萬(wàn)德田 包亦望 劉小根 王秀芳

（綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024）

夾層玻璃由一層玻璃與一層或多層玻璃、塑料材料夾中間聚乙烯醇縮丁醛膠合層（Polyvinyl Butyral，PVB膠片）而成的玻璃制品[1]，具有耐光、耐熱、抗沖擊強(qiáng)度高等特點(diǎn)。夾層玻璃在外力作用下可能破碎，但碎片仍黏附在中間層膠片上，保持為整體，沒(méi)有碎片飛濺。與傳統(tǒng)的普通玻璃相比，夾層玻璃在安全、保安防護(hù)、隔音及防輻射等方面有著不可比擬的優(yōu)良性能。正是由于其良好的安全可靠性能，夾層玻璃主要應(yīng)用于汽車(chē)、火車(chē)、輪船、飛機(jī)等運(yùn)輸工具，在現(xiàn)代高層玻璃幕墻和光伏玻璃產(chǎn)業(yè)中都得到了廣泛的使用[2-7]。對(duì)于夾層玻璃的使役性能來(lái)說(shuō)，玻璃與PVB膠合層的界面粘結(jié)性能的好壞直接關(guān)系到夾層玻璃的安全可靠性。一般來(lái)說(shuō)，在玻璃和膠合層厚度固定的條件下，玻璃與PVB膠合層的粘結(jié)越牢固，夾層玻璃的力學(xué)性能越好，尤其是抗沖擊性能和抗風(fēng)壓性能[2,8-10]。

夾層玻璃是典型的有機(jī)-無(wú)機(jī)相結(jié)合的材料，其設(shè)計(jì)壽命一般為25年，在大氣環(huán)境中服役一段時(shí)間后，必然會(huì)出現(xiàn)腐蝕老化的現(xiàn)象。通常玻璃的抗老化性能非常優(yōu)異，基本上可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。然而中間層PVB膠片屬于有機(jī)材料，在大氣環(huán)境中容易受到氣候環(huán)境水蒸氣和太陽(yáng)光紫外線(xiàn)的侵蝕而發(fā)生老化。一旦服役過(guò)程中的夾層玻璃發(fā)生了老化，玻璃與PVB膠的粘結(jié)性能和抗風(fēng)壓性能必然會(huì)降低，從而造成安全隱患。我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在考察夾層玻璃耐濕老化和耐輻照老化性能時(shí)[11,12]，在老化實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，僅目視檢查試驗(yàn)前后試樣的外觀變化，即PVB膠與玻璃之間是否存在氣泡或有脫膠現(xiàn)象，這種方法只能定性判斷夾層玻璃老化失效程度，而且通常只考察一個(gè)周期的老化形態(tài)，很難反映出夾層玻璃的性能衰減特征。玻璃幕墻抗風(fēng)壓性能是評(píng)價(jià)幕墻玻璃最重要的性能之一，尤其是在我國(guó)沿海周邊城市，還需要考慮短時(shí)颶風(fēng)的破壞。為此，我國(guó)制定了相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)JC/T 677-1997來(lái)評(píng)價(jià)建筑玻璃抗風(fēng)壓能力。通常是將出口風(fēng)壓設(shè)定成某一門(mén)檻值，考慮玻璃能否承受而判斷玻璃產(chǎn)品是否合格[12]。這種方法一方面只能對(duì)剛出廠的夾層玻璃進(jìn)行檢測(cè)，而且需要的樣品尺寸比較大，另一方面對(duì)于都合格的樣品不能進(jìn)一步比較其性能優(yōu)劣,不能給出一個(gè)定量的評(píng)定結(jié)果。如何評(píng)價(jià)夾層玻璃在出現(xiàn)老化現(xiàn)象之后的抗風(fēng)壓殘余強(qiáng)度，在國(guó)內(nèi)外還是一片空白，沒(méi)有任何其他的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)可供參考。

圖1 十字交叉樣品示意圖

如果能檢測(cè)出夾層玻璃在不同老化時(shí)間的界面強(qiáng)度和殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度，則可以定量確定夾層玻璃的界面強(qiáng)度衰減速率和殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度速率，然后根據(jù)強(qiáng)度衰減模型確定其在某特定環(huán)境下應(yīng)用過(guò)程中的壽命和可靠性。但是到目前為止沒(méi)有一種現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)或評(píng)價(jià)方法可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)玻璃與PVB膠的粘結(jié)強(qiáng)度和殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度。如何能準(zhǔn)確快速定量評(píng)價(jià)夾層玻璃中玻璃與PVB膠合層的界面粘結(jié)強(qiáng)度和殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度以及夾層玻璃在老化后性能衰減程度，基本還是空白，未見(jiàn)有任何相關(guān)的材料報(bào)道。

十字交叉法最早應(yīng)用于測(cè)量陶瓷界面粘結(jié)強(qiáng)度，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的壓縮載荷可以在界面處獲得均勻的拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，利用界面開(kāi)裂時(shí)所對(duì)應(yīng)的臨界載荷和粘結(jié)面積就可以同時(shí)獲得界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和剪切粘結(jié)強(qiáng)度[13]。本文擬采用十字交叉法和充氣加壓法分別測(cè)量PVB膠與玻璃之間的界面粘結(jié)性能及殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度。利用自行設(shè)計(jì)的特定夾具，研究了耐濕老化和耐輻照老化對(duì)PVB膠與玻璃界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度及殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度的影響，從而提供一種能定量評(píng)價(jià)夾層玻璃PVB膠與玻璃之間界面粘結(jié)性能以及評(píng)價(jià)PVB膠經(jīng)耐濕老化和耐輻照老化后的程度、老化后界面性能和殘余壽命的方法。其研究結(jié)果可以為夾層玻璃的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供可供參考的數(shù)據(jù)，對(duì)于保證夾層玻璃的安全使用和提高其安全可靠性，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)中玻璃樣品尺寸為120×20×20mm3。使用前，先將樣品表面進(jìn)行打磨拋光至鏡面，然后用丙酮清洗干凈。實(shí)驗(yàn)中所采用的商用PVB膠片厚度為0.76mm，將其裁剪成截面為20×20mm2的薄片。將PVB膠片夾在兩片玻璃之間，玻璃呈十字交叉形狀放置，利用膠帶把十字交叉樣品固定。圖1為十字交叉樣品的示意圖。在本實(shí)驗(yàn)中，中間PVB層的厚度為1層PVB膠片調(diào)節(jié)最終實(shí)驗(yàn)樣品。在準(zhǔn)備好十字交叉樣品后，將試驗(yàn)樣品放入真空袋中進(jìn)行抽真空處理，排除樣品中的空氣，然后放入氣體高壓釜中，在120oC和12個(gè)大氣壓的條件下進(jìn)行熱等靜壓處理，最后以某一特定的速率冷卻至室溫，得到界面結(jié)合完好的十字交叉樣品。在測(cè)量界面粘結(jié)強(qiáng)度前，去除玻璃表面用于固定十字交叉樣品的膠帶，用游標(biāo)卡尺測(cè)量中間PVB膠片層的實(shí)際厚度。為了研究輻照對(duì)夾層玻璃的抗風(fēng)壓性能的影響，采用商用2+0.76+2mm的汽車(chē)夾層玻璃為研究對(duì)象，將其切割成300×300mm2的樣品備用。

圖2 十字交叉法測(cè)量界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度(a)和剪切粘結(jié)強(qiáng)度(b)

1.2 試驗(yàn)方法

圖2為設(shè)計(jì)的夾具和十字交叉樣品加載示意圖。通過(guò)對(duì)十字交叉試樣施加壓力可以在界面處產(chǎn)生均勻拉伸（圖2(a)）或剪切應(yīng)力(圖2(b))，從而導(dǎo)致界面分開(kāi)。將十字交叉試樣以?xún)蓚€(gè)不同放置方式固定好后再施加載荷，可分別得到界面拉伸和剪切粘結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)以某一恒定的位移速率加載，采用界面脫粘時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷值和粘結(jié)面積計(jì)算拉伸和剪切粘結(jié)強(qiáng)度。計(jì)算原理式如下，

其中Pc為拉伸或剪切加載過(guò)程中界面脫開(kāi)時(shí)所對(duì)應(yīng)的臨界載荷，為界面粘結(jié)面積。

測(cè)量拉伸粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，如圖2(a)所示在夾具中擺放試樣，保證十字交叉試樣可以無(wú)任何摩擦地放入夾具中。上壓頭的底面粘接一塊軟膠帶，保證壓頭和試樣之間的均勻接觸。壓頭寬度必須與試樣寬度相同，壓頭下表面與試樣的受壓面保持平行。然后以某一設(shè)定的速率施加載荷直至界面斷開(kāi)，記錄下界面脫粘時(shí)的最大載荷值。如圖2(b)所示，測(cè)量剪切粘結(jié)強(qiáng)度時(shí),在豎直樣品的頂部固定一塊軟膠帶，保證壓頭和試樣之間的均勻接觸。以某一速率施加載荷直至界面斷開(kāi)，記錄下界面脫粘開(kāi)時(shí)的最大載荷值。在試驗(yàn)過(guò)程中為了研究加載速度對(duì)測(cè)量PVB膠與玻璃界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響，加載速度分別為0.5,1、5和10mm/min。

為了模擬和研究夾層玻璃耐濕老化性能以及耐濕老化時(shí)間對(duì)PVB膠與玻璃之間粘結(jié)強(qiáng)度的影響，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[11]，先將十字交叉樣品放置在耐濕老化試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，設(shè)定溫度為50±2oC，相對(duì)濕度為95±4%，一個(gè)周期的靜置時(shí)間為336小時(shí)。在本實(shí)驗(yàn)中還研究了耐濕老化時(shí)間對(duì)PVB膠與玻璃界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響，將十字交叉樣品分別老化15，30和60天（即1，2和4個(gè)周期），然后分別測(cè)量其界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。為了研究汽車(chē)夾層玻璃耐輻照老化性能以及耐輻照老化時(shí)間對(duì)殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度的影響，根據(jù)我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[12]，將汽車(chē)玻璃樣品放在紫外線(xiàn)輻照老化實(shí)驗(yàn)機(jī)中靜置100h和200h，然后測(cè)量其抗風(fēng)壓強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)一套測(cè)試風(fēng)壓載荷下夾層玻璃殘余老化強(qiáng)度的裝置，如圖3所示。將試驗(yàn)樣品固定在一個(gè)密封腔中，采用空壓機(jī)向密封腔中充氣，充氣的速度可調(diào)。逐漸向密封腔中充氣加壓至樣品炸裂，利用一個(gè)可以存儲(chǔ)最大峰值的數(shù)顯壓力表隨時(shí)記錄腔內(nèi)的壓力，待樣品破碎之后記錄下最大峰值壓力，利用高速攝象機(jī)將夾層玻璃玻璃破壞的全過(guò)程記錄下來(lái)，研究破裂斷裂源和破壞模式。利用壓力表記錄下的最大峰值壓力即為夾層玻璃老化殘余強(qiáng)度。由于密封腔中氣體對(duì)玻璃樣品施加的作用力可認(rèn)為為均布應(yīng)力，所以可以用來(lái)模擬均布風(fēng)壓載荷。當(dāng)氣壓值超過(guò)夾層玻璃承受能力時(shí)，夾層玻璃就會(huì)破裂，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大壓力值即為其殘余強(qiáng)度。

圖3 夾層玻璃老化后抗風(fēng)壓殘余強(qiáng)度示意圖

圖4 加載速度對(duì)界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響，中間PVB膠層厚度為0.64 mm

圖5 耐濕老化時(shí)間對(duì)拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響

2 結(jié)果與討論

圖4是不同加載速率下測(cè)量所得的PVB膠片和玻璃的界面粘結(jié)強(qiáng)度，加載速率分別為0.5mm/min、1mm/min和5mm/min。從圖中可以看出，粘結(jié)強(qiáng)度隨著加載速率的增加而增大。當(dāng)加載速率為5mm/min時(shí)，其粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值，為11.49 MPa。由于夾層玻璃中PVB膠片屬于柔性材料，加載速度對(duì)界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和剪切粘結(jié)強(qiáng)度的測(cè)量都會(huì)有重要的影響。如果加載速度過(guò)小，PVB膠與玻璃界面脫粘時(shí)呈逐漸撕裂形態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果將偏小。如果加載速率過(guò)大(如10mm/min)，通常萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)的力傳感器采集數(shù)據(jù)頻率較低，很難準(zhǔn)確測(cè)量其峰值力，使得測(cè)量結(jié)果不可靠（僅為2.1MPa）,遠(yuǎn)低于真實(shí)值[14]。此外，加載速率過(guò)大時(shí)對(duì)樣品施加載荷類(lèi)似于沖擊載荷，很難真實(shí)表征樣品在靜載作用下的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加載速度為5 mm/min時(shí)，從加載曲線(xiàn)上可以看出整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程控制在90s之內(nèi)，PVB膠與玻璃的界面拉伸強(qiáng)度和剪切粘結(jié)強(qiáng)度最為合適[15]。因此，測(cè)試PVB膠與玻璃之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)的加載速度選擇5 mm/min比較合適。

在溫度為50±2oC，濕度為95±4%的環(huán)境下對(duì)十字交叉樣品分別進(jìn)行了15天，30天和60天的老化耐濕實(shí)驗(yàn)，通過(guò)目測(cè)觀察發(fā)現(xiàn)所有的試驗(yàn)樣品的界面處都沒(méi)有出現(xiàn)氣泡或脫粘的現(xiàn)象。分別測(cè)量其粘結(jié)拉伸強(qiáng)度，加載速率為5mm/min,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。隨著耐濕老化時(shí)間的延長(zhǎng)，夾層玻璃拉伸粘結(jié)強(qiáng)度略有降低。在前15天的實(shí)驗(yàn)中，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度下降最快，從老化前的11.49 MPa下降到10.11 MPa，下降幅度為12.0%。繼續(xù)進(jìn)行耐濕老化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在15-30天的實(shí)驗(yàn)中，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度又升高至10.31MPa。30天之后一直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度將不斷下降，達(dá)到10.08 MPa。由此可以表明，耐濕老化對(duì)玻璃拉伸粘結(jié)強(qiáng)度影響并不大，隨著耐濕老化時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度大體趨于下降。即使在老化60天之后，其拉伸粘結(jié)強(qiáng)度僅下降了12.3%。

圖6 有限元模擬夾層玻璃抗風(fēng)壓過(guò)程中的應(yīng)力分布（a）和撓度分布(b)

圖8 汽車(chē)夾層玻璃殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度測(cè)量后的樣品照片

圖6為有限元模擬的夾層玻璃在均布載荷作用下的應(yīng)力分布和撓度分布圖。從圖中可以看出，最大應(yīng)力位于中心區(qū)邊緣附近，而最大撓度位于中心區(qū)域。因此，可以看出，夾層玻璃在受到風(fēng)壓載荷作用下的破壞的起始點(diǎn)位于中心邊緣處。

圖7是2+0.76+2mm汽車(chē)夾層玻璃在耐濕老化(a)和耐輻照老化(b)后的殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度。夾層玻璃在沒(méi)有經(jīng)過(guò)耐濕和耐輻照老化之前的抗風(fēng)壓強(qiáng)度為91.2MPa。隨著老化時(shí)間的增加，殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度逐漸下降。經(jīng)濕度老化112天后殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度下降了32.8%；而在耐輻照老化實(shí)驗(yàn)中，輻照僅200h后其抗風(fēng)壓強(qiáng)度就下降了44.6%。表明夾層玻璃耐輻照的能力遠(yuǎn)低于其耐濕老化的能力，所以汽車(chē)夾層玻璃需要著重考慮紫外線(xiàn)輻照的不利影響。圖8為2+0.76+2mm汽車(chē)夾層玻璃在實(shí)驗(yàn)后的照片?？梢钥闯?，樣品中心位置的撓度變形量最大，破裂的起始位置在中心位置附近，與有限元模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。

3 結(jié)論

利用自行設(shè)計(jì)的夾具測(cè)量了夾層玻璃的PVB膠片與玻璃之間界面拉伸和剪切粘結(jié)強(qiáng)度，合適的加載速度為5 mm/min。單層PVB膠片（厚度為0.64 mm）夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最大值為11.49 MPa。由于中間界面層為柔性材料，對(duì)于PVB膠厚度大于0.64 mm時(shí)夾層玻璃來(lái)說(shuō)，測(cè)量所得到的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度高于其剪切粘結(jié)強(qiáng)度。隨著耐濕老化時(shí)間的增加，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度大體趨于下降，但界面拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的衰減幅度不大。濕度老化對(duì)玻璃拉伸粘結(jié)強(qiáng)度影響不大，隨著耐濕老化時(shí)間的延長(zhǎng)，夾層玻璃的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度大體趨于下降。即使老化60天（4個(gè)周期），其拉伸粘結(jié)強(qiáng)度為10.08 MPa,下降幅度僅為12.3%。耐濕和輻照對(duì)汽車(chē)夾層玻璃的殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度影響巨大。對(duì)于2+0.76+2mm汽車(chē)玻璃來(lái)說(shuō)，輻照對(duì)夾層玻璃的粘結(jié)性能影響相對(duì)來(lái)說(shuō)更為明顯。經(jīng)濕度老化112天后殘余抗風(fēng)壓強(qiáng)度下降了32.8%；在耐輻照老化實(shí)驗(yàn)中，輻照僅200h后其抗風(fēng)壓強(qiáng)度就下降了44.6%。

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