VHBTM SGT 在玻璃幕墻粘接應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

作者簡介：劉盈（1982-），女，主要從事幕墻裝配用密封膠、膠帶等產品的性能檢測及相關領域的研究工作。

曾參與住房與城鄉建設部課題，發表相關領域文章多篇。

摘要：介紹了玻璃幕墻粘接的應用，從粘接材料的結構組成和耐久性能以及玻璃幕墻系統的可靠性等方面進行了重點的闡述，論證了VHBTM SGT是玻璃幕墻粘接應用的一種可靠的解決方案。

關鍵詞：玻璃幕墻；耐久性；可靠性

中圖分類號：TQ437+.1 文獻標識碼：A 文章編號：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年后漢時期《黃帝內經》中記載的用中藥與松脂、動物膠熬制的治療傷痛的膏藥[1]。現代社會廣泛使用的包裝膠帶，電器絕緣膠帶，不干膠標簽，美紋紙膠帶是最為常見的壓敏膠；導電、導熱、光學等特種壓敏膠的出現使得壓敏膠技術的發展達到一個新的高度，VHBTM膠帶是這一系列產品中具有代表性的一個，它的應用在很大程度上扭轉了人們之前對于壓敏膠無法應用在復雜受力結構，不能在室外長期可靠工作的認識。VHBTM膠帶在包括航空，建筑以及交通標識等很多苛求的領域得以成功應用，尤其在建筑市場，20多年來，被廣泛應用于金屬幕墻系統中板材與框架和加強筋的粘接及玻璃幕墻系統中玻璃和金屬框架的粘接。其中VHBTM膠帶粘接金屬板幕墻項目有新加坡 Temasek Tower，阿聯酋Arabian Tower，美國Walt Disney Concert Hall，巴西BankBoston等項目；VHBTM膠帶粘接玻璃幕墻項目中有美國Liberty Memorial Museum，德國Philips Headquarters，泰國Athenee Tower，巴西Glass Tower等項目。

2 隱框玻璃幕墻的粘接應用

玻璃幕墻大致可以分為明框幕墻和隱框幕墻。明框幕墻采用機械方式進行組裝，從上個世紀60年代硅酮結構膠被開發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標準，比如 ASTM C24.35委員會起草的 ASTM C 1184 Standard Specification for Structural Silicone Sealants，歐洲技術批準組織 （EOTA） 開發的ETAG 002 Guideline for European Technical Approval for Structural Sealant Glazing Kits （SSGK），中國國家標準GB 16776—2005建筑用硅酮結構密封膠等。VHB?玻璃幕墻結構裝配膠帶（VHB? Structural Glazing Tape，簡稱SGT）是專門開發用于玻璃幕墻粘接的膠帶，在這個應用中SGT與硅酮結構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，正面作用的風荷載通過SGT轉移至建筑物的結構上，其必須保持足夠的粘接強度用以支撐在風荷載及其他環境關聯狀況下的玻璃面板。由于玻璃幕墻對于粘接強度和可靠性的要求極高，這個應用可以認為是迄今為止壓敏膠承擔的技術要求較高的應用。

3 SGT的結構組成

常見的泡綿膠帶是在泡綿芯材的2面涂布薄層膠粘劑，SGT是采用了獨特的無溶劑制造技術生產的，結構示意圖如圖2所示，粘彈性芯材和強力粘接涂層都是由聚丙烯酸酯類粘彈體構成，可以形象地稱之為“固態膠水”。這種結構賦予了膠帶特殊的整體粘彈性，能有效地將粘接接頭內的應力，比如風荷載，分散到粘彈性芯材中通過力學弛豫耗散掉，從而有效地保護粘接線，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力將會集中到粘接接頭上，粘接很容易被破壞。另外，SGT的粘彈性芯材是100%的全閉孔結構，水和空氣均不能通過，這將有助于實現幕墻的氣密、水密性能。

4 SGT的耐久性能和可靠性能探討

4.1 化學結構分析

首先從化學結構上分析SGT高耐久性的原因，SGT由聚丙烯酸酯構成，主鏈全部為碳-碳單鍵，這種結構的主鏈對熱、紫外線以及化學試劑的破壞均具有很強的抵抗性。聚丙烯酸酯泡綿和膠粘劑不會降解，其模量將隨著交聯的建立而輕微增加，從而形成一種更強的耐久粘接。而對于不耐久的泡綿和膠粘劑而言，此類狀況可能導致聚合物主鏈的破壞，從而降低力學性能。

4.2 戶外老化實驗

戶外老化實驗是人們針對戶外應用所進行的評估實驗。截至目前為止佛羅里達州的高溫潮濕環境、亞利桑那州高溫干燥且日照豐富的環境以及明尼蘇達州的極冷極熱環境的這些有代表性的測試都證實了SGT在經過5年的戶外老化后仍然保持了近乎100%的粘接強度。在日本地區歷時11年的室外測試也得出了相同的結果[2]。

4.3 人工加速老化實驗

3M進行了SGT的加速老化實驗去研究其耐久性能。測試采用了壽命預估實驗設計，測試樣品包括分別使用硅酮結構膠和SGT粘接的玻璃和陽極化鋁的樣塊。這些樣品被放置在帶有熱和濕度（噴水）循環的高強度UV 老化箱內，然后在不同的時間間隔后被取出測試正拉強度。圖3描述了硅酮結構膠和SGT經過一段時間老化之后的正拉強度與初始強度的百分比[3]。

這個加速老化實驗的最長暴露時間為10 000 h，10 000 h的實驗是比ETAG 002 和ASTM C 1184更高輻照強度的更嚴格的UV 循環實驗。根據壽命預估實驗設計的模型計算，10 000 h的加速老化實驗其輻照強度有50%的可能性至少相當于28年的佛羅里達州的高溫潮濕環境或者29.6年亞利桑那州高溫干燥且日照豐富的環境或者54.2年明尼蘇達州的極冷極熱環境。硅酮結構膠和SGT在苛刻的加速老化試驗中甚至在暴露了10 000 h以后都展示了超過100%的正拉強度維持率，說明SGT和在業內廣泛使用的硅酮結構膠具有相近的耐久性能。

4.4 ETAG循環負載疲勞實驗和CE認證

根據ETAG 002和GB16776，SGT分別在歐洲和國內進行了在標態、高溫、低溫、浸水、水-紫外光照條件下的正拉和剪切強度的實驗，這些實驗都是在膠帶沒有承受任何應力條件下進行的。ETAG 002中最為獨特的是材料的循環負載疲勞實驗，其循環應力設計如圖4所示，鋁對鋁的正拉強度樣塊在經歷了循環負載疲勞實驗后正拉強度基本保持不變，這也證明了SGT的極佳耐疲勞性能。SGT在通過歐洲技術批準 ETA—09/0024 3M? VHB? Structural Glazing Tape G/B 23F-Acrylic foam tape for structural tape glazing kits的同時也得到了CE認證。

4.5 幕墻形式試驗

以上實驗主要是針對材料性能的測試，為了更好地支持和研究SGT在粘接玻璃幕墻中的應用，3M 公司在2005年進行了苛刻條件下的幕墻形式試驗[4]，本次試驗同樣選擇硅酮結構膠作為參照物。風壓設計值為2.9 kPa，根據各自的設計規則，分別完成SGT 和硅酮結構膠對測試板塊的粘接。第1個測試程序包括SGT 對PVB夾膠玻璃，SGT 對DGU中空玻璃和硅酮結構膠對DGU中空玻璃的粘接板塊。本次試驗的設計非常嚴格，除了國內GB/T 15227—2007要求的常規氣密、水密、抗風壓性能測試，額外增加了高低溫循環老化，并且在高低溫老化和耐風壓測試后進行了氣密、水密性能的驗證，更是在高低溫（-25 ℃，32 ℃，70 ℃）情況下進行了抗風壓的測試（持續1 min），這是非?？量痰脑囼灄l件。正常條件下風會降低建筑物的溫度，意味著不會出現既是高溫又有很大風壓的情況。SGT 和硅酮結構膠在本測試中都表現出良好的性能，之后又進行了破壞性試驗，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倉，但是玻璃的四周邊緣仍然被SGT牢固地固定在框架的周圍，SGT 和硅酮結構膠粘接的DGU中空玻璃都順利地通過了試驗。

隨后進行第2系列的試驗，包括分別使用SGT 和硅酮結構膠粘接8 mm鋼化玻璃，已經承受過第1系列循環的SGT粘接的DGU中空玻璃也參加了第2系列的試驗，相當于進行了2遍循環。盡管風壓設計值為2.9 kPa，但實際上最大風力載荷測試為10 kPa，SGT 和硅酮結構膠都順利地通過了測試，這一切說明了SGT和硅酮結構膠一樣在玻璃幕墻結構裝配應用中的可靠性能。

4.6 實際應用項目歷史

SGT粘接玻璃幕墻這類應用最早可以追溯到 1990年的巴西Urcov Building 項目，至今已有將近24年的成功應用歷史，從那以后3M 公司將SGT應用于美國、德國、巴西、印度、以色列、泰國、新加坡等國家的數千座建筑物的玻璃幕墻中。

4.7 既有項目可靠性評估

有報道玻璃幕墻在使用若干年后有的會發生玻璃脫落的情況，所以人們非常想知道建筑物的預估壽命，這樣就可以在出現安全隱患前，提前采取措施進行更換或加固。幕墻行業的著名咨詢顧問公司CURTAINWALL DESIGN CONSULTING （CDC）在2010年對于已使用大約16年的巴西Glass Tower建筑物的SGT的結構完整性進行檢測與評估，測試方法依據ASTM C 1392 “Standard Guide for Evaluating Failure of Structural Sealant Glazing”，但是該測試是一種非破壞性檢測程序，根據 ASTM E 330 “Structural Performance of Exterior Windows，Doors，Skylights and Curtain Walls by Uniform Static Air Pressure Difference”反復的施加載荷。

試驗裝置如圖5所示，3個支撐吸盤置于室內鋁合金框架正對的玻璃上，中央拉拔的真空吸盤（直徑為305 mm）置于后面是VHB SGT的玻璃的邊緣。該器具配備一個真空泵，此泵固定在空壓機上，這樣當吸盤通過一個液壓泵上的液壓缸來緩慢向外拉拔時可以確保中央吸盤穩固吸附在玻璃表面。這個拉拔的動作可模擬負風壓從而可以檢測SGT的拉應力承載量。SGT 的設計載荷為85 kPa，整個試驗的程序如下：1）設計載荷循環 （100% 設計載荷）。將玻璃拉到設計載荷85 kPa，保持10 s，然后釋放載荷讓其回復到原始狀態；在同一位置重復2次，2次測試之間的間隔在1 min以上（根據ASTM E330）；回復3～5 min后，在同一位置將玻璃拉到設計載荷85 kPa，保持60 s，然后釋放載荷讓其回復到原始狀態。2）超設計載荷循環 （150% 設計載荷）。100% 設計載荷試驗結束3～5 min后，在同一位置將玻璃拉到150%設計載荷（126 kPa），保持60 s，然后釋放載荷讓其回復到原始狀態；在測試進行到45 s時，從背面向測試粘接區域吹入滑石粉，這將有助于檢測玻璃與 SGT之間有無產生脫膠分離。整個測試結果如下：SGT 仍完整粘貼在玻璃和鋁合金框架上，沒有發現膠帶與玻璃之間有滑石粉的痕跡，沒有發生粘接破壞；同時SGT 本身沒有撕裂，膠帶無內聚破壞。在應用若干年后SGT結構完整性的試驗再一次證明了SGT用于玻璃幕墻粘接是一種非常可靠的解決方案。

5 結語

從上世紀70年代起隨著壓敏膠技術的成熟化及相關新技術新產品的誕生，國外開始將壓敏膠帶產品用于建筑幕墻的結構裝配[5]。本技術在眾多國家得到了實際使用，最早的玻璃幕墻作品已經過24年的實際使用，并于2009年取得了歐洲ETA的認可，另外CDC 在2010年對于已經使用16年的SGT結構完整性的評估充分證明了該技術的可行性和可靠性。SGT應用技術在2011年1月順利通過了住房和城鄉建設部科技發展中心的科技成果評估。與目前廣泛使用的硅酮結構膠相比，其突出特點為施工簡單方便、粘貼迅速、美觀。隨著中國經濟與建筑水平的發展，這一技術在中國的嘗試與推廣將有益于提高我國幕墻制造水平，為實現建筑師的創意提供新的手段。

參考文獻

[1]鐘明強，徐立新，祝根平.壓敏膠應用與開發進展[J].浙江化工，2001（1）：31-34.

[2]王新，劉盈.VHB?幕墻玻璃組裝專用壓敏膠帶及其在幕墻工程中的應用[J].綠色建筑，2010（3）：63-64.

[3]Austin，Burns.Relating artificial weathering testing to service life estimation of acrylic foam structural glazing tape systems[EB/OL].Pressure Sensitive Tape Council，USA [2009].http：//www.pstc.org.

[4]Wangxin，Liuying，Steve Austin，et al.3M? VHB? Structural Glazing Tape in the Curtain Wall[C]//2010 BEIJING INTERNATIONAL BONDING TECHNOLOGY SYMPOSIUM.2010：029-1～029-10.

[5]GEISS P L.Adhesive joining yesterday and tomorrow-trends in structural adhesive bonding and innovative challenges for new adhesive[C]//2010 BEIJING INTERNATIONAL BONDING TECHNOLOGY SYMPOSIUM.2010：O04-1～O04-6.