国内被动式建筑门窗洞口用防水密封膜 及其标准化研究

1 前言

被动式超低能耗建筑（被动式建筑）是指充分利用自然环境和资源，将自然通风、自然采光、太阳能辐射和室内非供暖热源得热等各种被动式节能手段与建筑外围护结构保温、隔热节能技术相结合建造而成的建筑。常规的绿色建筑节能效果一般在 50%~75%，而被动式建筑节能效果超过 90%，是未来建筑节能减排的重要途径。

被动式建筑具有高性能的外保温、无热桥设计、气密性良好的外围护结构等三大特征[1][2]。它对外墙、屋面、地面及门窗组成的外围护结构的气密性要求较高，其中墙体与门窗之间的节点过渡又是极其薄弱的部位，一直是建筑中的能耗大户。据统计，通过过渡位置消耗的能耗约占整个建筑能耗的 40%。另外，建筑门窗周边经常因密封设计差导致室内产生渗漏、霉变、结露等问题，因此过渡位置的节能、防水是被动式建筑中极受关注的重点。

针对门窗洞口防水、节能问题，国外一般在墙体与门窗之间的节点过渡位置采用高效的防水密封系统，这种密封系统由防水隔汽膜和防水透汽膜两种新材料组成[3]（如图1），显著地提高了外窗的保温气密性，同时解决了窗户节点的节能、防水问题。与之相比，国内以往对门窗节点过渡位置的防水密封性并不重视，传统建筑采用的泡沫胶和防水耐候胶密封处理方法因材料易老化失效[4]，并不能完全解决门窗位置渗漏和能耗问题。

图1 防水密封膜室内外应用

关于这种专用门窗洞口用防水密封膜材料，目前国内尚无一家企业生产，国内被动式建筑示范项目[5][6] 均直接采用国外进口产品。而国内建筑防水卷材主要用于墙体及屋顶防水，比如外墙或屋顶用防水透汽膜与隔汽膜。但是国内防水卷材生产厂家有近100 家，存在严重的产品同质化问题，且国内技术工艺水平较低，产品质量参差不齐。以往国内防水卷材多采用编织打孔工艺，产品在强度、防水及耐久性方面与国外产品存在较明显差距，近些年国内防水卷材技术发展趋向于效仿国外无纺布层合工艺，但是因国内民营企业研发能力弱，复合技术及成型工艺不成熟，选用基材质量较差等问题，导致产品仍存在易剥离、透汽性差、易老化等问题。因此，市场竞争力不强，目前宏观形式上还是由德国、美国引领着高端防水材料的发展潮流。

过去国内并无门窗洞口专用防水密封膜的概念，以往的绿色建筑节能标准中也从未提及此种材料。直到2009 年住房和城乡建设部科技与产业化发展中心与德国能源署在中国推广被动式建筑，这种防水密封膜新材料才开始被引入到国内。2015 年出版的河北省《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》（以下简称《河北标准》）中对此防水密封膜材料的性能指标第一次予以规定，该标准也是国内第一部关于被动房的标准。但《河北标准》中只是纯粹照搬德国标准，材料性能检测标准和指标完全采用德国标准，不利于国内被动式建筑及其配套新材料的发展。因此，2017 年住房和城乡建设部科技与产业化发展中心牵头编制黑龙江省《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》（以下简称《黑龙江标准》），要求根据国内检测标准和我国不同地域气候变化大等特点对新材料指标重新规定，其中针对门窗洞口用防水密封膜材料的标准化，住建部委托中材科技南京玻璃纤维研究设计院（以下简称“南京玻纤院”）承担相关工作。目前，《黑龙江标准》的报批稿已经完成，有关防水密封膜的指标设定值已被收录于《被动式低能耗建筑——严寒和寒冷地区居住建筑》国家建筑标准设计图集（16J008-8）中。

南京玻纤院在开展防水密封膜标准化工作中主要包括两项内容：一是将德国标准与国内标准进行对标，筛选合适的检测标准用于防水密封膜性能检测；二是采用对标后确定的国内标准对国外进口产品进行性能检测和分析。为加深国内对被动式建筑门窗洞口用防水密封膜材料的了解，本文将对防水密封膜及其标准化研究进行介绍。

2 门窗洞口用防水密封膜的结构、功能及应用研究

门窗洞口用防水隔汽膜与防水透汽膜均是三层夹芯结构，由上下两层无纺布和中间一层高分子功能膜复合而成。其中无纺布主要用于增强力学性能和保护高分子功能膜，高分子功能膜决定防水膜的隔汽性能与透汽性能。

防水隔汽膜的中间高分子功能膜采用高分子隔汽膜，表面致密无孔，具有防水和隔汽功能。防水透汽膜的中间高分子功能膜采用高分子透汽膜，其透汽机理可分为微孔透汽和分子扩散透汽[7]。微孔透汽的原理是高分子透汽膜表面上均匀分布大量的微孔，水蒸汽分子直径为0.0004μm 左右，水分子直径为100μm左右，两者相差极大，当高分子透汽膜表面微孔的直径介于水蒸汽分子和水分子之间，则水蒸汽可以通过，而水分子因存在较大的表面张力而无法渗透，从而具有防水与透汽双重功能。分子扩散的透汽原理只适用于热塑性聚氨酯（TPU）透汽膜，TPU 透汽膜表面致密无孔，因此具有良好的防水性能；而TPU 作为一种高分子共聚物，分子链由软链段和硬链段组成，软链段具有亲水性，可吸附水蒸汽分子，在两侧压力差的作用下，水蒸汽分子可沿着软链段与硬链段间的空隙渗透，因此具备透汽性能。

由防水隔汽膜与防水透汽膜组成的门窗密封系统，如图2[8] 所示，防水隔汽膜用于室内一侧，既可以阻断室外侧水蒸汽向室内渗透，保证室内门窗周边的防水、防潮和防霉，又可以隔断室内外空气的相互渗透，避免由空气渗透产生的热交换，保证建筑气密性，从而减少建筑能耗。防水透汽膜用于室外一侧，既可以防止雨水向墙体的渗漏，保证建筑水密性，又可以利用自身透汽性能排出墙体内的水蒸汽，从而避免墙体内的保温层被水汽润湿而失效，保障保温节能效果[4][9]。

图2 应用防水密封膜的被动式建筑窗口部位结构图

3 防水密封膜检测标准对标工作

门窗洞口用防水密封膜主要性能包括厚度、单位面积质量、拉伸断裂强力、断裂伸长率、燃烧性能和透湿性能，通过对这些性能的德国检测标准以及国内相关标准进行对比分析，最终以国内建材行业相关标准替代德国标准，标准内容见表1 所示。

表1 门窗洞口用防水膜检测标准国内外对标情况

4 国外防水密封膜检测分析

采用对标后的国内标准对国外两家公司的防水密封膜进行测试，并对测试数据展开分析，结果如下：

4.1 防水隔汽膜性能分析

国外两家公司的防水隔汽膜的性能检测结果见表2所示。

表2 国外防水隔汽膜性能对比 

由表2 可知，两家公司的防水隔汽膜均具有较好的综合性能。防水膜的厚度与单位面积质量主要由两层无纺布和中间高分子功能膜的尺寸规格共同决定。公司Ⅰ防水隔汽膜的厚度为0.503mm，略大于公司Ⅱ的0.474mm；两者单位面积质量基本相近。

防水膜的拉伸性能主要由无纺布决定，取决于无纺布的厚度、材质、成型工艺等因素。公司Ⅰ防水隔汽膜纵向的拉伸断裂强力和断裂伸长率分别为807N/50mm和14.5%，比公司Ⅱ的735N/50mm 和12.0% 略高；公司Ⅰ防水隔汽膜横向的拉伸断裂强力和断裂伸长率分别为149N/50mm 和121%，远高于公司Ⅱ的96.8N/50mm和56.8%，因此公司Ⅰ防水隔汽膜的拉伸性能较优于公司Ⅱ。

防水膜的燃烧性能主要取决于无纺布和高分子功能膜的材质。经过测试表明，两家公司的防水隔汽膜燃烧性能均不合格，这是因为国外防水隔汽膜的无纺布和高分子膜不具备阻燃性能。而通常国外对防水隔汽膜的燃烧性能测试之所以合格是因为国外的测试对象为防水密封膜应用后的门窗整体系统，并不是直接对防水密封膜进行燃烧测试。

防水膜的透汽性能主要由透汽机理和膜厚度决定，可由透湿率、湿阻因子和水蒸汽扩散阻力值表征。透湿率（Wp）是指在单位水蒸汽压力差作用下，单位时间内通过试样单位面积的水蒸汽的质量，透湿率越高，膜的透汽性能越好。透湿率与试样厚度的乘积为试样的透湿系数（δp），而空气的透湿系数（δa）除以试样的透湿系数（δp）则表示试样的湿阻因子（μ），湿阻因子代表了试样的抗水蒸汽透过能力，即湿阻因子越大，膜的透汽性能则越差、隔汽性能越好。湿阻因子与厚度的乘积为试样的水蒸汽扩散阻力（Sd），表示试样的水蒸汽扩散等效空气层厚度，Sd 值越小，膜的透汽性能越好，反之膜的隔汽性能则越好。

膜的透湿性能参数的计算关系如下：

国外公司Ⅰ防水隔汽膜的透湿率、湿阻因子和Sd值分别为6.4×10-9g/(m2·s·Pa)、7.8×104 和39.2m，而公司Ⅱ的防水隔汽膜的透湿率、湿阻因子和Sd 值分别为5.0×10-9g/(m2·s·Pa)、8.8×104 和41.7m，两者相差不大，均具有良好的隔汽性能。

4.2 防水透汽膜性能对比分析

国外两家公司的防水透汽膜的性能检测结果见表3所示。

表3 国外防水透汽膜性能对比

由表3 可知，公司Ⅰ防水透汽膜的厚度和单位面积质量分别为0.574mm 和195.9g/m2，均高于公司Ⅱ的防水透汽膜，并且公司Ⅰ防水透汽膜的综合拉伸性能要优于公司Ⅱ，这可能是因为前者的厚度和单位面积质量更高。同样因为两家公司防水透汽膜所用材质不具备阻燃性能，因此材料本身的燃烧性能不合格。公司Ⅰ防水透汽膜的透湿率、湿阻因子和Sd 值分别为4.0×10-8g/(m2·s·Pa)、1.1×104 和6.3m， 而公司Ⅱ防水透汽膜的透湿率、湿阻因子和Sd 值分别为6.5×10-7g/(m2·s·Pa)、8.4×102 和0.41，可以发现公司Ⅱ的防水透汽膜的透汽性能比公司Ⅰ高一个数量级，因此公司Ⅱ的防水透汽膜的透汽性能更佳。

综上所述，国外两家公司的防水隔汽膜的拉伸性能和隔汽性能均较好，隔汽性能几乎相近；公司Ⅱ的防水透汽膜的拉伸性能虽然略低于公司Ⅰ，但是前者的透湿性能却更好，更符合应用要求。

5 《黑龙江标准》防水密封膜性能指标

根据以上测试结果与分析，结合现阶段国内被动房发展的实际需求，为正在编制的《黑龙江标准》设定了门窗洞口用防水密封膜材料主要性能指标建议值，指标内容见表4 所示，目前已被收录于《被动式低能耗建筑——严寒和寒冷地区居住建筑》国家建筑标准设计图集（16J008-8）中。

表4 国内被动式建筑门窗洞口用防水密封膜材料的应用指标

6 未来展望

从宏观形势上看，未来几年将是中国被动式建筑高速发展的黄金时期，门窗洞口用防水密封膜等新材料的市场需求将越来越大，具有广阔的应用前景。

从材料研发及应用上来看，我国具有地域广、气候差别大的特点，比起德国因气候单一而使防水密封膜具有较大的适用性。我国门窗洞口用防水密封膜的开发应根据不同应用区域的气候特点，选择不同材料来满足多种要求，比如采用玻纤布取代高分子无纺布，将使防水膜的耐碱性能和阻燃性能得到极大地提高；比如采用数值模拟分析手段设计不同气候区的上墙施工工艺。

从标准化方面来看，目前《黑龙江标准》中只是对防水密封膜的厚度、单位面积质量、拉伸性能和透湿性能等予以规定，而这种防水膜材料的耐老化、延展性、剥离强度、防水等性能也很重要，因此未来还需要不断地予以补充优化。另外，随着被动式建筑不断发展，一旦时机成熟，必将很快就会开展被动式建筑行业标准或国家标准的编制工作。

7 结论

被动式建筑门窗洞口用防水密封系统主要由防水隔汽膜与防水透汽膜组成。防水隔汽膜用于室内一侧，防水透汽膜用于室外一侧，可以完全保证门窗周边的防水、防潮和防霉，并保障墙体内保温层的干燥，避免被水汽润湿而失效，从而起到良好的保温节能效果。

国外两家公司的防水密封膜的拉伸性能、透汽性能和隔汽性能各有优劣，并以国外产品的综合性能检测结果为基础，制定了黑龙江标准性能指标建议值，详细指标为：防水隔汽膜的纵向拉伸性能为：拉伸断裂强力≥ 500N/50mm，断裂伸长率≥ 10%；横向拉伸性能为：拉伸断裂强力≥ 80N/50mm，断裂伸长率≥ 50%。防水透汽膜的纵向拉伸性能为：拉伸断裂强力≥ 450N/50mm，断裂伸长率≥ 10%；横向拉伸性能为： 拉伸断裂强力≥ 60N/50mm， 断裂伸长率≥ 60%。防水隔汽膜的透湿性能为：透湿率≤ 9×10-9g/(m2·s·Pa)，Sd 值≥ 30；防水透汽膜的透湿性能为透湿率：≥ 4.0×10-7g/(m2·s·Pa)，Sd 值≤ 0.5。

参考文献：

[1] 闫永龙, 张峰, 张同玉, 等. 被动式超低能耗绿色建筑外窗施工技术[J]. 门窗专栏，2017(01): 19-20+23.

[2] 赵及建, 魏贺东, 刘爽等. 被动式门窗安装方式研究[J]. 门窗专栏，2017(07): 17-20.

[3] 杨仕超, 杨华秋. 被动式低能耗建筑门窗节能集成技术研究[J]. 建设科技，2015(15): 57-59+62.

[4] 矫贵峰，周炳高，黄端等. 被动式低能耗建筑外窗洞口施工技术[J]. 中国建筑防水，2017(05): 22-26.

[5] 彭梦月, 李小群. 被动式低能耗建筑防水隔汽系统构造及材料选择[J]. 建设科技，2017(17): 32-36.

[6] 彭梦月. 被动式低能耗建筑围护结构关键技术与材料应用[J]. 新型建筑材料，2015(01): 77-82.

[7] 谢富春, 张玉清, 朱长春. 防水透气聚氨酯薄膜及涂层的研究和应用[J]. 化学推进剂与高分子材料，2014，2(06): 8-10+18.

[8] 中国建筑标准设计研究院. 16J008-8——被动式低能耗建筑——严寒和寒冷地区居住建筑[S]. 北京：中国计划出版社，2017.

[9] 洪晓苗, 何文霞, 裘国良. 建筑防水透汽膜的发展和应用研究[J]. 中国建筑防水，2014(05): 10-13.

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