24小时联系电话:

010-63362071

中空玻璃惰性气体的充气及检验方法 —王铁华当前位置:首页 > 技术资料

本文旨在介绍中空玻璃惰性气体的充气及检验方法,围绕为什么要充气、 如何充好气、国外对惰性气体的检测的内容及采用的检测手段来展开,最后介绍国外中空玻璃惰性气体的检测方法的趋势。


关键词:氩气、氩气的初始浓度、中空玻璃的氩气保持能力、非破坏性检测方法、高压电火花法。


氩气的基本知识

我们对氩气的基本知识介绍包括氩气的物理性质和热工性能两个方面。

氩气的物理性质

氩气是一种无色、无味、无毒的气体;具有对UV稳定性、不影响可见光透过的特点;空气中含量 1%,是最经济的惰性气体;空气中密度:1.7836 kg/m3,t=00C (相同温度条件下,空气的密度是1.2928 kg/m3)。

氩气的热工性能

因为氩气的密度比普通空气大,因此充氩气的中空玻璃,可减慢中空玻璃内的热对流,从而减少气体的导热性。

此外,我们对氩气的热工性能还可从以下两个方面进一步分析。

l 氩气与中空玻璃空气层间隔之间的关系

充氩中空玻璃与空气层间隔之间的关系,是函数关系,见图1。

从图中可见,(1)K值在16mm处最佳(拐点),从6-16mm,K值随空气层增加而改善,超过该拐点传热系数不改变,只增加材料使用量而已,因此, 通过调整空间距离,可以提高节能(6-16mm), 或节约材料(>16mm)。(2)充气与低辐射玻璃结合使用,提高节能幅度比与充气透明中空玻璃效果好,前者可高达15%,而后者仅仅为2-5%。

l 氩气的浓度与中空玻璃传热系数改善之间的关系

用图2说明氩气的浓度与中空玻璃传热系数改善之间的关系。图中的中空玻璃为4+12+4mm,3条曲线分别表示充气透明玻璃中空、充气低辐射中空玻璃1和充气低辐射中空玻璃2(二者e值不同),气体浓度均为90%。

图中显示,(1)氩气的浓度与中空玻璃传热系数之间呈线性关系,浓度越大, K值越低;(2)

初始充气浓度应该尽可能高一些, 但是并不是说越高越好,如100%比较90或95%的改善就不是特别明显; 从白玻璃看, 100%浓度比较清楚空气(氩气0%)改善近5%, 从90%-100%, 改善了小于1%;氩气浓度从70%到90%, 对低辐射玻璃来说,传热系数提高接近12%。


该图示的两个重要启示是,(1)假定中空玻璃的传热系数保持变动不大,追求中空玻璃的20的密封寿命的话,其年泄漏率必需<1%;(2)从理论上讲,100%的惰性气体浓度永远比90%的浓度、甚至好于95%,但在时间中,要达到100%的浓度,是非常难的,姑且不说费时,从其带来的传热系数的改善程度来看,与从70%提高到90%相比,是很小的。因而,在实践中没有必要追求100%的初始浓度,只要达到90%就可以了。


此外,还应该强调指出的是,中空玻璃充气只能改善中空玻璃的保温、亦即传热系数,而对提高中空玻璃的隔热能力没有关系。

氩气充气方法

在介绍完氩气的基本常识之后,我们知道中空玻璃充气有助于提高节能,因而有必要充气。下面看看应该如何充气?

首先看一下有关充气方面的基本知识。中空玻璃内的充气量取决于中空玻璃的空腔内容积, V=H x W x T x 0.001(容积立升=高X宽X空气层厚度X0.001)。根据经验,单位中空玻璃所需充气的立升数为中空玻璃容积的1.5倍。由于氩气的密度大于空气,所以,从保证充气质量(浓度)和缩短时间的角度看,正确的充气位置应该是,充氩气孔在下,空气输出孔在上。


概括地说,中空玻璃的惰性气体充气方法有两种,即全自动在线气幕式和人工充气方法,前者的代表主要为李赛克和百超公司。手工充气方法可参见右图。

那么,两种方法中应采取那种方法, 应该由充气的特点和生产的要求所决定,亦即(1)充气不能影响中空玻璃的生产速度,否则会成为中空玻璃的生产瓶颈;(2)氩气的物理性能,具体说氩气的密度大于空气。

中空玻璃的生产效率, 取决于最慢的工序.惰性气体和空气分子量不同,采用手工充气,如果进速<出速,则时间过长,会成为生产能力的瓶颈;但进速>出速,会造成空气层内气体湍流,要达到所要求的浓度,时间也很长,所谓欲速则不达;如果过快, 则会使,内部气压大于正常大气压,造成玻璃破碎。

而气幕式充气法,两片玻璃是分开的,气体是从下向上,既可以保证速度,又可以保证浓度。据报道,美国卡迪诺公司采用气幕式充气的速度,每片的时间小于20秒,浓度在90%/以上片。因此,从充气浓度和生产效率看,在线气幕要好于手工充气,应该考虑采用。.


充气中空玻璃的检测

由氩气的物理特点我们知道,氩气无色、无味、无毒。单凭肉眼我们无法区分充气中空玻璃和普通中空玻璃,也无法断定充气中空玻璃的浓度。因此,我们必需用特定手段来检测充气中空玻璃的气体浓度,包括两项内容:惰性气体的初始含量(浓度)和检测中空玻璃的惰性气体的保持能力。

鉴于目前国外中空玻璃检测标准的两大体系,即欧标EN1279和美标ASTM2188/89/90中只有欧标对此有所规定,我们的介绍将以此为主。

EN1279的第3部分规定了中空玻璃氩气渗出速度和浓度公差的长期检测方法和要求,目的是确保中空玻璃空腔内充惰性气体的量在其寿命期内足以保证中空玻璃的热工性能或隔音性能的改善;EN1279的第6部分为生产过程的质量控制,规定了中空玻璃初始充气浓度的公差及数量。初始浓度为85%,公差是-5%--+10%,亦即可接受浓度范围是80%--95%。

EN1279的第3和第6部分中规定,检测中空玻璃惰性气体的浓度的手段,是使用气相色谱仪来分析从中空玻璃空腔内抽取的惰性气体样品。概括地说,采用此种方法检测中空玻璃地浓度,需要在中空玻璃制作时预先放置了采样塞,检测时,将气密注射器插入中空玻璃构件的采样塞中,把间隔层中的气体抽入注射器,然后再把注射器里的气体推入间隔层,如此反复进行两次后,把气体试样抽入注射器,然后将注射器内气体注入气相色谱仪的吸附柱内,并记录色谱图。该方法的特点是精度高,范围广,可检测浓度在5-100%的任意浓度。但缺点是(1)检测属于破坏性的,经检测后的中空玻璃的密封性能已经破坏;(2)检测时间过长,一组20片充气中空玻璃的检测时间至少8天,根据EN1279,最长达4天;(3)设备投资大,检测需要专业人员从事,且只能在实验室进行,不能对在施工现场或既有建筑窗玻璃检测。

EN1279规定对充气中空玻璃的样品检测,需首先记录生产中空玻璃时的环境温度和气压,然后抽取6片中空玻璃,其中2片需做老化实验,样品规格:4+12+4,352(±2mm)x502(±2mm),必须符合体系规定,EN1279-6是强制性的,规定每天每生产1000片充气中空玻璃检测1片中空玻璃,每天至少检测3片,如果日生产量少于100片,则检测1片。样品检测的步骤:2片中空玻璃按照1279-2进行修正的老化实验,包括:27个高湿温度循环(而不是56个),4周的恒温横湿循环(而不是7个)。EN1279第3部分对年氩气泄漏率的规定是,Li <1%,a-1。一般来说,大多数充气中空玻璃的Li 位于0.5 0.8%之间,但有时可低至0.10.3%


充气中空玻璃老化实验后,我们发现(1)不同中空玻璃结构呈现出不同的氧气保持能力,亦即密封能力;(2)氩气即使存在泄漏,有时甚至是很大的情况下,仍能通过中空玻璃的露点温度-400C检测。由此,我们可以推断,用中空玻璃对惰性气体的保持能力来判断中空玻璃的密封寿命和能力,是比露点温度更严格的。虽然不同中空玻璃结构对惰性气体的保持能里不同,但我们总能找出共性的东西来告诉大家,如何做,才能改善中空玻璃对惰性气体的保持能力。包括:密封胶的选择、插角件间隔条抑或是连续弯管间隔条、最长的惰性气体通道、中空玻璃应能够承受反复的胀缩运动、中空玻璃的辅助材料的性能应尽可能接近玻璃、选择适当的干燥剂,即选择3A分子筛。

毋须赘述,从密封胶的角度看,中空玻璃必需选择丁基胶作为密封胶。聚氨酯的MVTR虽然比聚硫胶低,但是在氩气泄漏率方面,却大于聚硫胶。见下表。


因此,我们的中空玻璃的密封要达到完整性,与外界接触面,其密封性能必须小于或等于丁基胶的MVTR和氩气数值。否则,就会形成一个水汽通道或惰性气体泄露通到,造成中空玻璃的密封失效。

金属间隔条的完整密封是由间隔条的底面和两侧的丁基胶完成的。无论是聚硫胶还是聚氨酯,聚硫胶抑或是硅酮胶,其作用都是结构性的,都不能作为密封胶使用。因此,提高中空玻璃的密封,首先必需使用双道密封。

此外,中空玻璃间隔条的线性膨胀系数与玻璃相比,如果过大,如有机材料间隔条,会出现中空玻璃的密封过早失效。因而,在选用暖边间隔条时,不但要看其导热系数,还要考虑其线性膨胀系数。如果二者鱼与熊掌不能兼得时,应以中空玻璃密封寿命为重。

值得一提的是,中空玻璃的密封胶即丁基胶的涂部厚度对中空玻璃的惰性气体保持能力影响不大,真正影响大的是丁基胶的涂部高度,换言之,水汽通道或气体渗透通道的长度。据实权威验表明,将间隔条肩高(影响丁基胶的涂布的高度)从4.2mm增加到6.1mm,中空玻璃的惰性气体的保持能力提高近60%。

至于其他方面,如使用3A分子筛和折弯间隔条,要比4A分子筛和角件间隔条对惰性气体保持能力高,我们在不同场合已经多次宣传并为许多人接受,在此再叙述,有赘述之嫌,故简之。

趋势

虽然说美标ASTM2190中没有对中空玻璃的充气进行规定,但这并不等于北美中空玻璃的充气并不普遍。事实上,充氩气可提高中空的热工性能,且成本低,因此,在北美,充氩气中空在近来增长很快。统计数字表明:1970年,美国14%的窗户使用中空;1982年最好性能的中空配置为白玻和空气;1986年,1%中空玻璃充氩气;但到1988年达到25%;到本世纪初的2001年,已达到70%。

虽然由于某种原因,现有的ASTM标准中没有规定惰性气体的检测,但是北美中空玻璃制造联盟(IGMA,也可译为北美中空玻璃协会)和美国中空玻璃认证委员会对惰性气体的含量和老化实验后的保持能力,都做出明确的强制规定,否则,即使通过标准检测,也不能通过认证,中空玻璃也不能贴IGMA或IGCC的标识!

IGAM规定,10片随即取样的中空玻璃,惰性气体的含量即初始浓度平均值不能低于90%,老化实验后的年泄漏率≤1%,才能通过认证。

这一点的实际意义是十分重大的,如果厂家提供的充气中空玻璃的处世浓度达不到90%的话,或者说中空玻璃安装两年后检测,如果剩余的气体小于88%,则用户可以拒绝或索赔。据最新报道,美国最大门窗厂家安得森(Anderson)年销售额为32亿美元,最近由于惰性气体的初始含量没有达到规定要求,被检测出来后,于2007年3月19日被告上法庭,目前案件正在受理之中。

显然,这类现场检测使用气相色谱法是做不到的,也是不可能的。当我们对国外检测手段进一步考察时,发现国外正在使用另外一种方法,即高压电火花法。该方法的测试原理是,测试仪器通过与中空玻璃表面接触,仪器产生的高压使中空玻璃内的气体产生电火花,仪器内的分光计通过接收到的电火花分析计算出气体含量。检测方法为,将中空玻璃试样垂直放置,在距中空玻璃左右两边50mm处,均匀地从上至下各取5点,分别测量气体含量,取10点的算术平均值为该试样的气体含量。这种方法的最大的优点是:非破坏性的、快速、可达到与气相色谱方法可类比的实验室精度。


概括来说,厂家使用该种氩气检测仪器的意义有以下几个方面:

l 中空玻璃生产厂家可以使用GG来检测充氩气中空玻璃。如果没有GG的存在,中空生产厂家就不会知道中空空气层内的惰性气体的浓度多少,就不会对充气有积极性;

l 对中空玻璃行业来说,也是十分重要的,因为它使厂家意识到中空玻璃内的氩气浓度多少,是否达到要求;

l 对最终用户来说,无论从产品密封寿命和热工性能超的改善,意义都更大;

l 有助于中空玻璃厂家改善生产管理,提高QC质量;反之,如果厂家不改善生产管理,则将竞争的优势交给对手;

l 充惰性气体还可以增加产品的卖点,成为营销手段;

l 充氩气可以改善中空玻璃中央和总K值,较少室内侧玻璃的冷凝,改善舒适水平;

l 充惰性气体要么做,要么不做,但不能做坏。该方法为企业制作充氩气中空玻璃提供了一个有力手段。


应该指出,该方法与气相色谱法相比,是一种较年轻的方法,因此必须经过实验室来比对,论证其精确度。经过一年的实验室的严格比对检测,北美中空玻璃行业正式向行业推荐使用该检测方法。北美中空玻璃协会执行董事M.韦波在新闻通讯上说: 该检测仪器为资格认证实验室提供了核实惰性气体充气初始浓度另外一个手段, 与气相色谱仪器或氧气分析仪不同, 是一种真正意义的非破坏性的核实手段. 因而,使厂家省却了用其他方法所不得不使用的橡胶塞,中空玻璃的惰性气体可以反复检测,不影响其质量”目前,北美的实验室很少再使用气相色谱法,是因为“气相色谱仪器已经过时了,被淘汰了”(大卫.贝利语)。目前,掌握该技术、拥有专利生产的企业为芬兰的SPARKLIKE公司,该方法又可称为非破坏性等离子氩气检测方法。


结束语

l 改善中空玻璃的保温能力亦即传热系数的手段包括Low-E玻璃、惰性气体和暖边。从三者采用的逻辑顺序来看,应该是首先采用low-E玻璃,尤其是离线镀膜玻璃,原因有二:(1)•配置为白玻/氩气的中空玻璃,传热系数改进约2-5%左右;但是low-E玻璃/Ar或Kr配置,却可改进15-20%;(2)如果中空玻璃的生产工艺和密封不能满足软镀膜低辐射的要求,那么,即使充气,也不能达到应有的保持能力。

l 为提高充气的生产效率和质量,应尽可能地使用在线气幕式工艺。

l 发生在北美的惰性气体检测手段的变化趋势是,气相色谱法正在被高压电火花法取代,出口到北美和欧洲的中空玻璃必须充气,IGCC/IGMA都采用该方法检测。

l 在北美中空玻璃low-E/充气,已成为标准配置,尤其是在建材商店,如Home Depot

l 老化实验检测后,充气中空的惰性气体的泄漏率应小于5%。

l 一般地说,可接受的泄露率最多为1%/年,一个密封好的中空玻璃年泄露率应低于0.5,中空玻璃20年后,总泄露率低于10%。

联合太平洋(北京)科技发展有限公司京ICP备 45222668889号 网站设计:ELSS
地址:北京市宣武区广外大街248号机械大厦1403-1404 电话:010-63362071 邮箱:jpgdirect@163.com