耐濕和耐輻照老化對夾層玻璃界面粘結(jié)性能及殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度的影響

萬德田 包亦望 劉小根 王秀芳

（綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024）

夾層玻璃由一層玻璃與一層或多層玻璃、塑料材料夾中間聚乙烯醇縮丁醛膠合層（Polyvinyl Butyral，PVB膠片）而成的玻璃制品[1]，具有耐光、耐熱、抗沖擊強(qiáng)度高等特點(diǎn)。夾層玻璃在外力作用下可能破碎，但碎片仍黏附在中間層膠片上，保持為整體，沒有碎片飛濺。與傳統(tǒng)的普通玻璃相比，夾層玻璃在安全、保安防護(hù)、隔音及防輻射等方面有著不可比擬的優(yōu)良性能。正是由于其良好的安全可靠性能，夾層玻璃主要應(yīng)用于汽車、火車、輪船、飛機(jī)等運(yùn)輸工具，在現(xiàn)代高層玻璃幕墻和光伏玻璃產(chǎn)業(yè)中都得到了廣泛的使用[2-7]。對于夾層玻璃的使役性能來說，玻璃與PVB膠合層的界面粘結(jié)性能的好壞直接關(guān)系到夾層玻璃的安全可靠性。一般來說，在玻璃和膠合層厚度固定的條件下，玻璃與PVB膠合層的粘結(jié)越牢固，夾層玻璃的力學(xué)性能越好，尤其是抗沖擊性能和抗風(fēng)壓性能[2,8-10]。

夾層玻璃是典型的有機(jī)-無機(jī)相結(jié)合的材料，其設(shè)計(jì)壽命一般為25年，在大氣環(huán)境中服役一段時間后，必然會出現(xiàn)腐蝕老化的現(xiàn)象。通常玻璃的抗老化性能非常優(yōu)異，基本上可以滿足設(shè)計(jì)要求。然而中間層PVB膠片屬于有機(jī)材料，在大氣環(huán)境中容易受到氣候環(huán)境水蒸氣和太陽光紫外線的侵蝕而發(fā)生老化。一旦服役過程中的夾層玻璃發(fā)生了老化，玻璃與PVB膠的粘結(jié)性能和抗風(fēng)壓性能必然會降低，從而造成安全隱患。我國現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)在考察夾層玻璃耐濕老化和耐輻照老化性能時[11,12]，在老化實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，僅目視檢查試驗(yàn)前后試樣的外觀變化，即PVB膠與玻璃之間是否存在氣泡或有脫膠現(xiàn)象，這種方法只能定性判斷夾層玻璃老化失效程度，而且通常只考察一個周期的老化形態(tài)，很難反映出夾層玻璃的性能衰減特征。玻璃幕墻抗風(fēng)壓性能是評價幕墻玻璃最重要的性能之一，尤其是在我國沿海周邊城市，還需要考慮短時颶風(fēng)的破壞。為此，我國制定了相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)JC/T 677-1997來評價建筑玻璃抗風(fēng)壓能力。通常是將出口風(fēng)壓設(shè)定成某一門檻值，考慮玻璃能否承受而判斷玻璃產(chǎn)品是否合格[12]。這種方法一方面只能對剛出廠的夾層玻璃進(jìn)行檢測，而且需要的樣品尺寸比較大，另一方面對于都合格的樣品不能進(jìn)一步比較其性能優(yōu)劣,不能給出一個定量的評定結(jié)果。如何評價夾層玻璃在出現(xiàn)老化現(xiàn)象之后的抗風(fēng)壓殘余強(qiáng)度，在國內(nèi)外還是一片空白，沒有任何其他的測試方法和標(biāo)準(zhǔn)可供參考。

圖1 十字交叉樣品示意圖

如果能檢測出夾層玻璃在不同老化時間的界面強(qiáng)度和殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度，則可以定量確定夾層玻璃的界面強(qiáng)度衰減速率和殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度速率，然后根據(jù)強(qiáng)度衰減模型確定其在某特定環(huán)境下應(yīng)用過程中的壽命和可靠性。但是到目前為止沒有一種現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)或評價方法可以準(zhǔn)確評價玻璃與PVB膠的粘結(jié)強(qiáng)度和殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度。如何能準(zhǔn)確快速定量評價夾層玻璃中玻璃與PVB膠合層的界面粘結(jié)強(qiáng)度和殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度以及夾層玻璃在老化后性能衰減程度，基本還是空白，未見有任何相關(guān)的材料報道。

十字交叉法最早應(yīng)用于測量陶瓷界面粘結(jié)強(qiáng)度，通過一個簡單的壓縮載荷可以在界面處獲得均勻的拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，利用界面開裂時所對應(yīng)的臨界載荷和粘結(jié)面積就可以同時獲得界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和剪切粘結(jié)強(qiáng)度[13]。本文擬采用十字交叉法和充氣加壓法分別測量PVB膠與玻璃之間的界面粘結(jié)性能及殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度。利用自行設(shè)計(jì)的特定夾具，研究了耐濕老化和耐輻照老化對PVB膠與玻璃界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度及殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度的影響，從而提供一種能定量評價夾層玻璃PVB膠與玻璃之間界面粘結(jié)性能以及評價PVB膠經(jīng)耐濕老化和耐輻照老化后的程度、老化后界面性能和殘余壽命的方法。其研究結(jié)果可以為夾層玻璃的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供可供參考的數(shù)據(jù)，對于保證夾層玻璃的安全使用和提高其安全可靠性，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)中玻璃樣品尺寸為120×20×20mm3。使用前，先將樣品表面進(jìn)行打磨拋光至鏡面，然后用丙酮清洗干凈。實(shí)驗(yàn)中所采用的商用PVB膠片厚度為0.76mm，將其裁剪成截面為20×20mm2的薄片。將PVB膠片夾在兩片玻璃之間，玻璃呈十字交叉形狀放置，利用膠帶把十字交叉樣品固定。圖1為十字交叉樣品的示意圖。在本實(shí)驗(yàn)中，中間PVB層的厚度為1層PVB膠片調(diào)節(jié)最終實(shí)驗(yàn)樣品。在準(zhǔn)備好十字交叉樣品后，將試驗(yàn)樣品放入真空袋中進(jìn)行抽真空處理，排除樣品中的空氣，然后放入氣體高壓釜中，在120oC和12個大氣壓的條件下進(jìn)行熱等靜壓處理，最后以某一特定的速率冷卻至室溫，得到界面結(jié)合完好的十字交叉樣品。在測量界面粘結(jié)強(qiáng)度前，去除玻璃表面用于固定十字交叉樣品的膠帶，用游標(biāo)卡尺測量中間PVB膠片層的實(shí)際厚度。為了研究輻照對夾層玻璃的抗風(fēng)壓性能的影響，采用商用2+0.76+2mm的汽車夾層玻璃為研究對象，將其切割成300×300mm2的樣品備用。

圖2 十字交叉法測量界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度(a)和剪切粘結(jié)強(qiáng)度(b)

1.2 試驗(yàn)方法

圖2為設(shè)計(jì)的夾具和十字交叉樣品加載示意圖。通過對十字交叉試樣施加壓力可以在界面處產(chǎn)生均勻拉伸（圖2(a)）或剪切應(yīng)力(圖2(b))，從而導(dǎo)致界面分開。將十字交叉試樣以兩個不同放置方式固定好后再施加載荷，可分別得到界面拉伸和剪切粘結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)以某一恒定的位移速率加載，采用界面脫粘時對應(yīng)的載荷值和粘結(jié)面積計(jì)算拉伸和剪切粘結(jié)強(qiáng)度。計(jì)算原理式如下，

其中Pc為拉伸或剪切加載過程中界面脫開時所對應(yīng)的臨界載荷，為界面粘結(jié)面積。

測量拉伸粘結(jié)強(qiáng)度時，如圖2(a)所示在夾具中擺放試樣，保證十字交叉試樣可以無任何摩擦地放入夾具中。上壓頭的底面粘接一塊軟膠帶，保證壓頭和試樣之間的均勻接觸。壓頭寬度必須與試樣寬度相同，壓頭下表面與試樣的受壓面保持平行。然后以某一設(shè)定的速率施加載荷直至界面斷開，記錄下界面脫粘時的最大載荷值。如圖2(b)所示，測量剪切粘結(jié)強(qiáng)度時,在豎直樣品的頂部固定一塊軟膠帶，保證壓頭和試樣之間的均勻接觸。以某一速率施加載荷直至界面斷開，記錄下界面脫粘開時的最大載荷值。在試驗(yàn)過程中為了研究加載速度對測量PVB膠與玻璃界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響，加載速度分別為0.5,1、5和10mm/min。

為了模擬和研究夾層玻璃耐濕老化性能以及耐濕老化時間對PVB膠與玻璃之間粘結(jié)強(qiáng)度的影響，按照國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[11]，先將十字交叉樣品放置在耐濕老化試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，設(shè)定溫度為50±2oC，相對濕度為95±4%，一個周期的靜置時間為336小時。在本實(shí)驗(yàn)中還研究了耐濕老化時間對PVB膠與玻璃界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響，將十字交叉樣品分別老化15，30和60天（即1，2和4個周期），然后分別測量其界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。為了研究汽車夾層玻璃耐輻照老化性能以及耐輻照老化時間對殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度的影響，根據(jù)我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[12]，將汽車玻璃樣品放在紫外線輻照老化實(shí)驗(yàn)機(jī)中靜置100h和200h，然后測量其抗風(fēng)壓強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)一套測試風(fēng)壓載荷下夾層玻璃殘余老化強(qiáng)度的裝置，如圖3所示。將試驗(yàn)樣品固定在一個密封腔中，采用空壓機(jī)向密封腔中充氣，充氣的速度可調(diào)。逐漸向密封腔中充氣加壓至樣品炸裂，利用一個可以存儲最大峰值的數(shù)顯壓力表隨時記錄腔內(nèi)的壓力，待樣品破碎之后記錄下最大峰值壓力，利用高速攝象機(jī)將夾層玻璃玻璃破壞的全過程記錄下來，研究破裂斷裂源和破壞模式。利用壓力表記錄下的最大峰值壓力即為夾層玻璃老化殘余強(qiáng)度。由于密封腔中氣體對玻璃樣品施加的作用力可認(rèn)為為均布應(yīng)力，所以可以用來模擬均布風(fēng)壓載荷。當(dāng)氣壓值超過夾層玻璃承受能力時，夾層玻璃就會破裂，此時對應(yīng)的最大壓力值即為其殘余強(qiáng)度。

圖3 夾層玻璃老化后抗風(fēng)壓殘余強(qiáng)度示意圖

圖4 加載速度對界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響，中間PVB膠層厚度為0.64 mm

圖5 耐濕老化時間對拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響

2 結(jié)果與討論

圖4是不同加載速率下測量所得的PVB膠片和玻璃的界面粘結(jié)強(qiáng)度，加載速率分別為0.5mm/min、1mm/min和5mm/min。從圖中可以看出，粘結(jié)強(qiáng)度隨著加載速率的增加而增大。當(dāng)加載速率為5mm/min時，其粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值，為11.49 MPa。由于夾層玻璃中PVB膠片屬于柔性材料，加載速度對界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和剪切粘結(jié)強(qiáng)度的測量都會有重要的影響。如果加載速度過小，PVB膠與玻璃界面脫粘時呈逐漸撕裂形態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果將偏小。如果加載速率過大(如10mm/min)，通常萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)的力傳感器采集數(shù)據(jù)頻率較低，很難準(zhǔn)確測量其峰值力，使得測量結(jié)果不可靠（僅為2.1MPa）,遠(yuǎn)低于真實(shí)值[14]。此外，加載速率過大時對樣品施加載荷類似于沖擊載荷，很難真實(shí)表征樣品在靜載作用下的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加載速度為5 mm/min時，從加載曲線上可以看出整個試驗(yàn)過程控制在90s之內(nèi)，PVB膠與玻璃的界面拉伸強(qiáng)度和剪切粘結(jié)強(qiáng)度最為合適[15]。因此，測試PVB膠與玻璃之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度時的加載速度選擇5 mm/min比較合適。

在溫度為50±2oC，濕度為95±4%的環(huán)境下對十字交叉樣品分別進(jìn)行了15天，30天和60天的老化耐濕實(shí)驗(yàn)，通過目測觀察發(fā)現(xiàn)所有的試驗(yàn)樣品的界面處都沒有出現(xiàn)氣泡或脫粘的現(xiàn)象。分別測量其粘結(jié)拉伸強(qiáng)度，加載速率為5mm/min,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。隨著耐濕老化時間的延長，夾層玻璃拉伸粘結(jié)強(qiáng)度略有降低。在前15天的實(shí)驗(yàn)中，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度下降最快，從老化前的11.49 MPa下降到10.11 MPa，下降幅度為12.0%。繼續(xù)進(jìn)行耐濕老化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在15-30天的實(shí)驗(yàn)中，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度又升高至10.31MPa。30天之后一直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度將不斷下降，達(dá)到10.08 MPa。由此可以表明，耐濕老化對玻璃拉伸粘結(jié)強(qiáng)度影響并不大，隨著耐濕老化時間的進(jìn)一步延長，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度大體趨于下降。即使在老化60天之后，其拉伸粘結(jié)強(qiáng)度僅下降了12.3%。

圖6 有限元模擬夾層玻璃抗風(fēng)壓過程中的應(yīng)力分布（a）和撓度分布(b)

圖8 汽車夾層玻璃殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度測量后的樣品照片

圖6為有限元模擬的夾層玻璃在均布載荷作用下的應(yīng)力分布和撓度分布圖。從圖中可以看出，最大應(yīng)力位于中心區(qū)邊緣附近，而最大撓度位于中心區(qū)域。因此，可以看出，夾層玻璃在受到風(fēng)壓載荷作用下的破壞的起始點(diǎn)位于中心邊緣處。

圖7是2+0.76+2mm汽車夾層玻璃在耐濕老化(a)和耐輻照老化(b)后的殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度。夾層玻璃在沒有經(jīng)過耐濕和耐輻照老化之前的抗風(fēng)壓強(qiáng)度為91.2MPa。隨著老化時間的增加，殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度逐漸下降。經(jīng)濕度老化112天后殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度下降了32.8%；而在耐輻照老化實(shí)驗(yàn)中，輻照僅200h后其抗風(fēng)壓強(qiáng)度就下降了44.6%。表明夾層玻璃耐輻照的能力遠(yuǎn)低于其耐濕老化的能力，所以汽車夾層玻璃需要著重考慮紫外線輻照的不利影響。圖8為2+0.76+2mm汽車夾層玻璃在實(shí)驗(yàn)后的照片。可以看出，樣品中心位置的撓度變形量最大，破裂的起始位置在中心位置附近，與有限元模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。

3 結(jié)論

利用自行設(shè)計(jì)的夾具測量了夾層玻璃的PVB膠片與玻璃之間界面拉伸和剪切粘結(jié)強(qiáng)度，合適的加載速度為5 mm/min。單層PVB膠片（厚度為0.64 mm）夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最大值為11.49 MPa。由于中間界面層為柔性材料，對于PVB膠厚度大于0.64 mm時夾層玻璃來說，測量所得到的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度高于其剪切粘結(jié)強(qiáng)度。隨著耐濕老化時間的增加，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度大體趨于下降，但界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的衰減幅度不大。濕度老化對玻璃拉伸粘結(jié)強(qiáng)度影響不大，隨著耐濕老化時間的延長，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度大體趨于下降。即使老化60天（4個周期），其拉伸粘結(jié)強(qiáng)度為10.08 MPa,下降幅度僅為12.3%。耐濕和輻照對汽車夾層玻璃的殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度影響巨大。對于2+0.76+2mm汽車玻璃來說，輻照對夾層玻璃的粘結(jié)性能影響相對來說更為明顯。經(jīng)濕度老化112天后殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度下降了32.8%；在耐輻照老化實(shí)驗(yàn)中，輻照僅200h后其抗風(fēng)壓強(qiáng)度就下降了44.6%。

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