隔热型防火玻璃夹层材料和结构的应用现状

2021-05-06徐磊李要辉穆元春陈玮张凡王晋珍徐志伟祖成奎

玻璃 2021年4期

徐磊李要辉穆元春陈玮张凡王晋珍徐志伟祖成奎

（中国建筑材料科学研究总院有限公司北京 100024）

0 引言

复合防火玻璃是目前唯一能够起到隔热作用的防火玻璃，近年来受到玻璃行业和科研机构越来越多的关注。复合防火玻璃由两片或两片以上的平板玻璃中间夹以透明的防火胶组成，遇火时迎火面玻璃首先破裂，防火胶在高温下快速发泡形成隔热层，从而起到防火隔热的作用。因此，防火胶材料和玻璃结构是决定复合防火玻璃各项性能的主要因素。目前常见的防火胶材料主要有两类，一类是以聚丙烯酰胺为基体的有机材料［1-3］，另一类是硅酸盐基的无机材料［4-9］。不同的防火胶材料用于生产防火玻璃的工艺也不相同，主要有晾板法和灌浆法两种生产工艺［10］，不同的生产工艺也会带来玻璃结构的差异。防火胶材料、生产工艺和玻璃结构的差别，造成了复合防火玻璃性能上的巨大差异，包括外观质量、耐火隔热性能、耐紫外线辐照、耐寒、耐热等性能方面。

自从上世纪70年代防火玻璃在欧洲出现并应用至今，国外防火玻璃在研发、生产和规范制定等方面都积累了大量的数据和经验，并形成了以皮尔金顿、圣戈班为代表的专业大型防火玻璃供应商。先进的技术、完善的体系，系统的防火玻璃设计和法律法规的推动，使复合防火玻璃在工程应用上获得了很大的成功。相比之下，我国防火玻璃技术发展缓慢、市场混乱、产品质量良莠不齐。近几年，国家标准GB 50016—2014《建筑设计防火规范》的实施和《关于深化消防执法改革的意见》的颁布极大地推动了国内防火玻璃产业的技术进步和行业发展。随着我国对建筑防火的重视，国内高校和研究院对防火玻璃技术的研究越来越多［2-10］，市场对产品的质量要求越来越高，产品迭代不断加快。但是很少有人关注复合防火玻璃的结构设计，也忽略了防火玻璃耐火隔热的本质特征，导致现在一味的追求防火玻璃尺寸越大越好、厚度越薄越好，严重违背了防火玻璃的设计初衷。本文简要论述了国内复合防火玻璃的防火胶材料和玻璃结构应用现状，同时对比分析国外复合防火玻璃产品特点，以期给我国复合防火玻璃的发展提供一些借鉴。

1 隔热型复合防火玻璃的防火胶材料和结构

1.1 国内隔热型复合防火玻璃数据统计

根据中国消防产品信息网公布的消防产品信息统计，目前在国内获得隔热型复合防火玻璃检验报告并取得中国国家强制性产品认证证书的厂家有136家，包括国内135家公司和德国皮尔金顿股份有限公司，其中有机复合防火玻璃生产厂家111家，无机复合防火玻璃生产厂家34家；查询到主型产品的隔热型防火玻璃检验报告359份（不包含德国皮尔金顿4份报告），其中有机复合防火玻璃的检验报告263份，无机复合防火玻璃的检验报告96份，涉及0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h和3.0 h五个防火等级的复合防火玻璃产品。

1.2 有机复合防火玻璃的防火胶材料及结构应用现状

有机复合防火玻璃的防火胶材料主要由丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、硫酸铝钾、氯化镁、氯化钠、过硫酸铵等成分组成，采用灌浆法将防火胶液灌注到四周以阻燃胶条密封的玻璃腔体中，其中丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺交联固化形成的有机网络结构作为基体，阻燃剂、膨胀剂等添加剂被固定在上述有机网络中。据统计，在主型产品的263份有机复合防火玻璃的检验报告中，有259份检验报告中的玻璃结构为两玻一胶结构，即两片平板玻璃夹单层防火胶，随着防火等级的增加，防火胶层的厚度在不断增加，厚度范围为6～35 mm。仅有3份检验报告的玻璃结构为三玻两胶，1份检验报告的玻璃结构为四玻三胶。

有机复合防火玻璃的防火胶材料和结构决定了其最大的优点是原材料价格低廉、生产工艺简单，从而使整个生产成本降低。同时其缺点也是很明显的：首先，由丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺交联形成的基体状态类似于果冻，含水量高，强度低，抗流变性能差，极易造成收缩缺陷和坠胀变形；其次，随着防火等级的增加，防火层厚度不断增加，而防火玻璃的结构始终是两玻一胶，两层平板玻璃无法有效抵抗防火层材料的流动下坠，从而造成防火玻璃的坠胀变形甚至胀裂，这也限制了该类型产品的应用尺寸。另外，在主型产品的263份有机复合防火玻璃的检验报告中，有181个产品用于室内，可用于室外的产品报告仅有82份，这是因为有机复合防火玻璃的抗紫外线辐照性能很差，即使用于室内，聚丙烯酰胺凝胶材料在常温情况下的耐老化性能也不容乐观，实际应用表明，部分产品应用于室内6个月后防火胶已经严重开裂、发乌。

从检验报告的数量上可以看出来，有机复合防火玻璃在国内还是有着比较庞大的市场，这跟其低廉的价格是分不开的。由于原材料中丙烯酰胺单体对人体的毒性和对环境的污染，玻璃的耐候性能和耐火隔热性能都比较差，使用寿命短、烧检通过率低等因素，有机复合防火玻璃的使用受到很大的限制。

1.3 无机复合防火玻璃的防火胶材料及结构应用现状

1.3.1 晾板法

在主型产品的96份无机复合防火玻璃的检验报告中，采用晾板法生产工艺的产品报告有28份，原材料以硅酸钠（水玻璃或泡花碱）为主，添加工业聚磷酸铵、氯化钠、氯化镁、尿素、硼砂、硫酸铝钾等添加剂后形成晾板液，将其浸渍或涂覆至玻璃原片表面，在恒温恒湿条件下脱去水分后形成防火胶，再通过合片液将另一玻璃原片与其粘接在一起，升温增压制得复合防火玻璃。

表1为国内部分防火玻璃企业采用晾板法生产的隔热型复合防火玻璃的产品参数。

表1 国内部分防火玻璃企业采用晾板法生产的隔热型复合防火玻璃的产品参数

该类型复合防火玻璃的特点是防火胶厚度薄、层数多，随着耐火等级的增加，防火胶的层数也随之增多。企业A/B产品结构类似，A1.00玻璃结构为四玻三胶，A1.50玻璃结构为五玻四胶，A2.00玻璃结构增厚至六玻五胶、甚至八玻七胶，具体结构参数随着胶层厚度略有调整。企业C产品结构略有特殊，其防火胶厚度均为1.4 mm，A1.00玻璃结构为6层3 mm玻璃和5层防火胶复合形成25 mm防火玻璃，A1.50玻璃结构并非直接增加胶层数量，而是通过A1.00的25 mm防火玻璃和一个16 mm防火玻璃（4层3 mm玻璃和3层防火胶）进行中空复合，相应地，A2.00玻璃结构为两个A1.00防火玻璃通过3 mm中空进行复合。就结构而言，C公司的隔热型复合防火玻璃，当其耐火等级达到A1.50以上时，采用多个低耐火等级的防火玻璃进行中空复合，这样在一定程度上会增加玻璃的厚度，但其耐火等级也是真实的叠加，甚至由于中空层的存在，耐火隔热性能会更好。这种结构设计与德国皮尔金顿的Pyrostop系列隔热型复合防火玻璃的结构是类似的（表3）。

晾板法生产的隔热型复合防火玻璃在国内应用比较早，但目前市场上的工程用量只占有很小的比例，生产厂家也比较少，且产品与皮尔金顿同类产品有较大的差距。由于其独特的生产工艺，该类型玻璃有着鲜明的优缺点。玻璃板主要采用3 mm或4 mm的非钢化玻璃，因此可以实现后期切割应用；水玻璃基防火胶材料经过在恒温恒湿条件下蒸发水分后得到的防火胶固相含量可高达70%以上，因此防火胶硬度大，抗流变能力强，加之防火胶层厚度小，几乎不会发生坠胀变形；由于防火胶的低模数和低含水量，该类型防火玻璃的耐寒性能极好，甚至可以在-50 ℃以下的低温环境下使用而不结冰；同样，由于含水量低，防火胶遇火发泡更加均匀致密，结合防火胶层的厚度小、数量多的玻璃结构，在高温下可形成多层均匀致密的泡沫层，更好的起到耐火隔热作用。众多优点加身的同时，该类型玻璃的缺点也是致命的。由于生产工艺相对复杂，生产周期长、环境要求高，生产过程控制不好极易产生气泡，即产品的外观质量和稳定性成为挑战；由于水玻璃的摊铺和凝胶过程需在极平的玻璃原片上进行，目前尚且无法采用钢化玻璃进行生产，也不能用于生产异形玻璃；该类型玻璃采用的主要原料为低模数钠水玻璃，导致防火玻璃的耐紫外线辐照性能差，无法直接用于室外。

1.3.2 灌浆法

灌浆法是指将按比例调配好的硅酸盐溶液灌注到四周以特制阻燃胶条密封的多层玻璃腔体中，原位反应固化成透明的硅酸盐凝胶，从而制得复合防火玻璃，目前市场上的新型“纳米硅”、“水晶硅”防火玻璃属于该类型玻璃。经统计，采用灌浆法的防火玻璃产品认证报告有68份，其中23份报告中的防火胶材料为硅酸钠，同时添加氯化镁、氯化钠、硫酸铝钾等添加剂，该类产品结构特点是均采用两层平板玻璃夹一层防火胶，且随着耐火等级的增加，防火胶层厚度不断增加，层厚最大可达46 mm，耐火等级覆盖A1.00到A3.00。该类型防火玻璃的防火胶多是以钠水玻璃为基础，通过添加固化剂的方式进行凝胶化处理而得到。由于水玻璃的含水量高，形成的防火胶强度比较低，耐火隔热性能较差。另外，单层防火胶结构覆盖了从A1.00到A3.00所有耐火等级，这种结构设计也影响了其耐火隔热效果。其余45份报告中的防火胶为采用纳米二氧化硅和碱溶液混合并原位反应生成的硅酸钾凝胶，其中国内部分防火玻璃采用灌浆法生产的隔热型复合防火玻璃产品参数如表2所示。该类型玻璃的结构特点为：A0.50玻璃结构均为两层平板玻璃夹一层防火胶； A1.00玻璃结构均为三层平板玻璃夹两层防火胶；随着耐火等级的增加，防火胶层的数量增加，或者防火胶层的厚度增加，或者两者同时增加；一般情况下，随着玻璃尺寸的增加，选用的平板玻璃的厚度也会增加；防火胶层厚度明显更厚，多为5.0～8.0 mm。

表2 国内部分防火玻璃企业采用灌浆法生产的隔热型复合防火玻璃的产品参数

续表2

上述“纳米硅”系列灌浆复合防火玻璃近年来在国内得到迅猛发展，工程应用越来越多，相关技术研究也在持续跟进。灌浆法生产工艺相对简单，生产效率高，可生产曲面异形复合防火玻璃；通过对原料配方进行设计获得优异的耐紫外线辐照性能。与晾板法获得的防火胶相比，灌浆法所得防火胶的固相含量较低，一般在40%～45%，防火胶硬度小，抗流变能力差，加之防火胶厚度较厚，容易坠胀导致玻璃变形，玻璃尺寸越大，风险越大。同样的，由于防火胶含水量较高导致其耐寒性能较差，市场上的大多数产品仅能在-10 ℃以上使用，只有极个别产品的耐寒性能达到-30 ℃，这几乎是灌浆法制备隔热型复合防火玻璃耐寒性能的极限。特别提出的是，防火胶含水量高也会带来遇火发泡脱胶、鼓包等潜在导致耐火隔热性能失效的风险。

因此，我国在该类型防火玻璃领域尤其是防火胶的性能改进方面仍有很大的进步空间。主要在以下几个方面：①防火胶的固相含量至少提升至45%～50%，甚至达到50%以上，防火胶的硬度将大幅度提升；②考虑到我国气候差异较大，防火玻璃的耐寒性能根据应用场景可设置不同的等级，如-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃；③无论是防火胶固相含量的提升还是防火玻璃耐寒性能的提升，都要考虑到防火液的灌注效率和生产过程气泡的产生。

2 国外无机复合防火玻璃设计理念分析

国内市场上比较常见的进口无机复合防火玻璃有英国Pilkington 的Pyrostop系列产品和圣戈班集团旗下Vetrotech公司的Contraflam系列产品。其中Pyrostop系列复合防火玻璃采用晾板法生产，Contraflam系列复合防火玻璃采用灌浆法生产，其具有代表性的不同等级产品结构参数如表3所示。

表3 国外隔热型复合防火玻璃产品参数

从表3可以看出，圣戈班的Contraflam系列产品，其耐火等级A0.50的玻璃结构为三层平板玻璃夹两层防火胶，耐火等级A1.00玻璃结构为四层平板玻璃夹三层防火胶，耐火等级为A1.50的玻璃结构为五层平板玻璃夹四层防火胶。当其耐火等级达到A2.00时，玻璃结构并没有直接在耐火等级A1.50的玻璃结构上直接增加一层防火胶，而是两块耐火等级A1.00的隔热型复合防火玻璃通过一个6 mm的中空进行复合，耐火等级达到A3.00时，玻璃结构也没有简单的将三块耐火等级A1.00的玻璃中空复合，而是两块耐火等级A0.50的玻璃和一块耐火等级A1.00的玻璃形成双中空结构。

与国内隔热型复合防火玻璃结构相比，圣戈班Contraflam系列复合防火玻璃有以下三个特点：①在相同耐火等级下，增加了防火胶层的数量，同时降低了防火胶层的厚度；②当耐火等级达到A2.00及以上时，选择采用多个低耐火等级的防火玻璃进行中空复合，这一点与皮尔金顿的Pyrostop系列产品设计理念是相同的；③相同耐火等级、不同结构设计的防火玻璃，其推荐的应用尺寸是不同的，显然应用尺寸受到了结构的限制。前两点结构设计方面的考虑均在一定程度上增加了防火玻璃的整体厚度，应用尺寸的限制也会在一定程度上对建筑物整体的美观造成影响，但却在更大程度上保证了玻璃的耐火隔热性能，使其更加安全可靠。隔热型复合防火玻璃的发展还没有达到尺寸和结构可任意设计的程度，防火玻璃的目的是为了最大程度发挥其耐火隔热性能，保障人们的生命财产安全，这是防火玻璃进行结构设计的初衷。目前国内相关数据积累还比较少，国外的设计理念和现实应用值得借鉴。