硅酮第二道密封在中空玻璃中的比较应用
近年来的实际工程验证证实硅酮作为二道密封的中空玻璃单元性能特别是抗水汽渗透的性能明显优于有机胶密封的中空玻璃单元。
有机胶作为中空玻璃单元二道密封的应用历史较早且延用至今，因此在大多数人的观念里，一直认为有机胶作为二道密封的中空玻璃单元有最佳的抗水汽渗透性。对于单道密封的中空玻璃单元，这种理解也许是正确的，但对于双道密封的中空玻璃单元，却不尽然。因为近年来的实际工程验证证实硅酮作为二道密封的中空玻璃单元性能特别是抗水汽渗透的性能明显优于有机胶密封的中空玻璃单元。
硅酮胶与有机胶的渗透性比较
由最新的国外研究报告显示，不同双道密封的中空玻璃单元按照DIN1286-1温度/湿度循环以及三个月恒高温(55度)和恒高湿(100%)曝露条件下, 中空玻璃单元的水汽渗透量在恒气候条件下测试比循环条件下高。其中采用硅酮作为第二道密封的中空玻璃单元比使用有机胶作为第二道密封的中空玻璃单元展现了更低的水汽渗透率。此结果证明中空玻璃单元性能是不应该也不能只考虑第二道密封单一材料水汽渗透性，必须要考虑整个系统。
实验数据显示在恒高温和高湿下,硅酮密封的中空玻璃单元更具有显著的性能优势;有机密封的中空玻璃单元水汽渗透率大约是硅酮的三倍。因为干燥剂的吸水率跟中空玻璃单元的平均寿命成反比,该发现表明了到现在为止硅酮作为第二道密封的中空玻璃单元使用寿命比聚硫或聚氨酯密封的中空玻璃单元要好的多。
表一 不同加速曝晒条件后的中空玻璃单元水汽渗透率
法国中空玻璃协会(CEKAL)早些时候对那些过早失效的中空玻璃单元进行过分析，他们发现所有失效的中空玻璃单元在紫外线照射下都有不同程度的第二道密封粘结性破坏现象存在， 而且没有一个案例是用硅酮作第二道密封的。德国门窗研究所(IFT)差不多在相同时间也报道过同样的趋势。
中空玻璃单元使用寿命探讨
在国内，中空玻璃单元的使用寿命目前并没有达成广泛的认识。
在欧洲，中空玻璃单元的使用寿命要求至少达到25年以上。冲填气体的中空玻璃单元要求气体的泄漏率每年要低于1%，加速老化后在25年的服务期限内，总的气体泄漏率要求少于5%。假设中空玻璃单元100%冲填氩气后的U值提高0.4W/ (m2K)，则在其服务期限内气体损失后导致的U值降低值应少于0.04W/(m2K)。
实际上，中空玻璃单元的使用寿命和热传导系数如气体保持率会受下列因素影响:一是边缘密封对水汽和气体的抗扩散性；二是水汽或气体扩散发生时通过密封胶的有效横截面大小；三是边缘密封的耐久性。
第一道密封的水汽与气体渗透性比第二道密封的渗透性要低得多,因此,通常的使用寿命是由通过第一道密封横截面的扩散量来决定。
IFT的研究报告指出，潜在失效的案例95%以上是由于第二道密封的粘接性丧失而引起的, 例如第二道密封的耐久性较差等因素。
边缘密封老化后引起的水汽顽症
为了研究中空玻璃单元过早失效的原因，两位学者Van Santen和Schlensog对此展开了深入的研究。
中空玻璃单元曝露在环境中或因服务降级因素引起边缘密封的老化，老化能引起水汽
传送机理的改变从而导致水汽入侵或气体的泄漏。在中空玻璃单元使用期间若水汽渗透明显增加时表明系统出现老化， 所以水汽渗透增加是一个很好判断系统出现老化与否的指标。没有老化前,在稳定状态下,当干燥剂远没有达到饱和,此时单位时间内水汽侵入中空玻璃单元的数量应当是一个常数。当中空玻璃单元内的干燥剂接近饱和时,水汽的侵入应当会减慢,因为局部的压差平衡了。然而,在实验室以及在现场安装的单元在经历重复的湿度和温度循环测试时,随着曝露时间的增加,水汽渗透经常显示出非线性增加(Van Santen 1986, Marusch 1988),
Van Santen(1986)把这种行为归结为由于温度和压力的波动产生了边缘密封的运动从而引起了第一道密封的物理性降级。由于这种重复性的运动，可能使第一道密封发生内聚或粘结性失败。这两种失败的机理在中空玻璃单元实际使用过程中都可以观察到，通常伴随着PIB第一道密封渗透到可见的内腔内。
Schlensog(1986)通过偏振显微镜技术观察到了有机胶第二道密封经过紫外线照射后在玻璃上的粘接性损失的过程。我们都知道，阳光照射到常规的中空玻璃单元上时，都有一定数量的入射光线通过玻璃的内反射而到达边缘密封部位。当曝露在这样有杀伤力的短波光谱下持续一定的时间，有机胶就会失去它的玻璃粘结性。该研究还显示出，在粘结性或边界破坏变得在边缘密封上可以探测到前，微观条件下的分层已经存在， 随着曝晒时间的继续，该分层变大并互相连接，最后导致宏观失败。很有可能在宏观失败发生前，水汽和气体沿着界面损坏的区域渗透到内腔，可能随着水汽的入侵加速了这种失败的机理。
边缘密封的温度变化会引起间隔条和玻璃间由于不同的热膨胀系数而产生周期性的剪力和剥离力,并在边缘密封上产生很高的应力，这种应力可能和老化影响叠加在一起。接口内的剪位移在靠近胶和基材的接触面会产生很高的拉伸应力成分， 该应力差不多是原始剪应力的两倍，这也是为什么受剪下的密封胶容易在基材面上失败。如果第二道密封胶在服务年限下变硬，拉伸应力的增加可能会引起部分或完全的粘结性丧失。
有效的扩散横截面
水汽或气体扩散发生时通过边缘密封的有效横截面大小的控制往往有赖于中空玻璃制造工艺。正确的中空玻璃制造工艺能减少水汽或气体扩散发生时通过边缘密封的有效横截面。制造工艺的要求是第一道密封除了达到正确的尺寸外,必须没有气泡,而且完全润湿间隔条和玻璃接触面。就刚性间隔条来说,第一道密封在正压力下的扩张程度是由第二道密封抵抗受力的拉伸强度决定的。实际上,正压差在大气压力低的时候或者高温时存在,温度是形成大多数压力差的原因。而温度引起的压力差对边缘密封施加的作用力比风压和大气压力变化引起的作用力高很多。因此,第二道密封在高温下的拉伸应力行为(杨氏模数)必须考虑。第二道密封的抗拉伸能力越高,第一道密封的扩散横截面就会维持得越好。
此外，进一步影响中空玻璃使用寿命和U值的因素是第一道密封扩张后持续的时间。不管使用的二道密封的类型如何， 这种开口时间总是随正压差的周期而存在。如前面所述，开口的程度依赖于二道密封胶的抗拉强度。然而，一旦正压差减弱，并取得内外压差的平衡，要求边缘密封封闭第一道密封开口的时间长短依据所使用的二道密封胶的弹性恢复率而不同。具有低弹性恢复率的密封胶在其应力应变行为上呈现出黏流性，由于这种应力松弛原理，其拉伸应力在维持延伸期间会降低。造成的结果就是当外力消除时，它们不再具有快速封闭第一道密封开口恢复到原来尺寸的能力。如果第二道密封不能完全恢复，那么第一道密封就会留下永久的变形。此外，因为扩散通道的开口主要存在于高温时段，因此具有较差弹性恢复率的二道密封胶在高温时段里明显会缩短中空玻璃单元的使用寿命。
除了温度和大气压力的波动外，周围环境的水汽标准程度也间接地影响着第一道密封的开口和封闭程度。在高水汽标准存在时，或更高时如直接接触液态水，第二道密封胶吸收水分会增加体积和降低其机械特性。总之，聚合密封胶网架的交联密度越低，它的吸水性就越高。对大部分胶来说，吸水引起的负面影响程度和所吸收水的总量成正比。第二道密封的吸水会导致第一道密封的开口扩张，因此有效扩散横截面的面积也增加了。
环境因素的影响
中空玻璃曝露在不同的环境和使用因素中,这些因素会对中空玻璃的平均寿命产生负面影响， 关于该方面的文献经常把这些影响分成物理影响(如温度和压力波动等)和化学影响(如大气环境，化学品等)两类。其中,有些环境影响,如阳光和水汽,会同时产生物理和化学作用。
高温会加速大多数的物理和化学反应,例如使中空玻璃密封胶老化和使水汽或气体透过边缘密封扩散加速。温度波动使中空玻璃单元内产生压力变化。这些压力会对边缘密封产生机械应力,对小尺寸的单元作用最强, 对边缘密封形成最大的应力。此外,受热后，如前所述，间隔条和玻璃板片的不同热膨胀系数会导致剪切和剥离力作用在边缘密封上。
边缘密封的温度受环境温度每天和每年定期变化影响， 从而使边缘密封的温度也相应的快速改变。据统计，在中空玻璃单元的使用期限内(以25年计)所引起的压力波动，有2000 次是由于大气(气候)引起的，约20,000次是由阳光辐射引起的，约400,000次是由风压引起的。这些压力波动会周而复始地作用在边缘密封上，影响到中空玻璃单元的平均寿命。因此， 一个良好的中空玻璃单元边缘密封必须具备以下特性：
1、耐候性，也就是抵抗环境因素(同时考虑物理性能和黏接性)
2、具有抑制边缘密封运动的结构强度来使第一道密封的有效扩散横截面积变化最小。
3、在使用条件下具有较低的水汽及气体渗透性
硅酮的化学特性
硅酮作为第二道密封的中空玻璃单元在苛刻的自然环境中能保持优良的性能是因为硅酮本身具有一些有机胶无以伦比的化学特性。
1、优越的抗老化特性：
硅酮高分子本身所具有的Si-O键具有很高的键能和较大的键角，所以对紫外线和波长280nm以下的大部分不可见光线来说是通透的，而且该Si-O键不会轻易被打断。其次，硅酮分子间的相互作用力比较弱，分子链具有柔韧性，这就使得硅酮高分子具有很好的伸缩性并且几乎不受环境温度特别是极端高低温的影响。
2、弹性模量：
有机胶的弹性模量随着温度的升高而逐渐降低，从-20°C 到70°C 聚硫胶的模量会下降40%，聚氨酯会下降60%左右， 而硅酮几乎不受其影响，其模量基本保持不变。
3、弹性恢复率：
同样，硅酮由于其固有的分子特性一般表现出很好的弹性恢复率，而有机胶则表现出其热塑性，也就是随着温度的升高其弹性恢复率会逐渐降低。
4、吸水率：
通过吸水，水和水汽能引起边缘密封的自然应力和中空玻璃密封胶本身的膨胀。有机胶都是亲水性的，一般表现出较高的吸水率，而经过特殊配方设计的密封胶(如DC3362)则表现出比一般硅酮密封胶更低的吸水率。
5、高温下的水汽扩散性：
温度在很大程度上影响着中空玻璃密封胶的水汽和气体渗透性。随着温度的升高，水汽和气体的扩散速度都会加快。中空玻璃单元第二道密封胶的水汽渗透性(WVP)在60°C时是20°C 的6-8倍，而且硅酮和聚硫的水汽渗透性在高温时是差不多的。
统计结果表明，中空玻璃在低温时一般不易失效，中空玻璃的失效一般都发生在高温时段。虽然中空玻璃单元的边缘密封每年曝露在30度以上的时间只占(或少于)全年的20%，然而在这简短的高温季节里,中空玻璃单元经历的损坏要比温度30 度以下全年的其余时间里经历的损坏高两倍，这是因为高温下有机胶密封的中空玻璃单元其第二道密封在高温下发生老化， 老化后其粘结性，弹性模量，弹性恢复率等发生降级，而其水气扩散性在高温下又会加快，因此高温伴随着高湿会彻底降低中空玻璃单元的平均寿命。硅酮作为第二道密封的中空玻璃单元则不然，如前所述，高温高湿下其吸水率要远远低于有机密封的中空玻璃单元从而具有更好的耐久性。
结束语
硅酮第二道密封的中空玻璃单元比有机胶二道密封的中空玻璃单元具有较低的水汽渗透率，是因为边缘密封的渗透性几乎完全由第一道密封(PIB)的渗透性决定，而且作为第二道密封的硅酮在黏弹性，特别是在实际使用条件下的抗拉强度和弹性恢复率方面要优于有机胶，因此其阻止水汽扩散进入第一道密封方面比有机胶表现得更好。边缘密封的抗气体扩散同时取决于第一道和第二道密封的渗透性。硅酮作为第二道密封的中空玻璃单元在实际的服务条件下测试也证实具有较高的耐久性和服务年限，是因为硅酮第二道密封的物理和黏接性能几乎不受主要的环境老化因素，也就是紫外线，热量和湿度的影响。
本文由采购平台与道康宁（上海）联合发布
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