防水透氣膜水蒸氣透過性能和不透水性在應對建築結露問題的功用及性能測試

The Function of Waterproof and Breathable Films to Solve Condensation Problems of Construction and Its Performance Test

摘要：在建築領域中，水和水汽是威脅建築安全的重要因素。防水透氣膜憑借其獨特的微孔結構，在建築圍護結構中發揮了優異的水蒸氣透過和防水功用，具有良好市場發展潛力。本文從結露現象的本質入手分析了防水透氣膜在應對建築結露問題的作用機制，並從試驗測試和生產工藝的角度提出了防水透氣膜的性能控制要點。

The article aims at explaining the function of waterproof and breathable films to solve condensation problems of constructions, by analyzing the essence of condensation phenomenon.
It also points out performance control factors of waterproof and breathable films from the angle of test and production processes.

關鍵詞：防水透氣膜、結露、水蒸氣透過性能、不透水性

作者：濟南蘭光機電技術有限公司

　　中國地域廣袤，氣候的地區差異性明顯，嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖、溫和等多樣化氣候特征對當地建築的圍護結構形成了嚴峻的考驗，其中因水分因素而導致建築圍護結構出現結露現象是最為普遍的建築難題。

結露現象分析

　　根據熱力學原理，在一定溫度下，濕空氣中水蒸氣分壓Pv達到該溫度下飽和水蒸氣分壓Pvb時，水蒸氣會釋放熱量凝結成水，結露條件如下所示：

Pv ≥ Pvb

　　由於某一飽和溫度（空氣露點）對應的飽和水蒸氣分壓為定值，所以一定飽和溫度下結露現象的發生取決於濕空氣中水分含量，其比重越大，相應的水蒸氣分壓越高，則上述結露條件更容易滿足。另一方面，當濕空氣中水分含量不變，即水蒸氣分壓不變時，空氣溫度逐漸降低到與之對應的飽和水蒸氣分壓等同於現實水蒸氣分壓時，同樣會產生結露現象。

　　在建築領域中，水和水汽是威脅建築安全的重要因素。建築發展初期，外部雨水滲透是建築防水系統重點防治對象，傳統方式是將一層不透氣的防水層覆於保溫層之外。這種做法雖將雨水阻隔在建築之外，同樣也將來自室內的水蒸氣“堵”在保溫層中，使其無法有效排出。這是因為室內溫度和濕度普遍高於室外，室內水蒸氣透過實體牆滲透至保溫層中，遇冷在防水層內側凝結成露，日積月累致使保溫層受潮，損害其保溫性和耐久性。隨著對室內水蒸氣防治要求的愈加嚴格和防水技術的提昇，防水需求和透氣需求的矛盾日漸突出，一種新型的兼顧防水和透氣功能的高分子膜在20世紀中期的美國建築業開始應用，開啟了“可呼吸式”防水系統的新應用。

防水透氣膜水蒸氣透過性能和不透水性在應對結露問題的應用及功效

　　防水透氣膜是一種高分子防水材料，分為微孔膜、親水性膜和微孔親水性膜三類，建築用防水透氣膜一般采用微孔膜，主要通過對聚合物、填料、助劑等原料進行混合、熱成型和拉伸工藝制成，拉伸時聚合物基體與填料粒子相互分離，在周圍形成相互連通的直徑約1μm左右的微孔或通道。由於水滴的最小直徑約為20μm左右，而水蒸氣的直徑僅為0.0004μm，因此這些微孔既促進了水蒸氣的通過同時又阻止了水滴的滲入。

　　以建築外牆為例，通常外牆結構如圖1所示。此結構的防水重點主要來自三個方面：外立面滲透的水滴、保溫層自身中蘊含的水汽以及透過實體牆縫隙滲透入保溫層的水汽。通過在保溫層外側覆蓋防水透氣膜，其優異的水蒸氣透過性能和不透水性一方面保證建築內部潮氣順利排出，另一方面阻擋外部雨水侵入和水蒸氣結露返滲入保溫層，從而保障保溫層和建築結構的長久有效性。通過對上述因素的控制，能耗亦將被降低。研究表明，建築的能耗與建築的水密性和氣密性密切相關，而防水透氣膜技術減少了結露對保溫層有效熱阻值的影響，在一定程度上節約了建築能耗。據試驗對比，采用防水透氣膜作為保溫層包覆系統的建築比未使用的建築供熱和制冷能量費用節約率最多可達40%左右。

圖1.防水透氣膜外牆應用示意

防水透氣膜水蒸氣透過性能和不透水性測試

　　防水透氣膜獨特的選擇性透過在應對建築結露方面發揮了顯著功效，但是，這種功效卻依賴於膜材的水蒸氣透過性能和不透水性兩項指標的均衡性。由於建築用防水透氣膜大多為微孔膜，微孔孔徑決定著膜材上述兩項性能的均衡，孔徑過大，水蒸氣透過量上昇，不透水性相應下降，反之亦然，所以尋求二者最佳平衡參數纔能有效應對結露現象的影響。

　　《建築外牆防水防護技術規程》中明確規定建築防水透氣膜水蒸氣透過量和不透水性分別按GB/T1037 B法和GB/T328.10 A法進行測試。GB/T1037是采用杯式法測試塑料薄膜、片材透水蒸氣性（圖2），即在一定的溫度下，使防水透氣膜試樣的兩側形成一特定的濕度差，水蒸氣透過試樣進入乾燥的一側，通過測定透濕杯重量隨時間的變化量，而計算出試樣的水蒸氣透過率等參數。在現代技術的引導下，具有高精度稱重傳感器的水蒸氣透過率測試儀逐漸取代了傳統受人工因素影響較大的分析天平等測量儀器，將溫濕度控制技術與稱重技術聯合設計並配合計算機控制技術，實現了試驗的自動化測量，結果更加精確（圖3）。

圖2.水蒸氣透過性能測試方法之杯式法滲透原理圖

 
圖3.水蒸氣透過測試儀器內部測試裝置示意圖

 　　GB/T328第10部分《建築防水卷材試驗方法：瀝青和高分子防水卷材不透水性》從試驗原理、儀器設備、試樣制備及試驗步驟等方面對高分子防水卷材的不透水性，即耐積水性和表面承壓性測試做了詳細規定，其中A法適用於卷材低壓力的使用場合。針對防水透氣膜的不透水性測試方法，首先制取直徑為（200±2）mm的圓形試樣，將暴露於大氣或水的表面作為迎水面朝下置於圖4低壓力不透水裝置2的指示位置，而後將濕氣指示混合物、濾紙、玻璃板按圖示順序裝夾牢固。打開入水閥7的同時打開排氣閥6，直至容器水滿溢出，關閉閥8。接著在0-60KPa的范圍內調整13水壓控制裝置至試驗要求壓力並保持(24土1) h，最終通過觀察濾紙是否變色來判斷被測試樣的不透水性是否合格。

圖4. 低壓力不透水裝置

1試樣迎水面；2實驗室用濾紙；3濕氣指示混合物，均勻鋪在濾紙上，濕氣透過試樣容易探測到；4實驗室用濾紙；5圓的普通玻璃板；6排氣閥；7進水閥；8補水排水閥；9提供和控制水壓到60KPa的裝置。

　　當然，僅獲取防水透氣膜的水蒸氣透過性能和不透水性相關數據仍是不夠的，如何判斷兩方性能的平衡纔是應對結露問題的關鍵所在。所以根據實際測試的需求，采用防水透氣膜防結露試驗是驗證其水蒸氣透過性能和不透水性是否彼此均衡的重要途徑。由於我國尚未制定防水透氣膜防結露的試驗方法標准，目前可參照日本標准JISA6111:2004 中防結露試驗方法進行測試。

防水透氣膜水蒸氣透過性能和不透水性的控制方法

　　據防水透氣膜成孔機理，膜材的水蒸氣透過性能和不透水性基本上取決於孔徑的大小，而孔徑大小與生產原料和工藝密切相關，如填料粒徑、填料量、拉伸率等因素，因此在生產防水透氣膜時，建議可從以下方面控制其孔徑，以間接調整其水蒸氣透過性能和不透水性。

1、合理的填料粒徑。粒徑過大，易使填料在聚合物基體中引起應力，並使基體產生不連續相；粒徑過小，則易成塊，使填料無法均勻分布。因此填料粒徑應控制在一個合理的范圍內，如0.1~100μm之間。

2、科學的填料量。若填料量低於一定量，則易形成過大的微孔孔徑，反之，將會破壞聚合物的基體連續性。

3、適宜的拉伸率。拉伸率過低，形成的微孔數太少，無法達到要求的水蒸氣透過量；若拉伸率過大，將會產生過大孔徑的孔隙，不再屬於微孔的范圍。

　　防水透氣膜憑借其獨特的微孔結構，在建築圍護結構中發揮了優異的水蒸氣透過和防水功用，在一定程度上有效解決了結露現象對建築熱工性能和能耗的破壞作用，具有良好市場發展潛力。本文通過對防水透氣膜的水蒸氣透過性能和不透水性測試方法的論述，以期幫助生產科研企業進一步加強產品性能控制，促進防水透氣膜在更廣闊的領域得到應用。