隔熱型防火玻璃夾層材料和結構的應用現(xiàn)狀

徐磊 李要輝 穆元春 陳瑋 張凡 王晉珍 徐志偉 祖成奎

（中國建筑材料科學研究總院有限公司 北京 100024）

0 引言

復合防火玻璃是目前唯一能夠起到隔熱作用的防火玻璃，近年來受到玻璃行業(yè)和科研機構越來越多的關注。復合防火玻璃由兩片或兩片以上的平板玻璃中間夾以透明的防火膠組成，遇火時迎火面玻璃首先破裂，防火膠在高溫下快速發(fā)泡形成隔熱層，從而起到防火隔熱的作用。因此，防火膠材料和玻璃結構是決定復合防火玻璃各項性能的主要因素。目前常見的防火膠材料主要有兩類，一類是以聚丙烯酰胺為基體的有機材料［1-3］，另一類是硅酸鹽基的無機材料［4-9］。不同的防火膠材料用于生產防火玻璃的工藝也不相同，主要有晾板法和灌漿法兩種生產工藝［10］，不同的生產工藝也會帶來玻璃結構的差異。防火膠材料、生產工藝和玻璃結構的差別，造成了復合防火玻璃性能上的巨大差異，包括外觀質量、耐火隔熱性能、耐紫外線輻照、耐寒、耐熱等性能方面。

自從上世紀70年代防火玻璃在歐洲出現(xiàn)并應用至今，國外防火玻璃在研發(fā)、生產和規(guī)范制定等方面都積累了大量的數(shù)據(jù)和經驗，并形成了以皮爾金頓、圣戈班為代表的專業(yè)大型防火玻璃供應商。先進的技術、完善的體系，系統(tǒng)的防火玻璃設計和法律法規(guī)的推動，使復合防火玻璃在工程應用上獲得了很大的成功。相比之下，我國防火玻璃技術發(fā)展緩慢、市場混亂、產品質量良莠不齊。近幾年，國家標準GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》的實施和《關于深化消防執(zhí)法改革的意見》的頒布極大地推動了國內防火玻璃產業(yè)的技術進步和行業(yè)發(fā)展。隨著我國對建筑防火的重視，國內高校和研究院對防火玻璃技術的研究越來越多［2-10］，市場對產品的質量要求越來越高，產品迭代不斷加快。但是很少有人關注復合防火玻璃的結構設計，也忽略了防火玻璃耐火隔熱的本質特征，導致現(xiàn)在一味的追求防火玻璃尺寸越大越好、厚度越薄越好，嚴重違背了防火玻璃的設計初衷。本文簡要論述了國內復合防火玻璃的防火膠材料和玻璃結構應用現(xiàn)狀，同時對比分析國外復合防火玻璃產品特點，以期給我國復合防火玻璃的發(fā)展提供一些借鑒。

1 隔熱型復合防火玻璃的防火膠材料和結構

1.1 國內隔熱型復合防火玻璃數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)中國消防產品信息網公布的消防產品信息統(tǒng)計，目前在國內獲得隔熱型復合防火玻璃檢驗報告并取得中國國家強制性產品認證證書的廠家有136家，包括國內135家公司和德國皮爾金頓股份有限公司，其中有機復合防火玻璃生產廠家111家，無機復合防火玻璃生產廠家34家；查詢到主型產品的隔熱型防火玻璃檢驗報告359份（不包含德國皮爾金頓4份報告），其中有機復合防火玻璃的檢驗報告263份，無機復合防火玻璃的檢驗報告96份，涉及0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h和3.0 h五個防火等級的復合防火玻璃產品。

1.2 有機復合防火玻璃的防火膠材料及結構應用現(xiàn)狀

有機復合防火玻璃的防火膠材料主要由丙烯酰胺、亞甲基雙丙烯酰胺、硫酸鋁鉀、氯化鎂、氯化鈉、過硫酸銨等成分組成，采用灌漿法將防火膠液灌注到四周以阻燃膠條密封的玻璃腔體中，其中丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)固化形成的有機網絡結構作為基體，阻燃劑、膨脹劑等添加劑被固定在上述有機網絡中。據(jù)統(tǒng)計，在主型產品的263份有機復合防火玻璃的檢驗報告中，有259份檢驗報告中的玻璃結構為兩玻一膠結構，即兩片平板玻璃夾單層防火膠，隨著防火等級的增加，防火膠層的厚度在不斷增加，厚度范圍為6～35 mm。僅有3份檢驗報告的玻璃結構為三玻兩膠，1份檢驗報告的玻璃結構為四玻三膠。

有機復合防火玻璃的防火膠材料和結構決定了其最大的優(yōu)點是原材料價格低廉、生產工藝簡單，從而使整個生產成本降低。同時其缺點也是很明顯的：首先，由丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)形成的基體狀態(tài)類似于果凍，含水量高，強度低，抗流變性能差，極易造成收縮缺陷和墜脹變形；其次，隨著防火等級的增加，防火層厚度不斷增加，而防火玻璃的結構始終是兩玻一膠，兩層平板玻璃無法有效抵抗防火層材料的流動下墜，從而造成防火玻璃的墜脹變形甚至脹裂，這也限制了該類型產品的應用尺寸。另外，在主型產品的263份有機復合防火玻璃的檢驗報告中，有181個產品用于室內，可用于室外的產品報告僅有82份，這是因為有機復合防火玻璃的抗紫外線輻照性能很差，即使用于室內，聚丙烯酰胺凝膠材料在常溫情況下的耐老化性能也不容樂觀，實際應用表明，部分產品應用于室內6個月后防火膠已經嚴重開裂、發(fā)烏。

從檢驗報告的數(shù)量上可以看出來，有機復合防火玻璃在國內還是有著比較龐大的市場，這跟其低廉的價格是分不開的。由于原材料中丙烯酰胺單體對人體的毒性和對環(huán)境的污染，玻璃的耐候性能和耐火隔熱性能都比較差，使用壽命短、燒檢通過率低等因素，有機復合防火玻璃的使用受到很大的限制。

1.3 無機復合防火玻璃的防火膠材料及結構應用現(xiàn)狀

1.3.1 晾板法

在主型產品的96份無機復合防火玻璃的檢驗報告中，采用晾板法生產工藝的產品報告有28份，原材料以硅酸鈉（水玻璃或泡花堿）為主，添加工業(yè)聚磷酸銨、氯化鈉、氯化鎂、尿素、硼砂、硫酸鋁鉀等添加劑后形成晾板液，將其浸漬或涂覆至玻璃原片表面，在恒溫恒濕條件下脫去水分后形成防火膠，再通過合片液將另一玻璃原片與其粘接在一起，升溫增壓制得復合防火玻璃。

表1為國內部分防火玻璃企業(yè)采用晾板法生產的隔熱型復合防火玻璃的產品參數(shù)。

表1 國內部分防火玻璃企業(yè)采用晾板法生產的隔熱型復合防火玻璃的產品參數(shù)

該類型復合防火玻璃的特點是防火膠厚度薄、層數(shù)多，隨著耐火等級的增加，防火膠的層數(shù)也隨之增多。企業(yè)A/B產品結構類似，A1.00玻璃結構為四玻三膠，A1.50玻璃結構為五玻四膠，A2.00玻璃結構增厚至六玻五膠、甚至八玻七膠，具體結構參數(shù)隨著膠層厚度略有調整。企業(yè)C產品結構略有特殊，其防火膠厚度均為1.4 mm，A1.00玻璃結構為6層3 mm玻璃和5層防火膠復合形成25 mm防火玻璃，A1.50玻璃結構并非直接增加膠層數(shù)量，而是通過A1.00的25 mm防火玻璃和一個16 mm防火玻璃（4層3 mm玻璃和3層防火膠）進行中空復合，相應地，A2.00玻璃結構為兩個A1.00防火玻璃通過3 mm中空進行復合。就結構而言，C公司的隔熱型復合防火玻璃，當其耐火等級達到A1.50以上時，采用多個低耐火等級的防火玻璃進行中空復合，這樣在一定程度上會增加玻璃的厚度，但其耐火等級也是真實的疊加，甚至由于中空層的存在，耐火隔熱性能會更好。這種結構設計與德國皮爾金頓的Pyrostop系列隔熱型復合防火玻璃的結構是類似的（表3）。

晾板法生產的隔熱型復合防火玻璃在國內應用比較早，但目前市場上的工程用量只占有很小的比例，生產廠家也比較少，且產品與皮爾金頓同類產品有較大的差距。由于其獨特的生產工藝，該類型玻璃有著鮮明的優(yōu)缺點。玻璃板主要采用3 mm或4 mm的非鋼化玻璃，因此可以實現(xiàn)后期切割應用；水玻璃基防火膠材料經過在恒溫恒濕條件下蒸發(fā)水分后得到的防火膠固相含量可高達70%以上，因此防火膠硬度大，抗流變能力強，加之防火膠層厚度小，幾乎不會發(fā)生墜脹變形；由于防火膠的低模數(shù)和低含水量，該類型防火玻璃的耐寒性能極好，甚至可以在-50 ℃以下的低溫環(huán)境下使用而不結冰；同樣，由于含水量低，防火膠遇火發(fā)泡更加均勻致密，結合防火膠層的厚度小、數(shù)量多的玻璃結構，在高溫下可形成多層均勻致密的泡沫層，更好的起到耐火隔熱作用。眾多優(yōu)點加身的同時，該類型玻璃的缺點也是致命的。由于生產工藝相對復雜，生產周期長、環(huán)境要求高，生產過程控制不好極易產生氣泡，即產品的外觀質量和穩(wěn)定性成為挑戰(zhàn)；由于水玻璃的攤鋪和凝膠過程需在極平的玻璃原片上進行，目前尚且無法采用鋼化玻璃進行生產，也不能用于生產異形玻璃；該類型玻璃采用的主要原料為低模數(shù)鈉水玻璃，導致防火玻璃的耐紫外線輻照性能差，無法直接用于室外。

1.3.2 灌漿法

灌漿法是指將按比例調配好的硅酸鹽溶液灌注到四周以特制阻燃膠條密封的多層玻璃腔體中，原位反應固化成透明的硅酸鹽凝膠，從而制得復合防火玻璃，目前市場上的新型“納米硅”、“水晶硅”防火玻璃屬于該類型玻璃。經統(tǒng)計，采用灌漿法的防火玻璃產品認證報告有68份，其中23份報告中的防火膠材料為硅酸鈉，同時添加氯化鎂、氯化鈉、硫酸鋁鉀等添加劑，該類產品結構特點是均采用兩層平板玻璃夾一層防火膠，且隨著耐火等級的增加，防火膠層厚度不斷增加，層厚最大可達46 mm，耐火等級覆蓋A1.00到A3.00。該類型防火玻璃的防火膠多是以鈉水玻璃為基礎，通過添加固化劑的方式進行凝膠化處理而得到。由于水玻璃的含水量高，形成的防火膠強度比較低，耐火隔熱性能較差。另外，單層防火膠結構覆蓋了從A1.00到A3.00所有耐火等級，這種結構設計也影響了其耐火隔熱效果。其余45份報告中的防火膠為采用納米二氧化硅和堿溶液混合并原位反應生成的硅酸鉀凝膠，其中國內部分防火玻璃采用灌漿法生產的隔熱型復合防火玻璃產品參數(shù)如表2所示。該類型玻璃的結構特點為：A0.50玻璃結構均為兩層平板玻璃夾一層防火膠； A1.00玻璃結構均為三層平板玻璃夾兩層防火膠；隨著耐火等級的增加，防火膠層的數(shù)量增加，或者防火膠層的厚度增加，或者兩者同時增加；一般情況下，隨著玻璃尺寸的增加，選用的平板玻璃的厚度也會增加；防火膠層厚度明顯更厚，多為5.0～8.0 mm。

表2 國內部分防火玻璃企業(yè)采用灌漿法生產的隔熱型復合防火玻璃的產品參數(shù)

續(xù)表2

上述“納米硅”系列灌漿復合防火玻璃近年來在國內得到迅猛發(fā)展，工程應用越來越多，相關技術研究也在持續(xù)跟進。灌漿法生產工藝相對簡單，生產效率高，可生產曲面異形復合防火玻璃；通過對原料配方進行設計獲得優(yōu)異的耐紫外線輻照性能。與晾板法獲得的防火膠相比，灌漿法所得防火膠的固相含量較低，一般在40%～45%，防火膠硬度小，抗流變能力差，加之防火膠厚度較厚，容易墜脹導致玻璃變形，玻璃尺寸越大，風險越大。同樣的，由于防火膠含水量較高導致其耐寒性能較差，市場上的大多數(shù)產品僅能在-10 ℃以上使用，只有極個別產品的耐寒性能達到-30 ℃，這幾乎是灌漿法制備隔熱型復合防火玻璃耐寒性能的極限。特別提出的是，防火膠含水量高也會帶來遇火發(fā)泡脫膠、鼓包等潛在導致耐火隔熱性能失效的風險。

因此，我國在該類型防火玻璃領域尤其是防火膠的性能改進方面仍有很大的進步空間。主要在以下幾個方面：①防火膠的固相含量至少提升至45%～50%，甚至達到50%以上，防火膠的硬度將大幅度提升；②考慮到我國氣候差異較大，防火玻璃的耐寒性能根據(jù)應用場景可設置不同的等級，如-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃；③無論是防火膠固相含量的提升還是防火玻璃耐寒性能的提升，都要考慮到防火液的灌注效率和生產過程氣泡的產生。

2 國外無機復合防火玻璃設計理念分析

國內市場上比較常見的進口無機復合防火玻璃有英國Pilkington 的Pyrostop系列產品和圣戈班集團旗下Vetrotech公司的Contraflam系列產品。其中Pyrostop系列復合防火玻璃采用晾板法生產，Contraflam系列復合防火玻璃采用灌漿法生產，其具有代表性的不同等級產品結構參數(shù)如表3所示。

表3 國外隔熱型復合防火玻璃產品參數(shù)

從表3可以看出，圣戈班的Contraflam系列產品，其耐火等級A0.50的玻璃結構為三層平板玻璃夾兩層防火膠，耐火等級A1.00玻璃結構為四層平板玻璃夾三層防火膠，耐火等級為A1.50的玻璃結構為五層平板玻璃夾四層防火膠。當其耐火等級達到A2.00時，玻璃結構并沒有直接在耐火等級A1.50的玻璃結構上直接增加一層防火膠，而是兩塊耐火等級A1.00的隔熱型復合防火玻璃通過一個6 mm的中空進行復合，耐火等級達到A3.00時，玻璃結構也沒有簡單的將三塊耐火等級A1.00的玻璃中空復合，而是兩塊耐火等級A0.50的玻璃和一塊耐火等級A1.00的玻璃形成雙中空結構。

與國內隔熱型復合防火玻璃結構相比，圣戈班Contraflam系列復合防火玻璃有以下三個特點：①在相同耐火等級下，增加了防火膠層的數(shù)量，同時降低了防火膠層的厚度；②當耐火等級達到A2.00及以上時，選擇采用多個低耐火等級的防火玻璃進行中空復合，這一點與皮爾金頓的Pyrostop系列產品設計理念是相同的；③相同耐火等級、不同結構設計的防火玻璃，其推薦的應用尺寸是不同的，顯然應用尺寸受到了結構的限制。前兩點結構設計方面的考慮均在一定程度上增加了防火玻璃的整體厚度，應用尺寸的限制也會在一定程度上對建筑物整體的美觀造成影響，但卻在更大程度上保證了玻璃的耐火隔熱性能，使其更加安全可靠。隔熱型復合防火玻璃的發(fā)展還沒有達到尺寸和結構可任意設計的程度，防火玻璃的目的是為了最大程度發(fā)揮其耐火隔熱性能，保障人們的生命財產安全，這是防火玻璃進行結構設計的初衷。目前國內相關數(shù)據(jù)積累還比較少，國外的設計理念和現(xiàn)實應用值得借鑒。

2 結論

本文通過對國內已獲得中國國家強制性產品認證證書的廠家及其隔熱型復合防火玻璃檢驗報告進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，從防火膠材料、生產工藝和玻璃結構幾個方面綜述了國內復合防火玻璃的發(fā)展現(xiàn)狀，并與國外同類型產品進行了比較。主要結論為：

（1）目前國內有機灌漿防火玻璃產品仍有大量的生產企業(yè)和工程應用，該類型防火玻璃結構設計簡單、生產工藝簡單、成本低廉，在特定應用領域仍可滿足隔熱性防火要求，但由于其防火膠特性和結構設計等因素，導致其應用受到很大的限制；

（2）以無機硅酸鉀、硅酸鈉材料為基礎的隔熱型復合防火玻璃具有優(yōu)異的耐火隔熱性能，并且滿足大尺寸、耐紫外線輻照的應用需求，在隔熱型防火玻璃的市場占有率快速提升，其中硅酸鉀基復合防火玻璃系列發(fā)展迅猛；

（3）與國外的隔熱型復合防火玻璃產品相比，無論是晾板法還是灌漿法，國內產品還存在一定的差距。主要體現(xiàn)在，防火膠材料的性能尚有提升空間，防火玻璃的結構設計不夠嚴謹，實際應用數(shù)據(jù)積累不夠多，對應用場景的匹配認識尚淺，需要特別注意的是，防火玻璃的設計理念應更加注重功能性。