密封胶对建筑外窗节能的影响分析

摘要：本文通过对密封胶在中空玻璃、外窗缝隙中的应用分析，说明选用合适的密封胶可以提高中空玻璃的质量、加强外窗结构的气密性，从而实现外窗的节能，并对节能效果进行了分析。
关键词   密封胶；　中空玻璃；　外窗结构；　节能
1前言
建筑节能是落实我国“节能减排”政策的重要内容之一。在各种能耗中，建筑能耗占全国总能耗的27.5%以上。近几年，我国每年新建房屋面积近20亿平方米，其中约90%为高耗能建筑；在既有的近400亿平方米建筑中，有95%是高耗能建筑，而这些高耗能建筑中又有50％的耗能是通过门窗散失的。我国在建筑物保温性能上与发达国家相比，外窗单位面积能耗是发达国家的2～3倍，门窗空气泄漏率为发达国家的3～6倍。因此门窗节能是提高我国建筑节能的关键。
目前，我国的节能门窗主要从窗型、玻璃、窗框三个方面采取措施，通过对热的对流、传导和辐射这3种热交换进行有效的阻断达到节能的目的。由于外窗的热损失主要是通过玻璃的传导、辐射与存在的缝隙，因此，采用节能型玻璃（如中空玻璃）、加强外窗结构的气密性是实现外窗节能的重要途径，这其中密封胶起着十分重要的作用。
2中空玻璃的密封胶的选用
中空玻璃是目前应用较广的一种节能玻璃，具有优良的隔热性能，其隔热能力主要来源于二玻璃间密封的空气层。此空气的导热系数为0.028W/m•K，远低于玻璃的导热系数（0.77W/m•K），密封的中空玻璃除玻璃四边用密封胶导热，其余大面积玻璃均依靠空气层导热，     因此加大了热阻，明显提高了中空玻璃隔热效果。由此可知，决定中空玻璃质量性能的主要因素是密封胶的性能以及密封道数。
2．1中空玻璃密封胶的选用
常用的中空玻璃密封胶有聚硫胶、丁基热熔胶、聚氨酯胶和硅酮胶，聚硫密封胶是中空玻璃行业中最早使用的外层密封胶。2002年后，全球中空玻璃密封胶中，聚氨酯因其优良的性能及环保性，取代聚硫胶占据了市场主导地位。表1是常用密封胶的性能比较。
2．1.1耐候性
密封胶的抗老化性能在很大程度上决定了中空玻璃的使用寿命。在常用的密封胶中，硅酮胶有很好的耐候性，在很宽的温度范围内可以长期使用而不变质；聚硫胶能在-50℃至100℃温度范围内亦可保持其特性；而聚氨酯胶其表面易劣化，但对配方进行改良后，其使用寿命长也可达15～20年。
2．1.2透气率
透气量是一个非常重要的因素。中空玻璃隔热、防霜雾性能是通过其内部一层密封的、干燥的空气（或是氩气、氙气等）层来实现的，一旦透气量达到一定程度，在较低温度时，就会结霜结露，中空玻璃的使用性能也就失效。因此，要求密封材料对气体具有良好的阻隔性能或具较低的透气率。
常见的中空玻璃密封胶中，丁基胶的水蒸汽透过率最低，但丁基胶是热塑性的，只用做内层密封，一般不单独使用；聚硫胶具有较低的透气率，是制造中空玻璃的理想材料；硅酮胶的透气率较高，约为10～15g/m2•d•cm，一般地，使用硅酮胶密封胶时采用双道密封结构；与聚硫胶和硅酮胶相比，聚氨酯的水气渗透率是最低的，使用聚氨酯的制作的中空玻璃的质量会更为优良。
2．1.3粘接性
丁基热熔胶属于非化学粘接，低温粘接性差；硅酮胶由于本身就有很强的粘结性能，所以使用硅酮胶作中空玻璃密封条不需要再涂底胶，直接升温便可与玻璃很好地粘接在一起；但它的耐水性较差，由于玻璃与窗框之间容易积存雨水，经过日晒，水温最高可达80℃左右，在此条件下，胶的粘接强度会降低，胶层与玻璃之间就会脱粘而导致中空玻璃失效；聚硫胶与玻璃的粘接性差，一般需加入不饱和聚酯来提高其与玻璃的粘接性或使用双道密封结构；聚氨酯胶因含有极性很强、化学活泼性很高的异氰酸酯基（—NCO）和氨酯基（—NHCOO—），它与含有活泼氢的材料和玻璃等表面光洁的材料都有着优良的化学粘接力，而聚氨酯与被粘接材料之间产生的氢键作用会使高分子内聚力增加，从而使粘接更加牢固。
实验结果表明:硅酮密封胶抗老化性能很好，使用寿命长，但它的透气量比聚硫橡胶密封胶要大，抗结霜结露性能较差，所以在长时间范围内，它的使用效果没有聚硫橡胶密封胶好，且它的综合成本了略高于聚硫胶，但是聚硫胶粘接性能较差，必须使用双道密封；与聚硫胶和硅酮胶相比，聚氨酯的水气渗透率是最低的，其接着性也较好，在其他条件不变的情况下，使用聚氨酯的制作的中空玻璃的密封寿命和耐久性应该要长一些。
此外，硅酮胶在反应过程中脱去易发散的小分子丙酮，会造成胶层表面的污染；聚硫胶的配方中需使用化学溶剂，当溶剂从边部密封的胶体中挥发时，会对环境产生一定的污染；而使用不含溶剂的聚氨酯胶时，既不会生成易挥发的有害物质，也没有溶剂挥发的问题产生，从环保的角度考虑，更易广为接受。
2．2中空玻璃的密封结构
目前市场上中空玻璃的密封结构主要有胶条法和胶接法。胶条结构的主体材料是丁基或聚异丁烯胶，胶条在加热、加压条件下在玻璃上形成一个非化学粘接表层，导致耐温度交变性能、耐候性能差（丁基或聚异丁烯胶遇热易蠕变，遇冷则变硬）；再者，胶条为热塑性体而非弹性体，因此抗位移变形能力很差。从实际使用效果看，中空玻璃漏气、漏水现象严重，因此胶条结构的中空玻璃会逐渐被淘汰。胶接法密封结构主要有单道密封与双道密封，由于双道密封的中空玻璃的耐久性和密封寿命较单道密封的要长，所以现在双道密封的中空玻璃占市场主导地位。丁基胶在几种常用胶中的水气渗透率最低，通常被用作第一道密封，起隔离水气、防止空气和惰性气体进出中空玻璃空腔的作用；第二道密封胶常用聚硫胶、聚氨酯胶和硅酮胶，主要是将玻璃和间隔条粘结成一中空玻璃整体、防止气体泄漏、弹性恢复并缓冲边部应力，并对防止水气渗透起辅助作用。
总之，对于建筑门窗用中空玻璃应选择丁基-聚硫体系（丁基胶作内层密封、聚硫胶作外层密封）或是环保型的聚氨酯系列密封胶。
3外窗密封胶的选用
国家规定，新建建筑门窗密封性指标不低于《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》（GB7107）规定的Ⅲ级水平，相当于窗户每米缝长的空气渗透量为QL≤2.5m3/(m•h)。这就要求必须采取相应的措施，以保证外窗的密封性及建筑物的整体节能要求。一般可从以下两个方面加强外窗的密封性能。
3.1胶条的选用
框扇间的密封胶条是外窗气密性和水密性的保证，铝合金窗验收标准要求：在关闭后各配合处无缝隙，不透气、不透光，密封面上的密封条应处于压缩状态。这就要求所使用的胶条要有较高的复原性和位移补偿能力，即：密封胶条应能适应接缝受到压力或拉力时所产生的位移、基材受热时或受冷时的膨胀和收缩。常用硫化橡胶类和热塑性弹性体类密封胶条，如：三元乙丙橡胶、热塑性硫化胶(TPV)、聚氨酯热塑性弹性体(TPU)胶条等，理想的是使用三元乙丙和TPU等耐候性好的胶料。
3.2密封胶的选用
在玻璃与窗框间使用密封胶对缝隙进行处理，既牢固可靠，又使外表无缝隙，提高气密性能。现在多使用胶条和密封胶两种方式。胶条在加热、加压条件下在粘接面上形成一个非化学粘接表层，其耐候性、抗位移变形能力较差，在搭接处易形成缝隙，影响窗的密封性能。由于这种方法不符合节能的要求，将逐步淡出市场。
密封胶是装配现场进行施工粘结的非定型材料，除接缝构造设定、施工技能因素外，密封胶的选用直接决定粘结密封性能。常用的三大弹性密封材料——聚氨酯密封胶、有机硅密封胶和聚硫密封胶，其中聚氨酯与金属、玻璃等表面光洁的材料都有着优良的化学粘接力，且性价比已接近于建筑用理想的密封材料，占据着市场主导地位。
此外，窗扇与窗框间一般使用毛条加强密封和隔热，普通化纤毛条遇水会卷曲而失去密封作用，必须使用硅化毛条。
4节能效果分析
实验表明，选用合适的密封胶可以提高中空玻璃的质量，增强外窗的气密性，对外窗的节能有十分重要的作用。我们现将结构为5+12A+5中空玻璃、气密性3级的节能铝合金外窗与普通铝合金外窗的节能效果做以下对比分析（我国建筑门窗市场上，铝合金外窗占比为55%）。
对比分析中选取华北地区为例，该区域大多属于冬冷夏热地区，一般地，冬季采暖期为120天，平均气温-1.6℃（以北京为例）；夏季制冷期为6、7、8三个月之间，9：00至17：00室外平均气温在33℃以上，夜间平均气温超过28℃约30天，整个夏季制冷时间约为720小时。
根据下面的节能公式：
冬季: QJ=(A-A1)×(tn-tp)×24×n1/103×3.6×106J/kw•h
夏季: QJ=(A1-A)×(tn-tp)×T/103×3.6×106J/kw•h
式中QJ——节能量，单位为kw•h；
A——普通铝合金窗的导热系数，4.0w/m2•K；
A1——节能外窗的导热系数，2.8w/m2•K；
tn——华北地区采暖期室内平均温度，冬季取18℃，夏季取21℃； tp——采暖期室外平均温度，冬季取-1.6℃，夏季取31℃；
n1——采暖天数，华北地区采暖天数为120天；
T——制冷时间（小时），夏季平均制冷时间720小时。
（1）冬季节能计算：
QJ=（4.0－2.8）×（18－1.6）×24×120÷103×3.6×106J/ kw•h=2.04×108J/m2
按热力折算系数：0.03412千克标准煤/百万焦耳，折标煤：6.96千克标准煤/m2。
（2）夏季节能计算：
QJ=(2.8－4.0)×(21－33)×720÷103×3.6×106J/kw•h=0.373×108J/m2
折标煤：0.01千克标准煤/m2。
（3）冬夏两季共节约标准煤6.97千克/m2。
5结论
以上对比分析中所取的保温值K［w/(m2•K)］均为保守值。如配合使用6Low-E+12A+6中空玻璃时，整窗的K值可达2.1w/(m2•K)，远远高于以上对比计算中引用的K值。在实际应用中，节能效果也将高于计算的结果。
通过对比计算可以看出，使用中空玻璃（普通浮法玻璃）和合适的密封体系时，可达到良好密封性能，其节能效果是明显的。