惰性氣體在中空玻璃中的應(yīng)用與質(zhì)量控制

中間層充入惰性氣體有利于改善中空玻璃的保溫性能，但充進(jìn)的惰性氣體種類、氣體濃度、濃度保持率等對(duì)保溫性能的改善程度都有影響。本文從不同惰性氣體的性能比較、氣體濃度與保溫性能的關(guān)系以及惰性氣體濃度和濃度保持率的測(cè)試等方面，對(duì)惰性氣體在中空玻璃中的應(yīng)用與質(zhì)量控制進(jìn)行研究。

1 惰性氣體的應(yīng)用

惰性氣體包括氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)，惰性氣體均為無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)毒、氣態(tài)的單原子分子，處于周期表中零族，外層電子已達(dá)飽和，活性極小。

1.1不同種類氣體性能比較

用于中空玻璃的惰性氣體有氬氣、氪氣和氙氣。它們共同的特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、不活潑，并比空氣密度大、導(dǎo)熱小。這 3 種惰性氣體在氣溫 0℃、壓強(qiáng) 101.325 kPa 時(shí)密度分別是 1.78 kg/m3、2.86 kg/m3 和 4.56 kg/m3 (同樣條件下空氣密度是 1.29kg/m3)，導(dǎo)熱系數(shù)分別為 0.0163 W/(m·K)、0.0087 W/(m·K)、0.0052 W/(m·K)(同樣條件下空氣導(dǎo)熱系數(shù)為 0.0241 W/(m·K)。

3 種氣體中，氬氣在空氣中含量最豐富。按體積分?jǐn)?shù)計(jì)算，氬氣約占空氣的 0.93％，是應(yīng)用最廣泛也是市場(chǎng)上最便宜的惰性氣體之一。氬氣填充的中空玻璃具有耐紫外線的作用，同時(shí)不影響室內(nèi)光線。氪氣在空氣中含量為 1.14×10-4％，其穩(wěn)定性和反應(yīng)性和氬氣類似，熱效能相比氬氣高1/3，但是價(jià)格較昂貴。氙氣是空氣中 5種稀有氣體里含量最少的一種，含量?jī)H有 0.09×10-4％。氙氣的穩(wěn)定性和反應(yīng)性也與氬氣類似，熱效能比氬氣高 1/2，但自然狀態(tài)下的氙氣非常稀少，提純價(jià)格高。

　　3 種氣體相對(duì)于空氣的物理性能比較，以及在相同充氣含量情況下對(duì)同種配置的中空玻璃傳熱系數(shù)的影響，見(jiàn)表1。

　　由以上對(duì)比可得出以下結(jié)論：

　　(1)氬氣、氪氣和氙氣的密度比空氣大，導(dǎo)熱性比空氣低，有利于大幅改善中空玻璃的傳熱性能。

　　(2)氪氣和氙氣比氬氣分別高 1/3 和 1/2 的熱效能，即在相同充氣含量情況下要達(dá)到相同傳熱系數(shù)要求，充氪氣和氙氣的中空玻璃中間層可僅為充氬氣的中空玻璃中間層厚度的 2/3 到 1/2。

(3)中空玻璃中間層充氬氣情況下，傳熱系數(shù)比中間層為空氣的情況下降 5.96％，充氪氣和氙氣的效果則更加明顯，傳熱系數(shù)比中間層為空氣的情況下降 7.99％ 和9.26％。

　　以上 3 種惰性氣體都具有明顯改善中空玻璃傳熱性能的作用，其中氬氣在空氣中含量較高，充氣成本較低，以性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)成為目前中空玻璃充氣應(yīng)用最為廣泛的氣體;氪氣提取成本較氬氣相對(duì)昂貴，未在建筑玻璃行業(yè)廣泛應(yīng)用，僅在中空玻璃中間層厚度要求較小但傳熱性能要求又高的情況下使用;氙氣在自然狀態(tài)下的含量非常稀少，提純價(jià)格很高，因而即便對(duì)中空玻璃傳熱性能的幫助

比氬氣和氪氣都好，但很少用于中空玻璃的制作。

1.2 氣體濃度與保溫性能的關(guān)系

　　由以上討論可知，氬氣以其突出的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)成為中空玻璃充氣應(yīng)用最為廣泛的氣體。以下將通過(guò) 3 種不同配置的中空玻璃，對(duì)不同含量氬氣充氣的情況下傳熱系數(shù)的比較，討論充氣氣體濃度對(duì)中空玻璃性能的影響。不同配置的中空玻璃分別為(4 mm 白玻+12 mm 氣體層+4 mm 白玻)、(4 mm 在線 Low-E+12 mm 氣體層+4 mm 白玻)以及(4 mm 離線Low-E+12 mm 氣體層+4 mm 白玻)。每種玻璃分別在充氬氣濃度從 0～100％ 、每隔 5％ 遞增的情況下計(jì)算傳熱系數(shù)，所得結(jié)果見(jiàn)圖 1。

　　由以上結(jié)果可得：

　　(1)氬氣濃度越高，中空玻璃的傳熱系數(shù)越小，保溫性能越好。

　　(2)相同氬氣濃度下，充氣對(duì)鍍膜玻璃傳熱系數(shù)的改善比普通中空玻璃更明顯。

目前，建筑玻璃行業(yè)內(nèi)，綜合考慮充氣改善中空玻璃保溫性能的效果以及充氣中空玻璃的使用壽命，一般認(rèn)為充氣中空玻璃的初始惰性氣體含量應(yīng)不小于 90％。

2 充氣中空玻璃的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

中空玻璃中間層充入惰性氣體有助于改善節(jié)能效果，惰性氣體濃度越高，改善的效果越好。充氣中空玻璃是否充入惰性氣體，氣體濃度有多少，氣體保持率為多少，是評(píng)價(jià)充氣中空玻璃質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。惰性氣體無(wú)色無(wú)味，如何通過(guò)相關(guān)檢測(cè)方法確定充氣中空玻璃的質(zhì)量是所需研究的重點(diǎn)。目前，對(duì)惰性氣體分析檢測(cè)有 3 種方法：高壓電火花法、氧氣順磁性法以及氣相色譜法。

2.1高壓電火花法

2.1.1檢測(cè)原理

高壓電火花法是通過(guò)設(shè)備產(chǎn)生的高壓火花穿透玻璃與中間氣體層，激活惰性氣體分子的等離子體發(fā)射出輻射波，通過(guò)發(fā)射光譜學(xué)，儀器收集其中的光子進(jìn)行分析。由此測(cè)定的光譜與儀器內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較而確定玻璃內(nèi)部的惰性氣體濃度。

2.1.2方法應(yīng)用情況

　　此方法為無(wú)損檢測(cè)方法，可對(duì)中空玻璃內(nèi)氬氣和氪氣的含量進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，不會(huì)對(duì)中空玻璃造成絲毫的破壞，同樣不會(huì)影響玻璃的后續(xù)使用，適用于實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)線及工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。目前設(shè)備主要為芬蘭斯巴萊克有限公司的Gasglass Handhel型儀器。該儀器便于攜帶、操作簡(jiǎn)單、快捷，見(jiàn)圖 2。

基于高壓電火花法的原理，它也有一定局限性。電火花不能穿過(guò)較厚的夾層玻璃以及低輻射鍍膜玻璃，因此對(duì)于雙低輻射鍍膜中空玻璃與較厚的雙夾層中空玻璃等產(chǎn)品，該方法就顯得束手無(wú)策。且該方法對(duì)背景光的影響較為敏感，故在測(cè)試時(shí)對(duì)背景環(huán)境的要求較高。

目前，高壓電火花法被美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) ASTM E 2649—2009《Standard Test Method for Determining ArgonConcentration in Sealed Insulating Glass Units Using Spark EmissionSpectroscopy》采用，但基于測(cè)試原理與方法的局限性，標(biāo)準(zhǔn)僅針對(duì)氬氣含量不小于 70％ 的中空玻璃進(jìn)行測(cè)試，且只檢測(cè)中空玻璃內(nèi)氬氣的初始?xì)怏w含量。

2.2 氧氣順磁性法

2.2.1檢測(cè)原理

氧氣的磁化率比一般氣體的磁化率高出數(shù)百倍，混合氣體的磁化率幾乎完全取決于所含氧的多少。該方法利用氧氣的順磁性特質(zhì)，根據(jù)混合氣體磁化率的大小來(lái)確定氧的含量，從而計(jì)算出混合氣體中惰性氣體的含量。部分氣體的相對(duì)磁化率見(jiàn)表 2。

2.2.2方法應(yīng)用情況

　　該方法是破壞性方法，測(cè)試樣本為中間層氣體，取樣時(shí)需先去除外層密封膠，再用注射器穿過(guò)鋁型條進(jìn)入中間層抽取氣體樣本。方法僅適用于實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)線的質(zhì)量檢測(cè)，不適合工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。該方法操作簡(jiǎn)單便捷，但測(cè)試精度相對(duì)另外兩種方法稍差，且僅可測(cè)得中空玻璃中間層氣體中惰性氣體的含量，無(wú)法確定惰性氣體的種類。該方法目前被國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11944《中空玻璃》采用，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用此方法對(duì)中空玻璃進(jìn)行初始?xì)怏w含量和氣體密封耐久性能檢測(cè)。試驗(yàn)前先對(duì)惰性氣體分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)分別使用已經(jīng)確定氧氣濃度的干燥空氣和純度為 99.99％ 以上的氬氣或氪氣。初始?xì)怏w含量對(duì) 3 塊中空玻璃進(jìn)行測(cè)試，將注射器插入中空玻璃中間層后反復(fù)推吸 2 次后，取 20 mL 氣體試樣注射進(jìn)設(shè)備中進(jìn)行測(cè)試，3 塊試樣的初始?xì)怏w濃度不可小于 85％。氣體密封耐久性能測(cè)試的對(duì)象為 3 塊經(jīng)過(guò)加速耐久性試驗(yàn)的中空玻璃，試驗(yàn)方法與初始?xì)怏w濃度相同，經(jīng)加速耐久性試驗(yàn)后中空玻璃惰性氣體含量不得小于 80％。

2.3 氣相色譜法

2.3.1檢測(cè)原理

　　由于被檢驗(yàn)物質(zhì)存在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，所以其各組分在兩相間的分配系數(shù)不同。當(dāng)樣品被載氣帶入色譜柱后，組分在兩相間反復(fù)多次分配，雖然載氣流速相同，但是固定相對(duì)各組分的吸附或溶解能力不同，導(dǎo)致各組分在色譜柱的運(yùn)行速度不同。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的流動(dòng)后就會(huì)彼此分離，從而達(dá)到分離的效果，并按先后順序流出色譜柱進(jìn)入檢測(cè)器，經(jīng)過(guò)電子信號(hào)的放大，在記錄器或色譜數(shù)據(jù)處理機(jī)上描繪出各組分的色譜峰。根據(jù)各色譜峰的保留時(shí)間和峰面積的不同就能對(duì)樣品各組分做出定性和定量分析。

2.3.2方法應(yīng)用情況

該方法測(cè)試靈敏度和精度均高于其他 2 種方法，可分析納克級(jí)的樣品，但僅適用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，不適用于生產(chǎn)質(zhì)量控制和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。該方法設(shè)備投入較大，操作較為復(fù)雜，需要有專業(yè)背景的測(cè)試人員進(jìn)行測(cè)試。該方法目前被歐盟標(biāo)準(zhǔn) EN1279-3:2002采用，對(duì)中空玻璃的氣體濃度以及氣體泄漏率進(jìn)行測(cè)試。氣體泄漏率的測(cè)試要求精度極高，氣體的損失量以毫克來(lái)計(jì)算，故僅氣相色譜法能滿足測(cè)試要求。

　　中空玻璃的氣體泄漏率測(cè)試的整個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜。測(cè)試樣品經(jīng)過(guò)加速耐久性試驗(yàn)后，放入一個(gè)“環(huán)狀容器”的密封系統(tǒng)內(nèi)，該系統(tǒng)的內(nèi)部尺寸僅比中空玻璃稍大一點(diǎn)，在玻璃周邊留下一定殘氣量，整個(gè)系統(tǒng)放置在恒溫的測(cè)量環(huán)境中。測(cè)試過(guò)程中始終有工作氣體(氦氣)在系統(tǒng)中流動(dòng)，當(dāng)中空玻璃由于加速耐久性試驗(yàn)產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力的作用，使內(nèi)部惰性氣體滲漏出中空玻璃時(shí)，即可由工作氣體捕獲、收集及傳遞至氣相色譜儀中，對(duì)惰性氣體含量進(jìn)行精確分析測(cè)試。EN 1279-3:2002 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中空玻璃每年的氣體泄漏率不得大于 1％。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)充入惰性氣體的中空玻璃作為建筑節(jié)能環(huán)保的新興產(chǎn)品已越來(lái)越受到人們的重視，目前氬氣由于較高的使用性價(jià)比成為應(yīng)用最廣泛的惰性氣體。中空玻璃充入一定含量的氬氣可改善中空玻璃的保溫性能與隔聲性能。

(2)目前對(duì)中空玻璃中惰性氣體性能測(cè)試的3種檢測(cè)方法中，氣相色譜法測(cè)試精度最高，且能滿足氣體泄漏率的測(cè)試要求，但僅適用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試;高壓電火花法設(shè)備操作便捷，可滿足生產(chǎn)質(zhì)量控制和工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求，可無(wú)損檢測(cè)，但適用范圍有一定局限性，無(wú)法滿足雙鍍膜中空、雙夾層中空等高端產(chǎn)品，以及氣體泄漏率的測(cè)試需求;氧氣順磁性法測(cè)試流程較簡(jiǎn)單，適用于生產(chǎn)質(zhì)量控制和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，但測(cè)試精確度較低，不能對(duì)惰性氣體的種類定性。

(3)國(guó)內(nèi)充氣中空玻璃的應(yīng)用還處在起步階段，目前尚無(wú)已公布的相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及方法標(biāo)準(zhǔn)對(duì)充氣中空玻璃的性能提出要求。國(guó)外已制訂了氣相色譜法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如美標(biāo) ASTM E2269—2005 及歐標(biāo) EN 1279-3—2002中分別對(duì)惰性氣體濃度和惰性氣體泄漏率檢測(cè)的氣相色譜法做了規(guī)定。氣體泄漏率是充氣中空玻璃極重要的性能之一，僅氣相色譜法能滿足其測(cè)試要求，故筆者認(rèn)為建立惰性氣體分析的氣相色譜法對(duì)于我國(guó)充氣中空玻璃的推廣應(yīng)用具有非常積極的作用。