影响夹层玻璃脱胶因素研究分析

赵宸君，杨健，王星尔，李刚，姜现方

（1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2.上海市公共建筑和基础设施数字化运维重点实验室，上海 200240；3.河南中玻玻璃有限公司，河南 周口 466000）

0 引言

玻璃构件以其独特的透明性和美观性在建筑领域备受青睐，其使用历史已经近千年[1-2]。由于玻璃材料的绝对脆性，单片玻璃在建筑领域的应用范围受到了较大的限制。近几十年来，随着夹层玻璃的出现及其夹胶工艺的完善，玻璃在建筑领域的使用面积和应用范围得到极大增长和延伸[3-4]。夹层玻璃通过中间膜胶层良好的粘结力将2 层或多层玻璃单片构成一个共同受力的组合体，不仅增强了夹层玻璃构件碎裂前承载能力，还能在其碎裂后提供一定的开裂后承载能力。中间胶层和玻璃片之间的粘结性能是影响夹层玻璃整体性能至关重要的因素。当夹层玻璃出现脱胶时，在美观上降低了其透明度，影响视觉效果；在功能上丧失了部分或全部层间剪力传递作用，降低了夹层玻璃的整体承载性能，影响其服役安全；在玻璃碎裂后，脱胶降低了胶片对玻璃碎片的粘附能力，增大了玻璃碎片飞溅的可能性，甚至导致开裂后的玻璃构件出现整体掉落、坍塌。

夹层玻璃粘结破坏主要有3 种类型：被粘体破坏（玻璃本体破坏），内聚破坏（胶层破坏）以及粘附破坏（玻璃和胶层脱开）。在外部多种因素作用下，当胶片和玻璃之间的作用力超过其粘附力时，胶片和玻璃之间发生分离，表观上表现为气泡、翘边、边缘泛白等，其本质为粘附破坏，也就是常说的脱胶。夹层玻璃脱胶直接关系到夹层玻璃的安全性、可靠性和耐久性，而影响夹层玻璃脱胶的因素贯穿夹层玻璃原材料选择、玻璃深加工以及其使用维保阶段。玻璃原片的平整度、中间胶层粘附特性以及胶片-玻璃界面物理化学吸附作用类型都直接影响夹层玻璃层间粘结性能。欧迎春等[5-6]基于粘附热力学探究了玻璃原片、胶片表面以及界面特性等对夹层玻璃层间粘结性能的影响，从原材料处理工艺方面提出了改善夹层玻璃层间粘结性能的建议。马启元和耿平[7]探究了胶片的物理化学特性对夹层玻璃层间粘结性能的影响，并建议对聚乙烯醇缩丁醛（PVB）夹层玻璃在使用过程进行封边处理。夹层玻璃深加工对玻璃-胶片界面的粘结性能同样有着关键性的影响，加工过程中操作不当将严重降低胶片-玻璃界面的粘结性能，甚至直接导致夹层玻璃在生产过程中出现气泡、翘边等现象[8-9]。环境因素，如温度作用、湿度作用、紫外辐射以及清洁剂浸泡、封边结构胶溶解腐蚀等都会在不同程度上影响夹层玻璃胶片-玻璃界面粘结性能。万德田等[10]和欧迎春等[11]通过十字交叉法测试了PVB 夹层玻璃胶片-玻璃界面的粘结强度，并研究了PVB 胶片厚度、加载速度以及紫外老化作用、湿度老化作用对PVB 胶片-玻璃界面粘结性能的影响。

现有关于夹层玻璃脱胶的研究绝大部分仅针对单方面因素（如原材料选择、服役环境因素）对脱胶的影响，实际上影响夹层玻璃脱胶的因素贯穿了夹层玻璃原材料选择、深加工、使用维护等各个阶段。全面综合地了解影响夹层玻璃脱胶的因素，对预防、降低夹层玻璃脱胶非常必要。本文通过分析夹层玻璃的脱胶机理，梳理在原材料选择、深加工以及使用维护等各阶段影响夹层玻璃脱胶的因素，以期为预防、减少夹层玻璃的脱胶提供一定参考。

1 玻璃-胶片界面粘结机理分析

夹层玻璃是以玻璃和透明的胶片作为基材，通过高压釜的高温高压（温度区间135～140 ℃，压强1.2 MPa 以下）使得玻璃和胶片在界面形成良好的粘结，最终形成的一种复合材料。胶片与玻璃的粘结是由多种作用力综合作用形成。根据玻璃-胶片界面的不同，胶片和玻璃之间的粘结作用主要包括：吸附作用、化学键作用以及机械咬合作用。

范德华力是玻璃-胶片界面中最广泛存在的吸附作用力，如Lewis 酸碱作用、氢键等。在高温热融状态，玻璃-胶片两相界面分子紧密接触、相互浸润，并在分子引力作用下重新排布形成物理吸附作用力，同时部分极性基团（如C—OH 基、Si—OH 基）相互作用形成共价键，这些键合力共同构成玻璃-胶片界面的粘结力并在夹胶冷却过程中“凝固”[12]。PVB 胶片与玻璃表面的粘结力主要是由PVB 胶片中C—OH 和无机玻璃表面丰富的Si—OH 形成的氢键提供（如图1 所示）。部分胶片中含有的离子或官能团能与玻璃表面发生化学反应形成新的离子键，增强玻璃与胶片界面之间的粘结力，如离子性胶片（SG）的组分乙烯与甲基丙烯酸酯共聚物中含有1%钠离子，其能与玻璃形成的离子键作用（如图2 所示）。除此之外，玻璃微观表面存在裂缝、台阶、孔隙等，胶片材料在黏流状态下流入玻璃表面微观缺陷，增大了接触表面面积，在成型后可提供一定的机械咬合力[13]。

玻璃和胶片之间的粘结性能取决于界面上不同分子间的作用力。理想状态下界面能形成较为稳固的物理化学作用力，但实际情况下界面上物理化学反应的条件难以全部满足，达不到最佳粘结性能状态，同时界面吸附的低能杂质物质将取代原有高能表面而成为低能表面，进一步影响界面的粘结性能。

2 原材料的影响

2.1 玻璃的影响

目前建筑用平板玻璃主要为钠钙浮法玻璃，其主要化学成分为二氧化硅、氧化钙、氧化钠，各组分的质量百分比分别为：SiO269%～75%，CaO 5%～10%，Na2O 13%～15%，Al2O30～2.5%。在矿物中Ca 离子和Mg 离子、Na 离子和K 离子往往伴生，性能接近，因此钠钙浮法玻璃中也含有少量Mg 离子、K离子。这些物质在玻璃表面能与胶片发生物理和化学吸附，其中物理吸附主要由范德华力引起，化学吸附由玻璃表面的断键与被吸附分子发生电子转移形成的化学键引起，且在实际情况中往往2 种吸附作用并存。

玻璃-胶片界面粘结强度与玻璃和胶片自身的特性息息相关。玻璃和胶片的选择将直接影响到夹层玻璃层间粘结强度。在成型温度范围内，钠钙硅酸盐浮法玻璃在表面张力和重力的共同作用下，其自然摊平抛光厚度约为7 mm。当生产玻璃厚度不是7 mm 时，使用拉边机（皮尔金顿、洛阳浮法法）或者石墨挡板（PPG 法）对玻璃厚度和宽度进行控制，从而导致玻璃板中心和边部的厚度出现偏差。生产10 mm 厚玻璃时，拉边机或者挡板则从边部向中心堆积玻璃，导致玻璃边部厚度偏大、中心厚度偏小（见图3）；生产5 mm 厚玻璃时，拉边机或者挡板则从边部向中心拉伸玻璃，导致玻璃边部厚度偏小、中心厚度偏大（见图4）。

此外，在钢化过程中，玻璃边部吸热快，中间吸热慢，玻璃表面不平整性进一步恶化。玻璃表面平整度较差会造成玻璃发生光学变形，同时会产生光学畸变，且在夹层过程中易造成合片后的夹层中间胶层厚度不均匀，层间粘结性能差。平面夹层玻璃产品在GB 15763.3—2009《建筑用安全玻璃第3部分：夹层玻璃》标准要求弓形弯曲度不应超过0.3%，波形弯曲度不应超过0.2%。夹层玻璃对玻璃平整度匹配性要求较其他中空或单片玻璃更为严格。当玻璃平整度匹配性较低时，将造成合片过程中玻璃和胶片粘结不紧密，气泡排除效率较低；在高压釜（温度区间135～140 ℃，压强1.2 MPa 以下）工艺过程中也会产生玻璃和胶片之间短暂的强制粘结，不仅影响粘结强度，出高压釜后还在玻璃和胶片之间产生拉应力，后期可导致玻璃脱胶，如图5 所示。

2.2 胶片含水率的影响

PVB 和SG 胶片是建筑夹层玻璃最常用的胶片材料。PVB 胶片由75%左右的PVB 树脂和25%的增塑剂及少量的添加剂组成。SG 胶片由乙烯和甲基丙烯酸脂的共聚物组成，该共聚物含有1%左右的金属钠离子。相比PVB，SG 胶片具备较高的强度、硬度和较好的粘结性能。

在胶片的选用过程中，含水率是最重要也是必须要控制的因素。水分子中O—H 键将影响玻璃-胶片界面上氢键形成。过多水分子的存在将导致玻璃的高能表面转化成低能表面，严重地影响玻璃表面的吸附性，降低了玻璃和胶片之间的粘结作用。PVB 树脂属于吸湿性材料且PVB 吸水过程具有可逆性，其含水率的高低与其暴露的环境和时间相关，根据相平衡和扩散原理可知，只要室内环境满足合片要求，胶片最终含水率可以满足加工需求。相比PVB，虽然SG 胶片容许含水率较大，但过高含水率将严重降低SG 胶片与玻璃之间的粘结力，且SG 吸水过程不完全可逆。因此在夹层玻璃合片过程中，应严格控制胶片含水率，并严格控制合片室的温度和湿度在合理范围内。此外，因胶片生产供应商加工设备限制，胶片最大宽度往往受到局限，当夹层玻璃宽度超过胶片宽度时，需要采用胶片拼接。在高温熔融下，夹片拼接处的杂质、灰尘等将导致玻璃-胶片界面粘结性能降低。

3 深加工阶段的影响

玻璃深加工工艺包括玻璃磨边、打孔、豁口处理、彩釉、钢化以及夹胶工艺。玻璃的边缘处理、开孔数量及位置、彩釉玻璃的使用以及钢化和夹胶工艺的处理都将直接影响玻璃-胶片界面的粘结性能。

玻璃的边部处理，改善了玻璃加工后边部应力集中，减少了加工破损和安装破损，提升了玻璃构件的通透性和美观性。玻璃边部处理工艺一般要求使用180 目以上的磨轮对玻璃进行磨边加工。边部加工容易引起玻璃边部破皮、掉角，当其直接应用到夹层玻璃中时，将形成明显可见凹坑，容易诱发边部脱胶。当边部处理过程中所使用的磨轮目数过小时，容易引起边部应力集中，在钢化过程中为了避免该应力集中带来的破损需要提升钢化工序温度，过高的钢化工序温度将导致玻璃表面波纹度变大，从而降低玻璃和胶片的粘结性能。很多夹层玻璃产品采用孔与临近结构进行连接，开孔的位置和尺寸、玻璃厚度、孔间距以及孔边距都将影响钢化玻璃表面波纹度，从而影响孔周围区域的粘结性能。此外，孔位处在荷载作用下往往变形较大且水汽、光照等将对孔位暴露的胶层进一步侵蚀，导致孔位处更容易产生气泡或脱胶。一旦产生脱胶，外力和水汽等作用进一步加剧，将加速破坏玻璃与胶片的粘结界面（见图6）。彩釉玻璃因其使用要求往往含有不同材质、不同颜色的添加剂。而添加剂在玻璃表面使用的面积，将影响PVB、SG等胶片和玻璃的粘结效果。根据工程经验，30%的彩釉覆盖面积为保证PVB 夹层玻璃粘结效果的上限。此外，由于彩釉配方和供应商不同，在使用彩釉玻璃时，应考虑彩釉和胶片之间的相容性以及长期使用过程两者是否会产生化学反应，建议采用认证过的釉料产品或应针对具体项目做相关相容性检测。

夹层玻璃的夹胶工艺主要包括原材料处理、合片、预压、高压釜加热4 道工序。夹层玻璃在合片前，必须对玻璃表面进行清洗。清洗干净的玻璃表面为高能表面，当玻璃表面存在油污、脏污等有机、无机污染物时，这些污染物在合片过程将形成玻璃表面和胶片之间的中间层，将导致玻璃表面从高能表面转化成低能表面，降低玻璃表面的物理和化学吸附能力，影响了玻璃和胶片之间的粘结能力。为保证玻璃表面的清洁，玻璃清洁设备必须保证工况良好，清洗水的温度保持在50 ℃以上。清洗用水的钙度、pH 值、金属离子含量等都会直接影响玻璃表面的吸附能力，玻璃清洗时应根据胶片种类选择相应的清洗用水。合片过程中，将裁好的胶片平整摊放在底层玻璃板上并确保没有产生褶皱，然后将上层玻璃压放在胶片上，再套上橡皮圈进行抽真空。抽真空过程应注意使四周密封条受拉力均匀，冷抽过程中应维持真空储气罐真空度在0.09～0.1 MPa，且冷抽时间不低于5 min。合片过程胶片摊放不平整、抽真空的真空度不达标以及抽真空时间不够长，都将影响合片过程胶片和玻璃的贴合度。

预压过程中对平板玻璃一般采用辊压工艺通过热辊轴在辊压段排除玻璃和胶片之间的空气，对曲面玻璃一般采用真空负压工艺通过负压挤出玻璃和胶片之间的空气。高压釜加热工艺中通过对温度、气压、时间精细控制使残余空气融入胶片并实现胶片均匀流动性，加固玻璃和胶片之间粘结力。预压和高压釜加热工艺过程中需要严格控制清洁度、温度、压力以及时间，该过程中工序不当以及操作不合理都将影响玻璃和胶片之间的粘结力。胶层材料如PVB、SG 等具有湿度高敏感性，在层压工艺中往往需要进行两次层压，既预压脱气脱湿，继而经高压釜高温高压层压，最终使玻璃和胶片紧密粘结。辊压前，夹层玻璃往往需要采用相关紧固件进行固定，紧固件可以使玻璃和胶片短期内粘结在一起，但当紧固夹持力松懈后将导致夹持处玻璃和胶片长期处于张应力状态，紧固件还将导致夹持处胶片在高压釜排气过程中吸气偏多，降低夹持处粘结强度。辊压阶段若辊压工艺处理不当将造成玻璃和胶片之间排气不畅，且辊筒在长期服役中会造成中间部分磨损偏大，进而引起夹层玻璃辊压不均匀导致夹层玻璃中部排气不畅。辊压后需要对夹层玻璃修边，修边若对胶片产生较大拉扯力时将破坏玻璃与胶片接触截面纹路，从而降低玻璃和胶片之间的粘结力，因此在修边过程应采用锋利刀具并尽量避免对胶片产生拉扯。高压釜加热工艺中对加热温度和加热时间的控制决定了玻璃板是否能够均匀受热，加热及加热时间控制不佳将导致夹层玻璃中产生较大温度应力，严重降低玻璃和胶片之间粘结力，甚至直接导致玻璃和胶片分离。

4 使用维保阶段

夹层玻璃在使用维保过程中，影响其脱胶的因素主要包括：外部作用力、环境作用、清洁剂作用以及接触结构胶的作用。夹层玻璃受力脱胶是由于其在外部荷载作用下，玻璃和胶片之间的拉应力或剪应力超过了玻璃-胶片界面粘结强度。夹层玻璃设计荷载取值不合理（尤其是开孔或豁口等应力集中处），安装操作不当（特别是对夹层玻璃强行挤压安装）是造成夹层玻璃受力脱胶最主要的原因。夹层玻璃在设计过程应格外关注开孔处或豁口处设计，安装过程应避免强塞硬装。

影响夹层玻璃脱胶的环境因素主要包括温度、湿度以及紫外辐射。目前采用的绝大多数中间膜胶片都是温敏性材料，其自身力学性能以及和玻璃之间的粘结性能都具有严重的温度依存性。温度上升往往会降低玻璃和胶片之间的粘结力，还有可能导致夹层玻璃内部产生一定的温度应力。水汽也是影响玻璃与胶片粘结性能最重要的因素之一，水汽入侵不仅影响胶片含水量，还会破坏玻璃-胶片界面的氢键，极大地降低界面粘结强度。当水汽入侵导致夹层玻璃脱胶时，脱胶进一步扩大了胶片和水汽的接触界面，形成恶性循环，加速夹层玻璃脱胶。目前夹层玻璃常用的中间膜胶片材料都属于高分子材料，光照特别是紫外线辐照往往对其将造成不同程度上的不利影响，尤其在和其他不利因素共同作用时将有可能导致夹层玻璃产生气泡[14]。

夹层玻璃常采用结构胶对其进行固定和连接，此时结构胶往往会与夹层玻璃胶片直接接触。因此，结构胶的选择需充分考虑其是否会对胶片产生物理化学腐蚀，应确保其成分不能渗入、溶解、腐蚀夹层玻璃胶片材料。夹层玻璃在使用过程中往往需要维护清洗，当清洁剂选择不合适时，其含有的酸碱成分将有可能与胶片发生溶解、腐蚀等物理化学反应，对胶片及粘结界面造成致命影响。

夹层玻璃在实际服役过程中，其脱胶往往由多方面因素共同造成，既包括在原材料选择、玻璃深加工阶段造成的“先天缺陷”，也包括夹层玻璃在安装服役过程中人为、非人为带来的应力集中，还包括外界环境不利因素的长期作用。

5 结论

基于对玻璃-胶片界面粘结机理的分析，探究了夹层玻璃在原材料选择、深加工以及使用维保等各阶段影响其脱胶的因素，并针对性地提出了减少或避免夹层玻璃脱胶的建议。本文主要结论如下：

（1）在夹层玻璃原材料选择阶段，应对玻璃表面的平整度、玻璃原片间匹配度、中间膜胶片含水率进行严格的控制，否则将会对玻璃-胶片界面粘结性能产生不可逆转的不利影响。

（2）在夹层玻璃深加工阶段，应妥善处理玻璃开孔、边部处理以及彩釉玻璃的使用；此外，夹胶工艺中应严格控制合片环境的清洁度和湿度、高压釜温度、加工工序的合理性以及加工设备的精度。

（3）夹层玻璃在安装过程中，应严厉禁止强塞硬装；且对于夹层玻璃在使用过程中可能遭受的温度、湿度、紫外照射以及结构胶、清洁剂和外部荷载带来的不利影响应在设计中进行适当考虑并采取相应防控措施。

（4）影响夹层玻璃脱胶的因素相互之间具有叠加和促进作用，对夹层玻璃脱胶的防控需要从原材料选择、深加工以及使用维保等多阶段共同控制，既要采用合适的原材料，又要严格控制夹层玻璃加工过程中的操作规范性，还需要其进行合理的设计和维护。