣層(céng)的露點溫度,此時空氣層中的水(shuǐ)蒸氣便會凝結(jié)為液態水附著在玻璃內表麵,使(shǐ)玻璃的透明度降低。由(yóu)於(yú)水的導熱係數為0.6265 W/(m·K),與空氣(qì)混合後加速了中空玻璃整體的熱(rè)傳導效果,進而造成中空玻璃的失效。因此降低水蒸氣的滲透是減少中空玻(bō)璃失效的根本問題(tí)。

水蒸氣(qì)的滲透(tòu)原理和途(tú)徑

  水蒸氣的滲透是一個吸附、溶解、擴散、解吸的過程,在材料的一側——水蒸氣高濃度側,水蒸氣大量吸附在材料表麵,經過溶解進(jìn)入材料內部,逐漸擴散從材料另一(yī)側解吸而出,融入(rù)水蒸氣低濃度側,如圖2所示。縱觀整個過程可以看出,影響水蒸氣滲透的因素(sù)主要是材料的厚度、材料兩側的(de)水蒸氣壓差以及材料(liào)自身的水蒸氣透過率。

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圖2 水蒸氣滲透原(yuán)理

  觀察圖1中空玻璃結構圖(tú)發現,玻璃、鋁管間隔體、幹燥(zào)劑和密封膠(jiāo)共同形成空氣密封層,由於玻(bō)璃和鋁管自身的水蒸氣滲透率非常低,而幹燥劑又起著吸收水蒸氣的作用,因此造成空氣層(céng)大量的(de)水蒸氣滲透極有(yǒu)可能是密封膠出了問題。密封膠(jiāo)是組成中空玻璃的(de)一種重(chóng)要材料,一方麵(miàn)發揮著粘結作用,保持玻璃層間的穩定結構,另一方麵利用自身較低的水蒸氣透(tòu)過率阻隔(gé)水蒸氣的滲透,從而利(lì)於中空玻璃長期節能效果的保(bǎo)持。然而密封(fēng)膠(jiāo)屬高分子聚合(hé)物,種(zhǒng)類(lèi)不同其性能也有差異,比如丁基熱熔膠的水蒸氣透過率最小但粘(zhān)結性(xìng)較差[3],而矽酮密封膠則與之相反。如何(hé)從眾多膠材中選擇具有“合適”水蒸氣透過率的密封膠是現今生產者非(fēi)常關注的(de)問題。另外,由於國內優質膠材和技術工(gōng)藝的限製,部分規模較小(xiǎo)的(de)生產企業為降低(dī)成(chéng)本,或(huò)多或少在原料中加入其他替代材料,使(shǐ)得密封膠的水蒸氣透過(guò)率(lǜ)大大增加,縮短了(le)中空玻璃(lí)的使用壽(shòu)命(mìng)。對於以上兩點,現代(dài)中空玻璃製造企業在(zài)選用密封膠的時候需要更加重視對膠材水蒸氣透(tòu)過率的嚴格檢測,接下(xià)來筆者(zhě)將以丁基熱熔密封膠為例,介紹膠(jiāo)材的(de)水蒸氣透過(guò)率測試方法。

丁基熱熔密封膠水蒸氣透過率測(cè)試

  JC/T914-2003 《中空(kōng)玻璃用丁基熱熔密封膠》是關於丁基熱熔膠的(de)要求、試驗方法、檢驗規則等各方麵的建(jiàn)材行(háng)業標準,其中第四條規定了丁基熱熔密封膠的水蒸氣透過率需參照GB/T 1037 采用杯(bēi)式法(稱重法)進行測試。杯式法(稱重法)要求(qiú)在規定的(de)溫度條件下,放置在透(tòu)濕杯中的試樣兩(liǎng)側保持一定的水蒸氣(qì)壓差,然後利用(yòng)稱重傳感(gǎn)器或分析天平把透濕杯的重量變化“稱”出來,再根據試樣的麵積、厚度、稱量間隔時間以及試樣兩側的濕度差計算出材料的透濕性能參數。由於(yú)其特(tè)征測試(shì)元件是透濕杯,所(suǒ)以又叫杯式法(Cup Method)。

  從上述原理可(kě)以看出,它隻要求在試樣兩側保持一定的相對濕度差作為(wéi)測試條件,但(dàn)是並沒有規定試樣哪一側為高濕區和低濕區,因此根據兩區位置不(bú)同,該方(fāng)法又分為增重測試和減重測試。增重測試所用(yòng)透濕杯中放有幹燥劑來保持試樣一側為0%RH,另一側暴露在90%RH的恒濕箱中,隨著水蒸氣在恒定(dìng)壓(yā)差作用下透過試樣進入低濕測被幹燥劑吸收,導致透濕杯重量變化。然而,在幹燥劑(jì)不斷吸收水蒸氣的過程中,是否能始終保證低濕側(cè)為0%RH、保持兩側壓力(lì)恒定,是測試者非常難以把(bǎ)握的(de),而這對試驗(yàn)結果也會產生較大的影響。相比之下,減重法透濕杯內盛有蒸(zhēng)餾水或是飽和鹽溶液,可認為透濕杯內(nèi)部為100%RH,試樣另(lìng)一(yī)側采用幹燥的氣(qì)流持(chí)續吹掃(sǎo),使兩側壓力恒定。這種幹燥控製便於(yú)在(zài)不破壞試驗(yàn)過程的前提下穩定的(de)進(jìn)行,因而測試結果的穩定性更佳。

  於(yú)是筆者參(cān)考標準的要求(qiú),借助W3/060水蒸氣透過率測試儀器對丁基熱熔膠進行了減重法水蒸氣透過率測試(shì),過程如下:

  取3個厚度為2mm±0.2mm,圓形直徑74mm,同(tóng)材質、細膩、無可見顆粒的均質丁基熱熔(róng)膠在溫度(dù)23±2℃、相對濕度50±5%RH的環境條件下,至少放置12h,以保證試樣(yàng)達到溫濕度的平衡,如圖3。往透(tòu)濕杯中加水(shuǐ)至杯槽高度的2/3,如圖4,將3個試樣分別(bié)裝夾(jiá)在相(xiàng)應透濕(shī)杯中,密封後平穩的移放至儀(yí)器內部圓形托盤的三個工位上,如圖5。儀器自動控製試樣兩側的濕度差在90%RH,水蒸氣側透(tòu)過試樣進入低濕度一側,通過(guò)測定透濕杯的重量隨時間的變化從(cóng)而求(qiú)出試樣的水蒸氣透過率,最終取3項數據的平均值,相關結果見表1。經與JC/T914-2003中標準指標的對比,本測試結果符合要求,在(zài)實際應(yīng)用中該丁基熱熔膠可以為中空玻璃整體提供良好的水蒸氣阻隔作用。

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圖3 丁基熱熔膠試樣

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圖4 透濕杯注水
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 圖5 置入儀(yí)器中進行測(cè)試

 

試樣

測試-水蒸(zhēng)氣透過率g/(m2·24h)

標準-水蒸氣(qì)透過率g/(m2·24h)

丁基熱熔膠

0.0609

1.1

表1 水蒸氣透過率測試結果與標準要求對比

總結

  中空玻璃因其獨特的結構而具有優異的節能效果,現已成為(wéi)主要(yào)的外圍護(hù)結構和(hé)外裝飾材料。日常使用中,中空玻璃暴露在(zài)多種環境因素下,如水蒸氣、溫度、大氣壓力、風(fēng)壓等等,這些都會(huì)導致中空玻(bō)璃節能(néng)失效,其中,水蒸(zhēng)氣滲透密(mì)封膠進入密封空氣層破壞整體的隔熱性發生的最為頻繁。本文通過分析水蒸氣滲透原理以及滲透的途(tú)徑,發現(xiàn)密封膠水蒸氣透過率(lǜ)參數與中空玻璃的失效關係密(mì)切(qiē),建(jiàn)議充分利用現代化測試儀器對膠材的水蒸氣透過性(xìng)能進行數字化評估(gū),以減少中空玻璃因密封膠水蒸氣滲透導致的企業與消費者損失。

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