VHBTM SGT 在玻璃幕墙粘接应用中的耐久性能和可靠性能探讨

刘盈 王新 王思宇

收稿日期：2014-04-01

作者简介：刘盈（1982-），女，主要从事幕墙装配用密封胶、胶带等产品的性能检测及相关领域的研究工作。

曾参与住房与城乡建设部课题，发表相关领域文章多篇。

摘要：介绍了玻璃幕墙粘接的应用，从粘接材料的结构组成和耐久性能以及玻璃幕墙系统的可靠性等方面进行了重点的阐述，论证了VHBTM SGT是玻璃幕墙粘接应用的一种可靠的解决方案。

关键词：玻璃幕墙；耐久性；可靠性

中图分类号：TQ437+.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）05-0033-04

1 前言

压敏胶是一种非常古老的胶种，最早可以追溯到公元前1600年后汉时期《黄帝内经》中记载的用中药与松脂、动物胶熬制的治疗伤痛的膏药[1]。现代社会广泛使用的包装胶带，电器绝缘胶带，不干胶标签，美纹纸胶带是最为常见的压敏胶；导电、导热、光学等特种压敏胶的出现使得压敏胶技术的发展达到一个新的高度，VHBTM胶带是这一系列产品中具有代表性的一个，它的应用在很大程度上扭转了人们之前对于压敏胶无法应用在复杂受力结构，不能在室外长期可靠工作的认识。VHBTM胶带在包括航空，建筑以及交通标识等很多苛求的领域得以成功应用，尤其在建筑市场，20多年来，被广泛应用于金属幕墙系统中板材与框架和加强筋的粘接及玻璃幕墙系统中玻璃和金属框架的粘接。其中VHBTM胶带粘接金属板幕墙项目有新加坡 Temasek Tower，阿联酋Arabian Tower，美国Walt Disney Concert Hall，巴西BankBoston等项目；VHBTM胶带粘接玻璃幕墙项目中有美国Liberty Memorial Museum，德国Philips Headquarters，泰国Athenee Tower，巴西Glass Tower等项目。

2 隐框玻璃幕墙的粘接应用

玻璃幕墙大致可以分为明框幕墙和隐框幕墙。明框幕墙采用机械方式进行组装，从上个世纪60年代硅酮结构胶被开发用于将玻璃粘接到金属框架上的隐框幕墙并获得了大量的使用，并随之制定了一系列的技术标准，比如 ASTM C24.35委员会起草的 ASTM C 1184 Standard Specification for Structural Silicone Sealants，欧洲技术批准组织 （EOTA） 开发的ETAG 002 Guideline for European Technical Approval for Structural Sealant Glazing Kits （SSGK），中国国家标准GB 16776—2005建筑用硅酮结构密封胶等。VHB?玻璃幕墙结构装配胶带（VHB? Structural Glazing Tape，简称SGT）是专门开发用于玻璃幕墙粘接的胶带，在这个应用中SGT与硅酮结构胶一样起着玻璃与金属框间主要粘接剂的作用，如图1所示，正面作用的风荷载通过SGT转移至建筑物的结构上，其必须保持足够的粘接强度用以支撑在风荷载及其他环境关联状况下的玻璃面板。由于玻璃幕墙对于粘接强度和可靠性的要求极高，这个应用可以认为是迄今为止压敏胶承担的技术要求较高的应用。

3 SGT的结构组成

常见的泡绵胶带是在泡绵芯材的2面涂布薄层胶粘剂，SGT是采用了独特的无溶剂制造技术生产的，结构示意图如图2所示，粘弹性芯材和强力粘接涂层都是由聚丙烯酸酯类粘弹体构成，可以形象地称之为“固态胶水”。这种结构赋予了胶带特殊的整体粘弹性，能有效地将粘接接头内的应力，比如风荷载，分散到粘弹性芯材中通过力学弛豫耗散掉，从而有效地保护粘接线，提高了承载能力和抗疲劳性能。而一般的泡绵胶带受到的应力将会集中到粘接接头上，粘接很容易被破坏。另外，SGT的粘弹性芯材是100%的全闭孔结构，水和空气均不能通过，这将有助于实现幕墙的气密、水密性能。

4 SGT的耐久性能和可靠性能探讨

4.1 化学结构分析

首先从化学结构上分析SGT高耐久性的原因，SGT由聚丙烯酸酯构成，主链全部为碳-碳单键，这种结构的主链对热、紫外线以及化学试剂的破坏均具有很强的抵抗性。聚丙烯酸酯泡绵和胶粘剂不会降解，其模量将随着交联的建立而轻微增加，从而形成一种更强的耐久粘接。而对于不耐久的泡绵和胶粘剂而言，此类状况可能导致聚合物主链的破坏，从而降低力学性能。

4.2 户外老化实验

户外老化实验是人们针对户外应用所进行的评估实验。截至目前为止佛罗里达州的高温潮湿环境、亚利桑那州高温干燥且日照丰富的环境以及明尼苏达州的极冷极热环境的这些有代表性的测试都证实了SGT在经过5年的户外老化后仍然保持了近乎100%的粘接强度。在日本地区历时11年的室外测试也得出了相同的结果[2]。

4.3 人工加速老化实验

3M进行了SGT的加速老化实验去研究其耐久性能。测试采用了寿命预估实验设计，测试样品包括分别使用硅酮结构胶和SGT粘接的玻璃和阳极化铝的样块。这些样品被放置在带有热和湿度（喷水）循环的高强度UV 老化箱内，然后在不同的时间间隔后被取出测试正拉强度。图3描述了硅酮结构胶和SGT经过一段时间老化之后的正拉强度与初始强度的百分比[3]。

这个加速老化实验的最长暴露时间为10 000 h，10 000 h的实验是比ETAG 002 和ASTM C 1184更高辐照强度的更严格的UV 循环实验。根据寿命预估实验设计的模型计算，10 000 h的加速老化实验其辐照强度有50%的可能性至少相当于28年的佛罗里达州的高温潮湿环境或者29.6年亚利桑那州高温干燥且日照丰富的环境或者54.2年明尼苏达州的极冷极热环境。硅酮结构胶和SGT在苛刻的加速老化试验中甚至在暴露了10 000 h以后都展示了超过100%的正拉强度维持率，说明SGT和在业内广泛使用的硅酮结构胶具有相近的耐久性能。

4.4 ETAG循环负载疲劳实验和CE认证

根据ETAG 002和GB16776，SGT分别在欧洲和国内进行了在标态、高温、低温、浸水、水-紫外光照条件下的正拉和剪切强度的实验，这些实验都是在胶带没有承受任何应力条件下进行的。ETAG 002中最为独特的是材料的循环负载疲劳实验，其循环应力设计如图4所示，铝对铝的正拉强度样块在经历了循环负载疲劳实验后正拉强度基本保持不变，这也证明了SGT的极佳耐疲劳性能。SGT在通过欧洲技术批准 ETA—09/0024 3M? VHB? Structural Glazing Tape G/B 23F-Acrylic foam tape for structural tape glazing kits的同时也得到了CE认证。

4.5 幕墙形式试验

以上实验主要是针对材料性能的测试，为了更好地支持和研究SGT在粘接玻璃幕墙中的应用，3M 公司在2005年进行了苛刻条件下的幕墙形式试验[4]，本次试验同样选择硅酮结构胶作为参照物。风压设计值为2.9 kPa，根据各自的设计规则，分别完成SGT 和硅酮结构胶对测试板块的粘接。第1个测试程序包括SGT 对PVB夹胶玻璃，SGT 对DGU中空玻璃和硅酮结构胶对DGU中空玻璃的粘接板块。本次试验的设计非常严格，除了国内GB/T 15227—2007要求的常规气密、水密、抗风压性能测试，额外增加了高低温循环老化，并且在高低温老化和耐风压测试后进行了气密、水密性能的验证，更是在高低温（-25 ℃，32 ℃，70 ℃）情况下进行了抗风压的测试（持续1 min），这是非常苛刻的试验条件。正常条件下风会降低建筑物的温度，意味着不会出现既是高温又有很大风压的情况。SGT 和硅酮结构胶在本测试中都表现出良好的性能，之后又进行了破坏性试验，压力被逐渐加大至8.4 kPa，在此条件下夹胶玻璃被吹出试验仓，但是玻璃的四周边缘仍然被SGT牢固地固定在框架的周围，SGT 和硅酮结构胶粘接的DGU中空玻璃都顺利地通过了试验。

随后进行第2系列的试验，包括分别使用SGT 和硅酮结构胶粘接8 mm钢化玻璃，已经承受过第1系列循环的SGT粘接的DGU中空玻璃也参加了第2系列的试验，相当于进行了2遍循环。尽管风压设计值为2.9 kPa，但实际上最大风力载荷测试为10 kPa，SGT 和硅酮结构胶都顺利地通过了测试，这一切说明了SGT和硅酮结构胶一样在玻璃幕墙结构装配应用中的可靠性能。

4.6 实际应用项目历史

SGT粘接玻璃幕墙这类应用最早可以追溯到 1990年的巴西Urcov Building 项目，至今已有将近24年的成功应用历史，从那以后3M 公司将SGT应用于美国、德国、巴西、印度、以色列、泰国、新加坡等国家的数千座建筑物的玻璃幕墙中。

4.7 既有项目可靠性评估

有报道玻璃幕墙在使用若干年后有的会发生玻璃脱落的情况，所以人们非常想知道建筑物的预估寿命，这样就可以在出现安全隐患前，提前采取措施进行更换或加固。幕墙行业的著名咨询顾问公司CURTAINWALL DESIGN CONSULTING （CDC）在2010年对于已使用大约16年的巴西Glass Tower建筑物的SGT的结构完整性进行检测与评估，测试方法依据ASTM C 1392 “Standard Guide for Evaluating Failure of Structural Sealant Glazing”，但是该测试是一种非破坏性检测程序，根据 ASTM E 330 “Structural Performance of Exterior Windows，Doors，Skylights and Curtain Walls by Uniform Static Air Pressure Difference”反复的施加载荷。

试验装置如图5所示，3个支撑吸盘置于室内铝合金框架正对的玻璃上，中央拉拔的真空吸盘（直径为305 mm）置于后面是VHB SGT的玻璃的边缘。该器具配备一个真空泵，此泵固定在空压机上，这样当吸盘通过一个液压泵上的液压缸来缓慢向外拉拔时可以确保中央吸盘稳固吸附在玻璃表面。这个拉拔的动作可模拟负风压从而可以检测SGT的拉应力承载量。SGT 的设计载荷为85 kPa，整个试验的程序如下：1）设计载荷循环 （100% 设计载荷）。将玻璃拉到设计载荷85 kPa，保持10 s，然后释放载荷让其回复到原始状态；在同一位置重复2次，2次测试之间的间隔在1 min以上（根据ASTM E330）；回复3～5 min后，在同一位置将玻璃拉到设计载荷85 kPa，保持60 s，然后释放载荷让其回复到原始状态。2）超设计载荷循环 （150% 设计载荷）。100% 设计载荷试验结束3～5 min后，在同一位置将玻璃拉到150%设计载荷（126 kPa），保持60 s，然后释放载荷让其回复到原始状态；在测试进行到45 s时，从背面向测试粘接区域吹入滑石粉，这将有助于检测玻璃与 SGT之间有无产生脱胶分离。整个测试结果如下：SGT 仍完整粘贴在玻璃和铝合金框架上，没有发现胶带与玻璃之间有滑石粉的痕迹，没有发生粘接破坏；同时SGT 本身没有撕裂，胶带无内聚破坏。在应用若干年后SGT结构完整性的试验再一次证明了SGT用于玻璃幕墙粘接是一种非常可靠的解决方案。

5 结语

从上世纪70年代起随着压敏胶技术的成熟化及相关新技术新产品的诞生，国外开始将压敏胶带产品用于建筑幕墙的结构装配[5]。本技术在众多国家得到了实际使用，最早的玻璃幕墙作品已经过24年的实际使用，并于2009年取得了欧洲ETA的认可，另外CDC 在2010年对于已经使用16年的SGT结构完整性的评估充分证明了该技术的可行性和可靠性。SGT应用技术在2011年1月顺利通过了住房和城乡建设部科技发展中心的科技成果评估。与目前广泛使用的硅酮结构胶相比，其突出特点为施工简单方便、粘贴迅速、美观。随着中国经济与建筑水平的发展，这一技术在中国的尝试与推广将有益于提高我国幕墙制造水平，为实现建筑师的创意提供新的手段。

参考文献

[1]钟明强，徐立新，祝根平.压敏胶应用与开发进展[J].浙江化工，2001（1）：31-34.

[2]王新，刘盈.VHB?幕墙玻璃组装专用压敏胶带及其在幕墙工程中的应用[J].绿色建筑，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.