密封膠水蒸氣滲透性對中空玻璃節能效果的影響分析及測試方法概述

濟南蘭光機電技術有限公司

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)

 　　作為建築的外圍護結構材料之一，玻璃隔熱性能最差，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璃散失的熱量約佔總供熱能量的30%-50%，夏季空調制冷條件下太陽輻射熱量透過單層玻璃而消耗的冷量約佔總制冷能量的20%-30%。GB50189《公共建築節能設計標准》中提出新建建築的外圍護結構應分擔建築節能的25%-13%，單層玻璃的節能效果相差較遠，亟需尋找新的替代材料。

中空玻璃的節能原理

　　通常，能量的傳遞有三種方式：1、輻射傳遞，即能量通過射線以輻射的形式進行的傳遞；2、對流傳遞，依靠流體微團的宏觀運動來傳遞熱量，如玻璃兩側具有溫度差，冷空氣下降熱空氣上昇，產生空氣的對流，而造成能量的流失；3、熱傳導傳遞，依靠物質分子或原子的移動傳遞熱量。在玻璃的能量傳遞過程中，熱傳導傳遞和輻射傳遞所佔比例最大，約為總能量的97%，因此，減少能量傳遞的最佳辦法是增強玻璃的輻射阻隔能力或者降低玻璃整體系統的傳熱系數（傳熱系數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1平方米玻璃的傳熱量，單位為W/(m²·K)）。

　　中空玻璃是指兩塊或多塊玻璃板之間，由間隔體、密封膠、乾燥劑分隔為一個密閉、充斥空氣的單元，具體結構如圖1所示。這種結構最大的優勢在於氣體間隔層的隔熱作用。玻璃自身的導熱系數為0.77 W/(m·K)，空氣的導熱系數是0.024W/(m·K)^[1]，僅為玻璃的3.12%，由此構成的中空玻璃整體傳熱系數約為2.7 W/(m²·K)，較單層玻璃5.4~5.8 W/(m²·K)降低了53.45%，熱阻增加，從而降低了熱傳導速率。

圖1 中空玻璃結構圖

中空玻璃的失效的原因

　　根據對使用過程中失效的中空玻璃調查發現，失效原因基本分為兩類：一是中空玻璃層間結露導致，佔總體失效數量的63%；二是中空玻璃發生炸裂，約佔26%^[2]。前者原因相對集中，因此下文將重點對結露產生的原因進行分析。露點是指空氣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關系。當中空玻璃空氣層中的水蒸氣含量增加，相應的露點上昇，中空玻璃表面的溫度更容易達到或低於空氣層的露點溫度，此時空氣層中的水蒸氣便會凝結為液態水附著在玻璃內表面，使玻璃的透明度降低。由於水的導熱系數為0.6265 W/(m·K)，與空氣混合後加速了中空玻璃整體的熱傳導效果，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璃失效的根本問題。

水蒸氣的滲透原理和途徑

　　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面，經過溶解進入材料內部，逐漸擴散從材料另一側解吸而出，融入水蒸氣低濃度側，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主要是材料的厚度、材料兩側的水蒸氣壓差以及材料自身的水蒸氣透過率。

圖2 水蒸氣滲透原理

　　觀察圖1中空玻璃結構圖發現，玻璃、鋁管間隔體、乾燥劑和密封膠共同形成空氣密封層，由於玻璃和鋁管自身的水蒸氣滲透率非常低，而乾燥劑又起著吸收水蒸氣的作用，因此造成空氣層大量的水蒸氣滲透極有可能是密封膠出了問題。密封膠是組成中空玻璃的一種重要材料，一方面發揮著粘結作用，保持玻璃層間的穩定結構，另一方面利用自身較低的水蒸氣透過率阻隔水蒸氣的滲透，從而利於中空玻璃長期節能效果的保持。然而密封膠屬高分子聚合物，種類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結性較差^[3]，而硅酮密封膠則與之相反。如何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常關注的問題。另外，由於國內優質膠材和技術工藝的限制，部分規模較小的生產企業為降低成本，或多或少在原料中加入其他替代材料，使得密封膠的水蒸氣透過率大大增加，縮短了中空玻璃的使用壽命。對於以上兩點，現代中空玻璃制造企業在選用密封膠的時候需要更加重視對膠材水蒸氣透過率的嚴格檢測，接下來筆者將以丁基熱熔密封膠為例，介紹膠材的水蒸氣透過率測試方法。

丁基熱熔密封膠水蒸氣透過率測試

　　JC/T914-2003 《中空玻璃用丁基熱熔密封膠》是關於丁基熱熔膠的要求、試驗方法、檢驗規則等各方面的建材行業標准，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 采用杯式法（稱重法）進行測試。杯式法（稱重法）要求在規定的溫度條件下，放置在透濕杯中的試樣兩側保持一定的水蒸氣壓差，然後利用稱重傳感器或分析天平把透濕杯的重量變化“稱”出來，再根據試樣的面積、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。由於其特征測試元件是透濕杯，所以又叫杯式法（Cup Method）。

　　從上述原理可以看出，它只要求在試樣兩側保持一定的相對濕度差作為測試條件，但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同，該方法又分為增重測試和減重測試。增重測試所用透濕杯中放有乾燥劑來保持試樣一側為0%RH，另一側暴露在90%RH的恆濕箱中，隨著水蒸氣在恆定壓差作用下透過試樣進入低濕測被乾燥劑吸收，導致透濕杯重量變化。然而，在乾燥劑不斷吸收水蒸氣的過程中，是否能始終保證低濕側為0%RH、保持兩側壓力恆定，是測試者非常難以把握的，而這對試驗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餾水或是飽和鹽溶液，可認為透濕杯內部為100％RH，試樣另一側采用乾燥的氣流持續吹掃，使兩側壓力恆定。這種乾燥控制便於在不破壞試驗過程的前提下穩定的進行，因而測試結果的穩定性更佳。

　　於是筆者參考標准的要求，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，過程如下：

　　取3個厚度為2mm±0.2mm，圓形直徑74mm，同材質、細膩、無可見顆粒的均質丁基熱熔膠在溫度23±2℃、相對濕度50±5%RH的環境條件下，至少放置12h，以保證試樣達到溫濕度的平衡,如圖3。往透濕杯中加水至杯槽高度的2/3，如圖4，將3個試樣分別裝夾在相應透濕杯中，密封後平穩的移放至儀器內部圓形托盤的三個工位上，如圖5。儀器自動控制試樣兩側的濕度差在90%RH，水蒸氣側透過試樣進入低濕度一側，通過測定透濕杯的重量隨時間的變化從而求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中標准指標的對比，本測試結果符合要求，在實際應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。

圖3 丁基熱熔膠試樣

圖4 透濕杯注水

 圖5 置入儀器中進行測試

表1 水蒸氣透過率測試結果與標准要求對比

總結

　　中空玻璃因其獨特的結構而具有優異的節能效果，現已成為主要的外圍護結構和外裝飾材料。日常使用中，中空玻璃暴露在多種環境因素下，如水蒸氣、溫度、大氣壓力、風壓等等，這些都會導致中空玻璃節能失效，其中，水蒸氣滲透密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徑，發現密封膠水蒸氣透過率參數與中空玻璃的失效關系密切，建議充分利用現代化測試儀器對膠材的水蒸氣透過性能進行數字化評估，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。

參考文獻：

[1]郝曼.中空玻璃節能性能影響因素分析.門窗,2010,(6):22-24.

[2]林穎哲.玻璃幕牆中空玻璃密封單元的性能及其失效控制.福建建設科技,2003,(2):51-53.

[3]徐餘偉.中空玻璃的密封於密封膠選擇.門窗,2008,(11):16-20.