耐湿和耐辐照老化对夹层玻璃界面粘结性能及残余抗风压强度的影响

万德田 包亦望 刘小根 王秀芳

（绿色建筑材料国家重点实验室、中国建筑材料科学研究总院，北京100024）

夹层玻璃由一层玻璃与一层或多层玻璃、塑料材料夹中间聚乙烯醇缩丁醛胶合层（Polyvinyl Butyral，PVB胶片）而成的玻璃制品[1]，具有耐光、耐热、抗冲击强度高等特点。夹层玻璃在外力作用下可能破碎，但碎片仍黏附在中间层胶片上，保持为整体，没有碎片飞溅。与传统的普通玻璃相比，夹层玻璃在安全、保安防护、隔音及防辐射等方面有着不可比拟的优良性能。正是由于其良好的安全可靠性能，夹层玻璃主要应用于汽车、火车、轮船、飞机等运输工具，在现代高层玻璃幕墙和光伏玻璃产业中都得到了广泛的使用[2-7]。对于夹层玻璃的使役性能来说，玻璃与PVB胶合层的界面粘结性能的好坏直接关系到夹层玻璃的安全可靠性。一般来说，在玻璃和胶合层厚度固定的条件下，玻璃与PVB胶合层的粘结越牢固，夹层玻璃的力学性能越好，尤其是抗冲击性能和抗风压性能[2,8-10]。

夹层玻璃是典型的有机-无机相结合的材料，其设计寿命一般为25年，在大气环境中服役一段时间后，必然会出现腐蚀老化的现象。通常玻璃的抗老化性能非常优异，基本上可以满足设计要求。然而中间层PVB胶片属于有机材料，在大气环境中容易受到气候环境水蒸气和太阳光紫外线的侵蚀而发生老化。一旦服役过程中的夹层玻璃发生了老化，玻璃与PVB胶的粘结性能和抗风压性能必然会降低，从而造成安全隐患。我国现行的国家标准在考察夹层玻璃耐湿老化和耐辐照老化性能时[11,12]，在老化实验结束后，仅目视检查试验前后试样的外观变化，即PVB胶与玻璃之间是否存在气泡或有脱胶现象，这种方法只能定性判断夹层玻璃老化失效程度，而且通常只考察一个周期的老化形态，很难反映出夹层玻璃的性能衰减特征。玻璃幕墙抗风压性能是评价幕墙玻璃最重要的性能之一，尤其是在我国沿海周边城市，还需要考虑短时飓风的破坏。为此，我国制定了相关的测试标准JC/T 677-1997来评价建筑玻璃抗风压能力。通常是将出口风压设定成某一门槛值，考虑玻璃能否承受而判断玻璃产品是否合格[12]。这种方法一方面只能对刚出厂的夹层玻璃进行检测，而且需要的样品尺寸比较大，另一方面对于都合格的样品不能进一步比较其性能优劣,不能给出一个定量的评定结果。如何评价夹层玻璃在出现老化现象之后的抗风压残余强度，在国内外还是一片空白，没有任何其他的测试方法和标准可供参考。

图1 十字交叉样品示意图

如果能检测出夹层玻璃在不同老化时间的界面强度和残余抗风压强度，则可以定量确定夹层玻璃的界面强度衰减速率和残余抗风压强度速率，然后根据强度衰减模型确定其在某特定环境下应用过程中的寿命和可靠性。但是到目前为止没有一种现行的标准或评价方法可以准确评价玻璃与PVB胶的粘结强度和残余抗风压强度。如何能准确快速定量评价夹层玻璃中玻璃与PVB胶合层的界面粘结强度和残余抗风压强度以及夹层玻璃在老化后性能衰减程度，基本还是空白，未见有任何相关的材料报道。

十字交叉法最早应用于测量陶瓷界面粘结强度，通过一个简单的压缩载荷可以在界面处获得均匀的拉应力和剪切应力，利用界面开裂时所对应的临界载荷和粘结面积就可以同时获得界面拉伸粘结强度和剪切粘结强度[13]。本文拟采用十字交叉法和充气加压法分别测量PVB胶与玻璃之间的界面粘结性能及残余抗风压强度。利用自行设计的特定夹具，研究了耐湿老化和耐辐照老化对PVB胶与玻璃界面拉伸粘结强度和剪切强度及残余抗风压强度的影响，从而提供一种能定量评价夹层玻璃PVB胶与玻璃之间界面粘结性能以及评价PVB胶经耐湿老化和耐辐照老化后的程度、老化后界面性能和残余寿命的方法。其研究结果可以为夹层玻璃的应用设计提供可供参考的数据，对于保证夹层玻璃的安全使用和提高其安全可靠性，保障人民生命财产安全具有重要意义。

1 实验

1.1 样品制备

实验中玻璃样品尺寸为120×20×20mm3。使用前，先将样品表面进行打磨抛光至镜面，然后用丙酮清洗干净。实验中所采用的商用PVB胶片厚度为0.76mm，将其裁剪成截面为20×20mm2的薄片。将PVB胶片夹在两片玻璃之间，玻璃呈十字交叉形状放置，利用胶带把十字交叉样品固定。图1为十字交叉样品的示意图。在本实验中，中间PVB层的厚度为1层PVB胶片调节最终实验样品。在准备好十字交叉样品后，将试验样品放入真空袋中进行抽真空处理，排除样品中的空气，然后放入气体高压釜中，在120oC和12个大气压的条件下进行热等静压处理，最后以某一特定的速率冷却至室温，得到界面结合完好的十字交叉样品。在测量界面粘结强度前，去除玻璃表面用于固定十字交叉样品的胶带，用游标卡尺测量中间PVB胶片层的实际厚度。为了研究辐照对夹层玻璃的抗风压性能的影响，采用商用2+0.76+2mm的汽车夹层玻璃为研究对象，将其切割成300×300mm2的样品备用。

图2 十字交叉法测量界面拉伸粘结强度(a)和剪切粘结强度(b)

1.2 试验方法

图2为设计的夹具和十字交叉样品加载示意图。通过对十字交叉试样施加压力可以在界面处产生均匀拉伸（图2(a)）或剪切应力(图2(b))，从而导致界面分开。将十字交叉试样以两个不同放置方式固定好后再施加载荷，可分别得到界面拉伸和剪切粘结强度。试验以某一恒定的位移速率加载，采用界面脱粘时对应的载荷值和粘结面积计算拉伸和剪切粘结强度。计算原理式如下，

其中Pc为拉伸或剪切加载过程中界面脱开时所对应的临界载荷，为界面粘结面积。

测量拉伸粘结强度时，如图2(a)所示在夹具中摆放试样，保证十字交叉试样可以无任何摩擦地放入夹具中。上压头的底面粘接一块软胶带，保证压头和试样之间的均匀接触。压头宽度必须与试样宽度相同，压头下表面与试样的受压面保持平行。然后以某一设定的速率施加载荷直至界面断开，记录下界面脱粘时的最大载荷值。如图2(b)所示，测量剪切粘结强度时,在竖直样品的顶部固定一块软胶带，保证压头和试样之间的均匀接触。以某一速率施加载荷直至界面断开，记录下界面脱粘开时的最大载荷值。在试验过程中为了研究加载速度对测量PVB胶与玻璃界面粘结强度的影响，加载速度分别为0.5,1、5和10mm/min。

为了模拟和研究夹层玻璃耐湿老化性能以及耐湿老化时间对PVB胶与玻璃之间粘结强度的影响，按照国家标准的规定[11]，先将十字交叉样品放置在耐湿老化试验机内，设定温度为50±2oC，相对湿度为95±4%，一个周期的静置时间为336小时。在本实验中还研究了耐湿老化时间对PVB胶与玻璃界面粘结强度的影响，将十字交叉样品分别老化15，30和60天（即1，2和4个周期），然后分别测量其界面拉伸粘结强度。为了研究汽车夹层玻璃耐辐照老化性能以及耐辐照老化时间对残余抗风压强度的影响，根据我国行业标准的规定[12]，将汽车玻璃样品放在紫外线辐照老化实验机中静置100h和200h，然后测量其抗风压强度。

设计一套测试风压载荷下夹层玻璃残余老化强度的装置，如图3所示。将试验样品固定在一个密封腔中，采用空压机向密封腔中充气，充气的速度可调。逐渐向密封腔中充气加压至样品炸裂，利用一个可以存储最大峰值的数显压力表随时记录腔内的压力，待样品破碎之后记录下最大峰值压力，利用高速摄象机将夹层玻璃玻璃破坏的全过程记录下来，研究破裂断裂源和破坏模式。利用压力表记录下的最大峰值压力即为夹层玻璃老化残余强度。由于密封腔中气体对玻璃样品施加的作用力可认为为均布应力，所以可以用来模拟均布风压载荷。当气压值超过夹层玻璃承受能力时，夹层玻璃就会破裂，此时对应的最大压力值即为其残余强度。

图3 夹层玻璃老化后抗风压残余强度示意图

图4 加载速度对界面拉伸粘结强度的影响，中间PVB胶层厚度为0.64 mm

图5 耐湿老化时间对拉伸粘结强度的影响

2 结果与讨论

图4是不同加载速率下测量所得的PVB胶片和玻璃的界面粘结强度，加载速率分别为0.5mm/min、1mm/min和5mm/min。从图中可以看出，粘结强度随着加载速率的增加而增大。当加载速率为5mm/min时，其粘结强度达到最大值，为11.49 MPa。由于夹层玻璃中PVB胶片属于柔性材料，加载速度对界面拉伸粘结强度和剪切粘结强度的测量都会有重要的影响。如果加载速度过小，PVB胶与玻璃界面脱粘时呈逐渐撕裂形态，试验结果将偏小。如果加载速率过大(如10mm/min)，通常万能实验机的力传感器采集数据频率较低，很难准确测量其峰值力，使得测量结果不可靠（仅为2.1MPa）,远低于真实值[14]。此外，加载速率过大时对样品施加载荷类似于冲击载荷，很难真实表征样品在静载作用下的力学性能。实验结果表明，加载速度为5 mm/min时，从加载曲线上可以看出整个试验过程控制在90s之内，PVB胶与玻璃的界面拉伸强度和剪切粘结强度最为合适[15]。因此，测试PVB胶与玻璃之间的界面粘结强度时的加载速度选择5 mm/min比较合适。

在温度为50±2oC，湿度为95±4%的环境下对十字交叉样品分别进行了15天，30天和60天的老化耐湿实验，通过目测观察发现所有的试验样品的界面处都没有出现气泡或脱粘的现象。分别测量其粘结拉伸强度，加载速率为5mm/min,实验结果如图5所示。随着耐湿老化时间的延长，夹层玻璃拉伸粘结强度略有降低。在前15天的实验中，夹层玻璃的拉伸粘结强度下降最快，从老化前的11.49 MPa下降到10.11 MPa，下降幅度为12.0%。继续进行耐湿老化试验，发现在15-30天的实验中，夹层玻璃的拉伸粘结强度又升高至10.31MPa。30天之后一直到实验结束，夹层玻璃的拉伸粘结强度将不断下降，达到10.08 MPa。由此可以表明，耐湿老化对玻璃拉伸粘结强度影响并不大，随着耐湿老化时间的进一步延长，夹层玻璃的拉伸粘结强度大体趋于下降。即使在老化60天之后，其拉伸粘结强度仅下降了12.3%。

图6 有限元模拟夹层玻璃抗风压过程中的应力分布（a）和挠度分布(b)

图8 汽车夹层玻璃残余抗风压强度测量后的样品照片

图6为有限元模拟的夹层玻璃在均布载荷作用下的应力分布和挠度分布图。从图中可以看出，最大应力位于中心区边缘附近，而最大挠度位于中心区域。因此，可以看出，夹层玻璃在受到风压载荷作用下的破坏的起始点位于中心边缘处。

图7是2+0.76+2mm汽车夹层玻璃在耐湿老化(a)和耐辐照老化(b)后的残余抗风压强度。夹层玻璃在没有经过耐湿和耐辐照老化之前的抗风压强度为91.2MPa。随着老化时间的增加，残余抗风压强度逐渐下降。经湿度老化112天后残余抗风压强度下降了32.8%；而在耐辐照老化实验中，辐照仅200h后其抗风压强度就下降了44.6%。表明夹层玻璃耐辐照的能力远低于其耐湿老化的能力，所以汽车夹层玻璃需要着重考虑紫外线辐照的不利影响。图8为2+0.76+2mm汽车夹层玻璃在实验后的照片。可以看出，样品中心位置的挠度变形量最大，破裂的起始位置在中心位置附近，与有限元模拟的实验结果完全吻合。

3 结论

利用自行设计的夹具测量了夹层玻璃的PVB胶片与玻璃之间界面拉伸和剪切粘结强度，合适的加载速度为5 mm/min。单层PVB胶片（厚度为0.64 mm）夹层玻璃的拉伸粘结强度最大值为11.49 MPa。由于中间界面层为柔性材料，对于PVB胶厚度大于0.64 mm时夹层玻璃来说，测量所得到的拉伸粘结强度高于其剪切粘结强度。随着耐湿老化时间的增加，夹层玻璃的拉伸粘结强度大体趋于下降，但界面拉伸粘结强度的衰减幅度不大。湿度老化对玻璃拉伸粘结强度影响不大，随着耐湿老化时间的延长，夹层玻璃的拉伸粘结强度大体趋于下降。即使老化60天（4个周期），其拉伸粘结强度为10.08 MPa,下降幅度仅为12.3%。耐湿和辐照对汽车夹层玻璃的残余抗风压强度影响巨大。对于2+0.76+2mm汽车玻璃来说，辐照对夹层玻璃的粘结性能影响相对来说更为明显。经湿度老化112天后残余抗风压强度下降了32.8%；在耐辐照老化实验中，辐照仅200h后其抗风压强度就下降了44.6%。

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