离子性中间膜夹层玻璃的研究分析

一、常规的PVB 夹层玻璃
　　目前，玻璃幕墙夹层玻璃广泛采用的中间膜是聚乙烯醇缩丁醛，简称 PVB 。PVB使用已经有多年历史，也为幕墙行业普遍熟悉。但是，这种夹胶膜最初是为汽车玻璃而开发的，所以它的性能主要是为了满足汽车玻璃的以下要求：
　　1．能可靠地粘结玻璃，减少碎玻璃的飞散，最大限度保护驾驶员和乘客的安全。
　　2．能防止石块和其他小物件击穿玻璃进入车内。
　　3．有一定的柔软性，防止驾驶员头部激烈撞击挡风玻璃，并防止车内人员飞出车外。
　　4．满足汽车的使用功能，符合光学、降噪、阻隔紫外线等要求。
　　由于PVB夹胶膜主要不是针对建筑幕墙开发的，所以它富于弹性，比较柔软，剪切模量小，两块玻璃间受力后会有显著的相对滑移，承载力较小，弯曲变形较大。PVB夹层玻璃可以用于一般玻璃幕墙，不适宜用于有高性能要求的玻璃幕墙。
　　 同时，PVB夹层玻璃的外露边容易受潮开胶，PVB胶膜夹层玻璃使用时间长以后容易发黄变色，这些都是应该加以注意的。
　　理想的建筑幕墙用夹层玻璃中间膜应能满足以下要求：
　　1．对玻璃有较高的粘结能力，有较强的抗撕裂强度，能防止玻璃破碎时飞散。
　　2．有较强的防护能力，可以防止自然力和人力的破坏。对强风、地震、暴力、盗窃等有足够的抵抗力。
　　3．能承受室内人员的突然撞击，防止玻璃飞散或整体脱出，避免室内人员飞出坠落。
　　4．有足够的剩余承载力，玻璃破碎后再发生弯曲变形时不会整块脱落。
　　5．中间膜有大的剪切模量，使两块玻璃尽可能整截面受弯工作，从而提高玻璃的承载力和弯曲刚度，减小玻璃的厚度，减轻玻璃的自重。
　　6．无色透明，能耐受紫外线、水汽和外界气候变化影响，长时期使用不泛黄变色。
　　目前采用的PVB夹胶膜还不能完全满足上述要求。有必要开发更高性能的幕墙夹层玻璃专用中间膜，以适应超高层建筑幕墙、大跨度采光顶、超大尺寸夹层玻璃、全玻璃结构等对夹层玻璃的高标准要求。
　　二、离子性中间膜的特性
　　现在，能满足建筑幕墙夹层玻璃上述性能要求的夹胶膜 — 离子性中间膜已经由美国杜邦公司开发出来，并批量生产，商品名称为 SGP 。这种夹胶膜具有许多优良的性能。
　　（一）具有高的强度和剪切模量，力学性能优异
　　SGP 的剪切模量是 PVB 的50倍以上，撕裂强度比 PVB 高 5 倍。SGP 夹胶后，玻璃受力时两片玻璃之间的胶层基本上不会产生滑动，两片玻璃如同一片等厚度的单片玻璃整体工作。这样一来，承载力就是等厚度的 PVB 夹层玻璃承载力的2倍；同时，在相等荷载、相等厚度的情况下，SGP夹层玻璃的弯曲挠度只有 PVB 夹层玻璃的 1 / 4（图1）。

　　由于承载力提高，挠度减小，玻璃厚度会相应减小。有可能减少玻璃的用量约40% ，相应也减轻了幕墙的自重。不仅有利于主体结构设计，而且节材就是节能，因为生产每一标准箱浮法玻璃要消耗标准煤16Kg，耗电7.5 度。如果加上钢化、均质化处理等，耗能就更多了。
　　（二）具有良好的边部稳定性，可外露使用而无须封边
　　边部稳定性指夹层玻璃边部外露于大气条件下的耐久性。PVB夹胶不耐潮湿，水汽作用下容易开胶、分离，要求外露边缘进行封边处理。而SGP胶膜有良好的边部稳定性，对水分不敏感，在外露条件下使用也不会开胶、分离，可以开边使用，不必封边（图2）。所以SGP夹层玻璃可以很方便地用于拦板、雨棚、外挑装饰玻璃翅、玻璃遮阳板等外露边缘的构件而无须采取专门的封边措施（图3）。

　　（三）玻璃破损后留有充分的剩余承载力，不会整块坠落
　　普通PVB夹层玻璃，尤其是钢化夹层玻璃，玻璃一旦破碎就会产生很大的弯曲变形，有整块脱落的危险（图4）。当玻璃水平安装在采光顶上时风险更大，北京香山植物园就曾发生过玻璃整块落下的意外事故。
　　SGP 间膜夹层玻璃整体性好，SGP夹胶膜的撕裂强度是PVB夹胶膜的5倍，即使玻璃万一破碎，SGP膜还可以粘结碎玻璃形成破坏后的一个临时结构，其弯曲变形小，还可以承受一定量的荷载而不会整片下坠。这就大大提高了玻璃的安全性（图5、图6）。

　　（四）无色透明，不易变色，通透性极佳
　SGP 夹胶膜本身无色透亮，而且耐候性好，不容易泛黄。SGP 膜的泛黄系数小于1.5，而PVB膜的泛黄系数为 6~12。因此SGP夹层玻璃能更好地满足建筑师的建筑艺术要求。
　　如果采用超白玻璃（低铁玻璃）、SGP中间膜夹胶，那超白夹层玻璃晶莹剔透的光学效果将是绝对顶级的（图7）。


　　三、离子性中间膜夹层玻璃的试验研究
　　受美国杜邦公司的委托，中国建筑科学研究院于2006~2007年期间进行了SGP 夹层玻璃性能的研究。　　试验得到了SGP中间膜和PVB中间膜自身的物理力学性能以及对比了SGP夹层玻璃、等厚PVB夹层玻璃和等厚单片玻璃受力性能。
　　玻璃受弯试件分四边支承和两边简支两种形式（图8、图9）。


　　不同厚度夹层玻璃和等厚单片玻璃的对比试验表明，SGP夹层玻璃的应力和挠度与同厚度的单片玻璃基本相同；而PVB夹层玻璃由于中间层显著的滑移，应力与挠度要大得多。因而可以认为：SGP夹层玻璃作为等厚度单片玻璃整体工作；PVB夹层玻璃接近于两片单独的玻璃叠加（图10、图11）。


　　试验还表明，SGP 夹层玻璃破碎后，挠度并没有显著加大，仍保留相当大的剩余承载力，能保证幕墙的结构安全（图12）。
　　进行了30天长期荷载试验，PVB夹层玻璃长期荷载下的弯曲变形显著增大，而SGP夹层玻璃如同单片玻璃一样，长期挠度增长很小（图13）。


　　进行了温度升高条件下的受力性能试验，温度在50摄氏度以下时，SGP夹层玻璃的承载力不降低；而PVB夹层玻璃50摄氏度时的承载力仅为20摄氏度时的60%。
试验实测，在温度为20摄氏度时，PVB夹胶膜的剪切模量G=0.84 N/mm2；而SGP夹胶膜的剪切模量G则高达 42.7 N/mm2。
　　四、离子性中间膜夹层玻璃的力学性能
　　叠合在一起的几片玻璃的工作性能取决于中间层（夹胶膜）的力学性能。
　　如果夹胶膜的剪切模量G和撕裂强度f 很小，夹层玻璃受弯时中间层就产生很大的滑移，玻璃之间就在相对滑动，夹胶膜实际上没有起将玻璃连为整体的作用。这几片玻璃看似叠合在一起，实际上还是各自单独工作。承载力仅仅是各片玻璃单独承载力之和。
　　反之，如果夹胶膜的剪切模量G和撕裂强度f很高，夹层玻璃受弯时夹胶膜滑移量极小，这时候几片玻璃就能够共同工作，好象是一片单片玻璃一样。
　　理论上，当夹胶膜的力学性能等同于玻璃时，夹层玻璃就变成了单片玻璃。在工程上，当夹胶层的剪切模量G大于20 N/mm2时，就可以认为夹层玻璃在整体状态下工作。SGP离子性中间层的G达到42.7N/mm2，已经满足了这个条件；而PVB夹胶膜的G值仅为0.84N/mm2，与上述条件相差悬殊。它们两者受弯时的截面应力状态是完全不同的（图14）。
　　正是两者的受力状态不同，在相同厚度下两者的承载力和变形有很大的差别（图15、图16）。
　　因此，采用SGP夹层玻璃将使得玻璃的厚度减小，更有利于合理地进行幕墙玻璃的选用，取得更大的经济技术效益（图17、图18）。



　　五、PVB中间膜在超大尺寸玻璃中的应用
　　目前，国外生产的热弯钢化夹层玻璃最大长度为6m。我国于2010年成功生产了世界上第一块超大尺寸玻璃：12.8mX2.6m热弯钢化超白夹层，15mm+2.28 SGP+15mm（图19）。接着，生产了12块12.6mX2.6m 超大尺寸热弯钢化夹层玻璃，12mm+1.58 SGP+12mm+1.58 SGP+12mm，用于上海苹果店（图20）。正是SGP离子性中间膜的应用使得超大玻璃制造成为可能。



　　六、SGP 夹层玻璃在大型公共建筑中的应用
　　SGP 中间层夹层玻璃已经在许多大型公共建筑中应用。图25 为上海东方艺术中心，幕墙玻璃采用两块玻璃夹一层多孔金属板（图26），只有SGP 强力粘接才能完成金属板夹胶玻璃的制造。


　　七、SGP夹层玻璃在超高层建筑中的应用
　　超高层建筑要承受大的风力、地震力和温度变化的影响，要求玻璃面板有高的承载力和刚度，而且万一破损还要有一定的剩余承载力而不会坠落。SGP中间膜夹层玻璃可以很好地满足这些要求。
　上海中心是目前在建最高的建筑，123层，632m高（图29）。共采用SGP夹层玻璃150000m2。上海中心采用双层通风幕墙，外幕墙为单夹层玻璃，配置为 12mm超白+1.52 SGP+12mm超白（图30、图31）。
　　广州塔是我国已经建成最高的建筑，高度为 600 m（图32）。全部56000m2玻璃幕墙均采用SGP双夹层中空玻璃（图33），配置为（8mm+1.52 SGP+8mm）+12A+（8mm+1.52 SGP+8mm）。三角形玻璃板块最大尺寸为1.5mX3.5m（图34）。




　　深圳京基大厦是深圳目前已建成的最高建筑，高度441m，其顶部为超大共享空间，整个超高拱形大厅由SGP夹层超白玻璃覆盖（图35），非常通透。
　　目前国内高层建筑玻璃幕墙配置最高档的要数广州利通广场大厦，其高度为303m（图36）。63000m2的玻璃幕墙为锯齿形，别具一格（图37）。玻璃面板为超白半钢化玻璃，SGP夹胶膜，组成为（8mm+1.52 SGP+8mm）+12A+8mm 。采用这样高档的配置主要是考虑：高承载力和安全性；通透洁白；锯齿形玻璃不用封边。


　　八、SGP 夹层玻璃在采光顶的应用
　　SGP夹层玻璃不仅有高强度，而且破损后有足够的抗弯曲能力，不会整片从高空落下，所以特别适用于玻璃采光顶的水平或斜放玻璃板块。
　　图38 为广州塔点支三角形采光顶玻璃板，SGP`夹胶。沈阳恒隆广场6000m2的采光顶也是采用SGP夹层玻璃（图39）。


　　广州花城广场太古汇有广州规模最大的现代化购物中心，其采光顶采用了SGP夹层玻璃（图40）。


　　小结
　　离子性中间膜SGP在建筑幕墙夹层玻璃中应用时间不长，但它优良的性能已经在应用中显现出来。在大型公共建筑和超高层建筑玻璃幕墙中充分显示了SGP夹层玻璃高承载力、安全性、通透性等特点。而在玻璃拦板、玻璃地板、玻璃遮阳板的应用中，SGP夹层玻璃的耐冲击、安全、无须封边的优点十分显著。超大尺寸夹层玻璃和多重夹胶玻璃制品更离不开SGP夹胶膜。
　　在今后SGP夹层玻璃不断扩展的应用中，我们将会看到它更广阔的发展前景。