现代分析技术在密封胶失效原因分析中的应用

程 鹏，金燕鸿，郭月萍，邢凤群，杨潇雨

（郑州中原思蓝德高科股份有限公司，河南 郑州 450000）

中空玻璃弹性密封胶作为胶粘剂的一种，通过粘接2片玻璃使其形成密闭的干燥气体层，对中空玻璃发挥其隔热、隔音和节能等功效起着关键作用。目前，常见建筑中空玻璃使用一段时间后出现雾气、结霜等过早丧失节能功能的现象，甚至发生单片玻璃脱落而伤人毁物等问题，此类问题多与中空玻璃弹性密封胶过早失效有关。建筑产业属于典型的传统行业，以往对于密封胶在其应用过程产生的诸多问题较多处于表象的简单分析，未能精确找出问题原因。随着材料科学与工程领域研究技术的不断进步，对材料微观结构、性能等的研究方法与技术手段也越来越多，如采用气相色谱质谱联用（GCMS）分析、红外光谱（FT-IR）分析和热重（TG）分析等现代分析技术。本研究利用多种现代分析技术，通过分析几项建筑中空玻璃失效的典型案例，研究了造成失效的影响因素及原因。

1 中空玻璃密封胶失效典型案例分析

1.1 FT-IR分析

1.1.1 典型案例及现象

河南某玻璃幕墙工程中空玻璃外片玻璃发生脱落问题，该工程主体为明框玻璃幕墙，开启扇中空玻璃四周没有窗框的保护，属于全隐框形式。工程建成7年后，在开启扇部位出现中空玻璃外片脱落情况，这是由于外片玻璃与中空玻璃外道密封胶完全脱粘而造成的脱落，如图1所示。

1.1.2 测试分析

（1）样品：取出现问题的开启扇中空玻璃外道密封胶为样品。

（2）测试方法：采用FT-IR分析方法分析样品。

（3）结果分析：样品的FT-IR光谱分析结果如图2所示。

图1 开启扇中空玻璃外片脱落现场图Fig.1 Scence drawing of outer sheet falling offof insulating glass for opening window

图2 开启扇中空玻璃外道胶红外光谱图Fig.2 Infrared Spectrum of outer sealant of insulating glass for opening window

图2 为典型的聚硫胶FT-IR谱图，742 cm-1处为C-S键的伸缩振动特征峰，1 414～1 115 cm-1处为聚硫中与S相连的亚甲基-CH2-振动特征 峰 ，1 724 cm-1、 1 284 cm-1处 为 聚 硫 密 封胶所用酯类增塑剂中C=O、C-O-C的伸缩振动特征峰[1，2]，由此可以判断该开启扇中空玻璃用外道密封胶为聚硫密封胶。

中空玻璃的外道密封胶主要有硅酮结构密封胶、聚硫密封胶。由于隐框开启扇用中空玻璃外道密封胶承受着外片玻璃所受的风荷载及自重荷载作用，所以必须采用结构密封胶，且应当对紫外线辐照、雨水、臭氧、高温和低温等环境具有较好的耐环境老化性能，其中紫外线辐照对密封胶的性能影响较为明显。紫外线能量与密封胶中典型化学键的键能对比情况如表1所示。

由表1可知：聚硫密封胶的主要化学键C-C、C-S和S-S等的键能较低，而紫外线光能量较高，具有足以破坏聚硫密封胶中化学键的键能，使得聚硫密封胶经过长时间紫外线辐照后的性能降低，产生脆化、开裂和与基材脱粘等问题。硅酮类密封胶的主要化学键Si-O键能较紫外线光能量高，耐紫外线老化能力较好。因此，我国相关规范规定，对于隐框、半隐框及点支撑玻璃幕墙等承受荷载作用的中空玻璃，其外道密封不能使用聚硫密封胶，必须采用硅酮结构密封胶[3]。该幕墙工程开启扇为全隐框形式，选用聚硫密封胶制作中空玻璃违反了国家规范要求，经过长时间老化后，聚硫胶与基材完全脱粘，最终导致外片玻璃脱落。

表1 紫外线能量与密封胶中典型化学键的键能Tab.1 Energy of solar ultraviolet rays and typical chemical bonds in sealant

1.2 TG与FT-IR结合分析

1.2.1 典型案例及现象

广西某建筑中空玻璃发生密封胶流淌问题。工程完工4年后出现中空玻璃用丁基密封胶在空腔内流淌，玻璃与金属框架接缝用密封胶为半透明状且局部泛黄。拆卸下中空玻璃板块观察，外道密封胶被污染，表面存在许多半透明状的物质，如图3所示。

1.2.2 测试分析

图3 某建筑中空玻璃丁基密封胶流淌现象Fig.3 Flowing phenomenon of butyl sealant for insulating glass in a building

（1）样品：取中空玻璃与金属框架接缝用半透明密封胶，以中空玻璃外道密封胶为样品。

（2）测试方法：采用TG、FT-IR分析方法分析样品组分。

图4 半透明胶样品TG分析图Fig.4 Thermogravimetric analysis result of translucent sealant sample

（3）结果分析：样品的TG分析结果如图4、图5所示。

图5 中空玻璃外道胶TG分析图Fig.5 Thermogravimetric analysis result of outer sealant of insulating glass

由图4、图5可知：半透明胶样品和中空玻璃外道胶样品均在100～300 ℃出现失重区间，表明样品中含有低沸点物质（100 ℃开始挥发），半透明胶样品中低沸点物质含量占24.7%；中空玻璃外道胶中低沸点物质占11.3%，2种样品中均含有低沸点物质且半透明胶样品中含量较大，验证了外道胶已被半透明胶污染。为进一步确认低沸点物质成分，对样品进行FT-IR光谱分析，结果如图6所示。

图6 中空玻璃外道胶红外谱图Fig.6 Infrared Spectrum of outer sealant of insulating glass

图6 为典型的硅酮胶FT-IR光谱图，1 259 cm-1处 为吸收特征峰，1 091～1 018 cm-1处为Si-O-Si的伸缩振动特征峰，2 960 cm-1为CH3的C-H非对称伸缩振动特征峰，中空玻璃外道胶为硅酮类密封胶。同时，谱图中在1 377的C-H对称弯曲振动特征峰，的弯曲振动特征峰，以及在2 853的C-H非对称伸缩振动特征峰，的C-H面内摇摆振动特征峰，参照GB/T 31851—2015《硅酮结构密封胶中烷烃增塑剂检测方法》标准可判定样品中低沸点物质为烷烃增塑剂白油[4]。白油透过外道胶进入丁基密封胶进而使丁基密封胶溶胀、溶解[5]，最终造成中空玻璃空腔内流淌的现象。

1.3 GC-MS分析

1.3.1 典型案例及现象

广东某玻璃幕墙中空玻璃发生漏气问题。拆卸下出现问题的玻璃板块（如图7所示），发现玻璃板块下端2侧分别放置有橡胶垫块，玻璃板块水平方向有所倾斜，其中一侧垫块与密封胶接触面表面凸起，有受力痕迹（如图9所示），与该橡胶垫块接触的密封胶与2片玻璃均脱粘（如图8所示）。

图7 LOW-E中空玻璃漏气现象Fig.7 Air leakage phenomenon of LOW-E insulating glass

图8 与垫块接触部位的胶面脱粘Fig.8 Debonding of adhesive surface in contact with cushion block

图9 橡胶垫块Fig.9 Rubber cushion block

1.3.2 检测分析

（1）样品：橡胶垫块，与橡胶垫块接触的中空玻璃外道密封胶，与垫块未接触部位中空玻璃外道密封胶，正常密封胶样品。

（2）测试方法：采用Shore A硬度计对密封胶样品进行硬度测试，采用GC-MS分析各样品的主要成分。

（3）结果分析：①密封胶硬度分析，各密封胶样品Shore A硬度测试结果如表2所示。由表2可以看出，接触垫块处的密封胶硬度测试结果异常，明显高于正常密封胶样品及其余部位处密封胶的硬度，可见密封胶性能受到了垫块的影响；②各样品主要成分分析，橡胶垫块溶出物的GC-MS分析结果如图10所示。中空玻璃不同部位的外道密封胶分析结果如图11、图12所示。

表2 密封胶硬度测试结果Fig.2 Hardness test results of sealant

图10 橡胶垫块溶出物分析图Fig.10 Analysis diagram of dissolved substance of cushion block

图11 与垫块未接触部位密封胶溶出物分析图Fig.11 Analysis of dissolved substance of sealant not in contact with cushion block

由图10可以看出，橡胶垫块中含有邻苯二甲酸二丁酯（9.32周围峰）、邻苯二甲酸二异辛酯（15.39周围峰）；由图11可以看出，与橡胶垫块未接触部位的密封胶主要含有邻苯二甲酸二丁酯（9.78周围峰）；由图12可以看出，与橡胶垫块接触部位的密封胶含有邻苯二甲酸二丁酯（9.33周围峰）、邻苯二甲酸二异辛酯（15.40周围峰），较未接触橡胶垫块部位的密封胶增加了橡胶垫块中特有的邻苯二甲酸二异辛酯等物质，可见此处密封胶已被垫块污染。

综合以上分析：该中空玻璃板块安装倾斜，橡胶垫块受力不均，玻璃板块在一侧橡胶垫块上产生应力集中；与橡胶垫块接触的密封胶已被污染，垫块中的增塑剂进入密封胶，使密封胶性能受到影响，同时在长时间的应力集中持续作用下与玻璃产生脱粘，最终导致中空玻璃漏气。

图12 与垫块接触密封胶溶出物分析图Fig.12 Analysis of dissolved substance of sealant in contact sealant with cushion block

2 结论

FT-IR、TG和GC-MS联用分析等现代分析技术各具有其特性，多种现代分析测试技术的综合应用可对密封胶失效问题发生的原因进行有效分析，精确找出问题产生的原因，为以后预防和解决类似实际应用问题提供了参考。