現代分析技術在密封膠失效原因分析中的應用

程 鵬，金燕鴻，郭月萍，邢鳳群，楊瀟雨

（鄭州中原思藍德高科股份有限公司，河南 鄭州 450000）

中空玻璃彈性密封膠作為膠粘劑的一種，通過粘接2片玻璃使其形成密閉的干燥氣體層，對中空玻璃發揮其隔熱、隔音和節能等功效起著關鍵作用。目前，常見建筑中空玻璃使用一段時間后出現霧氣、結霜等過早喪失節能功能的現象，甚至發生單片玻璃脫落而傷人毀物等問題，此類問題多與中空玻璃彈性密封膠過早失效有關。建筑產業屬于典型的傳統行業，以往對于密封膠在其應用過程產生的諸多問題較多處于表象的簡單分析，未能精確找出問題原因。隨著材料科學與工程領域研究技術的不斷進步，對材料微觀結構、性能等的研究方法與技術手段也越來越多，如采用氣相色譜質譜聯用（GCMS）分析、紅外光譜（FT-IR）分析和熱重（TG）分析等現代分析技術。本研究利用多種現代分析技術，通過分析幾項建筑中空玻璃失效的典型案例，研究了造成失效的影響因素及原因。

1 中空玻璃密封膠失效典型案例分析

1.1 FT-IR分析

1.1.1 典型案例及現象

河南某玻璃幕墻工程中空玻璃外片玻璃發生脫落問題，該工程主體為明框玻璃幕墻，開啟扇中空玻璃四周沒有窗框的保護，屬于全隱框形式。工程建成7年后，在開啟扇部位出現中空玻璃外片脫落情況，這是由于外片玻璃與中空玻璃外道密封膠完全脫粘而造成的脫落，如圖1所示。

1.1.2 測試分析

（1）樣品：取出現問題的開啟扇中空玻璃外道密封膠為樣品。

（2）測試方法：采用FT-IR分析方法分析樣品。

（3）結果分析：樣品的FT-IR光譜分析結果如圖2所示。

圖1 開啟扇中空玻璃外片脫落現場圖Fig.1 Scence drawing of outer sheet falling offof insulating glass for opening window

圖2 開啟扇中空玻璃外道膠紅外光譜圖Fig.2 Infrared Spectrum of outer sealant of insulating glass for opening window

圖2 為典型的聚硫膠FT-IR譜圖，742 cm-1處為C-S鍵的伸縮振動特征峰，1 414～1 115 cm-1處為聚硫中與S相連的亞甲基-CH2-振動特征 峰 ，1 724 cm-1、 1 284 cm-1處 為 聚 硫 密 封膠所用酯類增塑劑中C=O、C-O-C的伸縮振動特征峰[1，2]，由此可以判斷該開啟扇中空玻璃用外道密封膠為聚硫密封膠。

中空玻璃的外道密封膠主要有硅酮結構密封膠、聚硫密封膠。由于隱框開啟扇用中空玻璃外道密封膠承受著外片玻璃所受的風荷載及自重荷載作用，所以必須采用結構密封膠，且應當對紫外線輻照、雨水、臭氧、高溫和低溫等環境具有較好的耐環境老化性能，其中紫外線輻照對密封膠的性能影響較為明顯。紫外線能量與密封膠中典型化學鍵的鍵能對比情況如表1所示。

由表1可知：聚硫密封膠的主要化學鍵C-C、C-S和S-S等的鍵能較低，而紫外線光能量較高，具有足以破壞聚硫密封膠中化學鍵的鍵能，使得聚硫密封膠經過長時間紫外線輻照后的性能降低，產生脆化、開裂和與基材脫粘等問題。硅酮類密封膠的主要化學鍵Si-O鍵能較紫外線光能量高，耐紫外線老化能力較好。因此，我國相關規范規定，對于隱框、半隱框及點支撐玻璃幕墻等承受荷載作用的中空玻璃，其外道密封不能使用聚硫密封膠，必須采用硅酮結構密封膠[3]。該幕墻工程開啟扇為全隱框形式，選用聚硫密封膠制作中空玻璃違反了國家規范要求，經過長時間老化后，聚硫膠與基材完全脫粘，最終導致外片玻璃脫落。

表1 紫外線能量與密封膠中典型化學鍵的鍵能Tab.1 Energy of solar ultraviolet rays and typical chemical bonds in sealant

1.2 TG與FT-IR結合分析

1.2.1 典型案例及現象

廣西某建筑中空玻璃發生密封膠流淌問題。工程完工4年后出現中空玻璃用丁基密封膠在空腔內流淌，玻璃與金屬框架接縫用密封膠為半透明狀且局部泛黃。拆卸下中空玻璃板塊觀察，外道密封膠被污染，表面存在許多半透明狀的物質，如圖3所示。

1.2.2 測試分析

圖3 某建筑中空玻璃丁基密封膠流淌現象Fig.3 Flowing phenomenon of butyl sealant for insulating glass in a building

（1）樣品：取中空玻璃與金屬框架接縫用半透明密封膠，以中空玻璃外道密封膠為樣品。

（2）測試方法：采用TG、FT-IR分析方法分析樣品組分。

圖4 半透明膠樣品TG分析圖Fig.4 Thermogravimetric analysis result of translucent sealant sample

（3）結果分析：樣品的TG分析結果如圖4、圖5所示。

圖5 中空玻璃外道膠TG分析圖Fig.5 Thermogravimetric analysis result of outer sealant of insulating glass

由圖4、圖5可知：半透明膠樣品和中空玻璃外道膠樣品均在100～300 ℃出現失重區間，表明樣品中含有低沸點物質（100 ℃開始揮發），半透明膠樣品中低沸點物質含量占24.7%；中空玻璃外道膠中低沸點物質占11.3%，2種樣品中均含有低沸點物質且半透明膠樣品中含量較大，驗證了外道膠已被半透明膠污染。為進一步確認低沸點物質成分，對樣品進行FT-IR光譜分析，結果如圖6所示。

圖6 中空玻璃外道膠紅外譜圖Fig.6 Infrared Spectrum of outer sealant of insulating glass

圖6 為典型的硅酮膠FT-IR光譜圖，1 259 cm-1處 為吸收特征峰，1 091～1 018 cm-1處為Si-O-Si的伸縮振動特征峰，2 960 cm-1為CH3的C-H非對稱伸縮振動特征峰，中空玻璃外道膠為硅酮類密封膠。同時，譜圖中在1 377的C-H對稱彎曲振動特征峰，的彎曲振動特征峰，以及在2 853的C-H非對稱伸縮振動特征峰，的C-H面內搖擺振動特征峰，參照GB/T 31851—2015《硅酮結構密封膠中烷烴增塑劑檢測方法》標準可判定樣品中低沸點物質為烷烴增塑劑白油[4]。白油透過外道膠進入丁基密封膠進而使丁基密封膠溶脹、溶解[5]，最終造成中空玻璃空腔內流淌的現象。

1.3 GC-MS分析

1.3.1 典型案例及現象

廣東某玻璃幕墻中空玻璃發生漏氣問題。拆卸下出現問題的玻璃板塊（如圖7所示），發現玻璃板塊下端2側分別放置有橡膠墊塊，玻璃板塊水平方向有所傾斜，其中一側墊塊與密封膠接觸面表面凸起，有受力痕跡（如圖9所示），與該橡膠墊塊接觸的密封膠與2片玻璃均脫粘（如圖8所示）。

圖7 LOW-E中空玻璃漏氣現象Fig.7 Air leakage phenomenon of LOW-E insulating glass

圖8 與墊塊接觸部位的膠面脫粘Fig.8 Debonding of adhesive surface in contact with cushion block

圖9 橡膠墊塊Fig.9 Rubber cushion block

1.3.2 檢測分析

（1）樣品：橡膠墊塊，與橡膠墊塊接觸的中空玻璃外道密封膠，與墊塊未接觸部位中空玻璃外道密封膠，正常密封膠樣品。

（2）測試方法：采用Shore A硬度計對密封膠樣品進行硬度測試，采用GC-MS分析各樣品的主要成分。

（3）結果分析：①密封膠硬度分析，各密封膠樣品Shore A硬度測試結果如表2所示。由表2可以看出，接觸墊塊處的密封膠硬度測試結果異常，明顯高于正常密封膠樣品及其余部位處密封膠的硬度，可見密封膠性能受到了墊塊的影響；②各樣品主要成分分析，橡膠墊塊溶出物的GC-MS分析結果如圖10所示。中空玻璃不同部位的外道密封膠分析結果如圖11、圖12所示。

表2 密封膠硬度測試結果Fig.2 Hardness test results of sealant

圖10 橡膠墊塊溶出物分析圖Fig.10 Analysis diagram of dissolved substance of cushion block

圖11 與墊塊未接觸部位密封膠溶出物分析圖Fig.11 Analysis of dissolved substance of sealant not in contact with cushion block

由圖10可以看出，橡膠墊塊中含有鄰苯二甲酸二丁酯（9.32周圍峰）、鄰苯二甲酸二異辛酯（15.39周圍峰）；由圖11可以看出，與橡膠墊塊未接觸部位的密封膠主要含有鄰苯二甲酸二丁酯（9.78周圍峰）；由圖12可以看出，與橡膠墊塊接觸部位的密封膠含有鄰苯二甲酸二丁酯（9.33周圍峰）、鄰苯二甲酸二異辛酯（15.40周圍峰），較未接觸橡膠墊塊部位的密封膠增加了橡膠墊塊中特有的鄰苯二甲酸二異辛酯等物質，可見此處密封膠已被墊塊污染。

綜合以上分析：該中空玻璃板塊安裝傾斜，橡膠墊塊受力不均，玻璃板塊在一側橡膠墊塊上產生應力集中；與橡膠墊塊接觸的密封膠已被污染，墊塊中的增塑劑進入密封膠，使密封膠性能受到影響，同時在長時間的應力集中持續作用下與玻璃產生脫粘，最終導致中空玻璃漏氣。

圖12 與墊塊接觸密封膠溶出物分析圖Fig.12 Analysis of dissolved substance of sealant in contact sealant with cushion block

2 結論

FT-IR、TG和GC-MS聯用分析等現代分析技術各具有其特性，多種現代分析測試技術的綜合應用可對密封膠失效問題發生的原因進行有效分析，精確找出問題產生的原因，為以后預防和解決類似實際應用問題提供了參考。