中空玻璃的充氣控制和低輻射鍍膜探測

　　4.2為什么驗證中空玻璃內(nèi)惰性氣體含量是一項重要的工作?

　　與其它不一樣的是，影響中空玻璃的氣體滲透性的諸多因素都很重要，如密封膠的彈性和牢固度，密封膠的老化，干燥劑材料，密封膠涂布的厚度和寬度，透過間隔條和密封膠的擴散速度等。當談及到生產(chǎn)流程，設(shè)計，作工和充氣技術(shù)時，都應該盡可能地控制。

　　中空玻璃的性能一方面受潮氣擴散進入其單元的影響，另一方面受惰性氣體擴散出其單元的影響。這些擴散過程是由于周邊氣體存在差異以及惰性氣體趨于穩(wěn)定而引起的。這可能會導致負壓進入中空玻璃單元，此外還會引起玻璃變形。惰性氣體泄露將引起可見的扭曲，客戶也將能夠探測到氣體泄露，因為中空玻璃會開始出現(xiàn)向內(nèi)爆裂現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)要求我們采取必要的措施，如減小玻璃片間的空間，強調(diào)密封膠/玻璃表面壓力和隨時間推移降低熱工性能。同樣的客戶還能夠用當今先進的儀器檢測到潛在的爆裂和中空玻璃的內(nèi)在氣體含量。這樣，在沒有發(fā)生保修索賠前，制造企業(yè)將有時間做適當?shù)脑O(shè)計和生產(chǎn)具有良好氬氣保持力的高品質(zhì)中空玻璃產(chǎn)品。

　　對中空玻璃的氬氣含量的檢查還可以讓操作者來檢查他們的充氣設(shè)備是否按常規(guī)在正常運作。充氣過程也容易受到機械磨損而在生產(chǎn)過程發(fā)生故障。因為氬氣的特性是無法看到的，所以氬氣是否填充成功沒有辦法判定，除非通過檢測調(diào)整充氣線或整個流程。

　　4.3有什么實用的工具可以檢測惰性氣體含量?

　　從惰性氣體應用之初，玻璃行業(yè)就一直在研究惰性氣體含量的檢測方法。各行業(yè)所用的不同的氧分析法已經(jīng)有相當長一段時間了。世界各地每天都在對工業(yè)氣體中氧氣的流入進行檢測，醫(yī)療行業(yè)和潛水對氣體的檢驗亦是如此。

　　就此而論，中空玻璃內(nèi)氣體含量的分析方法可以分為三種：物理方法，化學方法和取樣法。這個章節(jié)將對這三種不同方法進行驗訖。

　　4.3.1探測惰性氣體含量的物理檢測方法

　　物理方法是基于確定的某些元素的物理性質(zhì)，氣體對于每個元素來說是獨特的。這樣的性質(zhì)是指如熱導率，聲速，分子的重量，分子的大小，輻射吸收系數(shù)或等離子體發(fā)射的輻射波等。

　　氣體對于電磁輻射波的吸收以及輻射的數(shù)量取決于樣片中的氣體含量。例如氣體吸收特定波長的紅外輻射。這個方法應用于火災報警系統(tǒng)對二氧化碳的探測。但是，很難用這種方法來檢測惰性氣體含量，因為這個輻射波必須得穿過至少兩層玻璃，而這兩層玻璃已經(jīng)過濾掉了相關(guān)波長。

　　放射性輻射波吸收被用于火災報警系統(tǒng)以探測火災氣體。玻璃吸收α輻射波，但它不能檢測惰性氣體，而β and ϒ輻射波用于移動設(shè)備在生產(chǎn)條件下就不安全。

　　對電離氣體發(fā)射輻射波頻譜的研究是20世紀末在芬蘭被提出的。該技術(shù)基于激活惰性氣體的氣體原子，這樣它們就透過玻璃發(fā)射出可以被分析的光束。每種氣體都有其獨特的光譜，而這些光譜都可以被識別。樣片中氣體含量會影響輻射波的強度，這使得檢測中空玻璃內(nèi)的氣體含量成為可能。既有應用里氣體的原子被高壓電火花激活。這些應用我們是在2001年推向市場的，今天第三代技術(shù)以Gasglass為品牌在市場上銷售。

　　該技術(shù)可以準確地并重復地檢測中空玻璃內(nèi)氬氣和氪氣含量，屬無損型檢測。操作者必須知道他/她檢測的氣體是氬氣還是氪氣。因為這個方法是基于高壓放電激活氣體原子，所以存在一些局限性。電火花必須穿透氣腔層使得測量變成可行。電火花不能跳過低輻射鍍膜玻璃或厚的夾膠片，因為這會使得測量變得困難。背景光對測量結(jié)果影響也比較敏感，所以在測量時，應總是盡量在標準條件下進行，建議背景有一個蓋有黑布的相配支架（詞條“支架”由行業(yè)大百科提供）做支撐，或類似的背景。生產(chǎn)企業(yè)為了繞開這些局限，他們通常會分開準備可測的樣片以便檢測，舉個例子：在做三玻兩腔中空時，他們會在把鍍有低輻射膜的玻璃片放在中間，這樣就可以分別測得兩個腔體的惰性氣體含量。

　　表3：Gasglass技術(shù)的準確性和重復性

　　表3是Gasglass儀器第三代的準確度和重復度。從報告中可以看出，對每一個充氣含量的準確度限定以標準偏差給出，測量平均值這里指設(shè)備的重復性。可以看出，該技術(shù)的準確度和重復度是基于充氣水平的。例如，當充氣達到94.9%時，準確度是非常高的，標準偏差很小。當充氣量將到70.9%時，測量平均值下移了0.5%，標準偏差總和為2.2，盡管如此，這完全可用于惰性氣體含量檢測。從相關(guān)數(shù)字我們可以看到，每臺儀器有其獨特的校準曲線。Gasglass儀器的生產(chǎn)商建議用戶對其儀器每年進行一次校準。Gasglass的校準過程比較復雜，它需要有8個不同的校準點，必須由生產(chǎn)商或通過認證的服務提供商進行校準。迄今為止，生產(chǎn)商在全世界有三個服務中心，美國，中國和芬蘭。對每個校準點的校準用的都是經(jīng)過認證了的標準氣體。基于瞬間放電或等離子發(fā)射技術(shù)的攝譜法現(xiàn)已被廣泛應用于世界各地的玻璃行業(yè)。

　　對其它惰性氣體分析的物理方法也進行了研究。這些方法基于不同的技術(shù)，如可調(diào)諧二極管激光器，喇曼分光鏡，材料中聲速的變化或者惰性氣體中熱傳導率（詞條“熱傳導率”由行業(yè)大百科提供）的變化。不管用何種方法，當涉及到對中空玻璃的氣體含量進行分析時，所有的方法都有它們自己的難題或局限性，到目前還沒有辦法解決，所以它們能夠在市場上應用。基于突破電壓的變化技術(shù)這樣的儀器，現(xiàn)在市場上也有但是不多，因為很多因素對其測量結(jié)果都有影響。

　　4.3.2探測惰性氣體含量的化學方法

　　稀有氣體作為惰性氣體被使用，只有在特殊的條件下才跟其它元素形成化合物。盡管可以在充氣后通過分析留在氣腔層內(nèi)空氣的氣體成分含量來分析惰性氣體含量。在這種情況下，該方法不能驗證惰性氣體本身，而是識別留在氣腔層內(nèi)空氣的其它氣體成分。

　　某些材料可能會因為混合氣體中氧含量的變化而改變自身的顏色。這個就使如黏貼紙時間久了會變色一樣。這種方法可以用于如檢查中空玻璃樣片在做氣候循環(huán)之前和之后的差別。

　　4.3.3取樣分析法

　　取樣分析法為使用者在判定惰性氣體種類和含量時提供了可信賴的方法。有許多技術(shù)用取樣法對氣體進行分析，在氣體行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)也同樣會用到。從中空玻璃中取樣總是會破壞其完整性。通常需要在間隔條上打孔，取樣可以用注射器取出后分析或者直接用測量儀器探入分析。氣體試樣根據(jù)采用的技術(shù)不同，而要求不同的量，從µL到mL。氣相色譜儀所需要的氣體試樣量極其微小，所以可以重復測量。雖然生產(chǎn)企業(yè)介紹了如何很好地去密封那個為了取樣而打的孔，但是氣體仍然容易泄漏。如果用氧分析儀來取樣的話，這個氣體試樣量相對會大，從而沒有辦法能夠進行重復測量。

　　4.3.3.1氣象色譜分析儀

　　不同類型傳感器的氣象色譜儀在市場上已經(jīng)有一段時間了，而且一直被認為是具有較高的準確度和可信賴度。需要抽取的氣體試樣量也非常微小，大概25µL，使得操作者可以重復測量很多次。氣相色譜儀采用的是氣相色譜法，成分是氣體，適用于定性定量分析。

　　圖4：氣相色譜儀操作原理圖

　　色譜分離法是把一個復雜體系的化學成分分離。一個色譜利用一個流體相通過窄的管子，被稱之為色譜柱。樣品的成分基于它們獨特的化學和物理性質(zhì)以不同的速度通過色譜柱，在色譜柱中已知相和固定（詞條“固定”由行業(yè)大百科提供）相產(chǎn)生互動。在化學組分脫離色譜柱時，會被不同種的電子檢測器探測到。色譜柱中的固定相應該分離被分析氣體試樣的不同組分。同樣的，色譜柱內(nèi)的溫度和氣體試樣的流動率是可控的。在氣相色譜儀內(nèi)有用到數(shù)個不同類型的探測器。最常見的類型是火焰離子檢測器和熱傳導檢測器。氣相色譜儀也可以連接到一個質(zhì)譜儀將作為探測器運行。

　　根據(jù)筆者的經(jīng)驗，在世界各地玻璃行業(yè)的實驗室經(jīng)常把氣相色譜法作為溯源的儀器。如果把這種方法用于生產(chǎn)工廠的話，可能太過復雜，且耗時長，又非常昂貴。

　　4.3.3.2氧分析儀

　　在市場上可以找到種類繁多的氧分析。除了玻璃行業(yè)，氧分析儀被廣泛地應用于醫(yī)療行業(yè)，還有潛水設(shè)備在檢測氧含量時也會用到。它們可以檢測氣體試樣內(nèi)氧含量，從而使得操作可以判定所測氣體的含量。而這個判定是基于對空氣中各種氣體含量進行假定得出來的，如空氣中包含了大約78%的氮氣，21%的氧氣，0,94%的氬氣以及其它氣體。氧分析儀根據(jù)這些數(shù)據(jù)去計算氧氣在氣體試樣中的含量，并得出空氣的總量。期望最后在氣體試樣中所剩的就是氬氣(或氪氣)。

　　氧分析儀一般有很多種傳感器可以配用。普通的就是電化學電池和順磁性電池。電化學電池，也被稱為燃料電池，可以測量某種氣體或混合氣體中微量的氧含量百分比。被分析的氣體試樣通過一個氣體滲透膜進入傳感器。氣體試樣中的氧在傳感器中與陽極和陰極接觸后在電解液中被溶解。從陰極到陽極產(chǎn)生的電子流和電流與氣體試樣中氧成正比。這些電化學電池時間久了會耗盡，因為傳感器中所用的鉛陽極在氧含量高的情況下比較脆弱。一旦鉛陽極被氧化了，電池就不會再產(chǎn)生輸出，除了更換一個新的鉛陽極否則就沒用了。操作者只有在儀器不再能被校準或者校準需要花非常長時間的時候才會注意到這個。在此，用Sensoline手持式氧分析儀舉例，它用的就是電化學電池，使用起來方便，因為它有一個集成泵在里面，使得操作者不需要手動去抽取和注射氣體試樣了，因為測量結(jié)果可能是依賴氣體試樣流速的。操作者可以取些空氣做為氣體試樣，然后通過一個簡單的按鈕操作就可以對儀器進行校準了。操作者在做校準時應該注意，因為像這樣的分析儀會隨時間發(fā)生漂移。生產(chǎn)商聲明該技術(shù)從測量氧計算氬氣含量時允許的精度為0.1%。

　　順磁性電池利用氧氣的體積磁化率比一般氣體高。一個順磁性的傳感器與裝了參考氣體的兩個玻璃球合在一起，參考氣體一般為氮氣，安裝在一個懸掛的旋轉(zhuǎn)裝置上。這種裝置，俗稱啞鈴，里面是一個強大的磁場。當含有氧的氣體試樣通過流程進入這個感應器時，氧分子就會被這兩個磁場中更強烈的那個所吸引。這個力偶促使啞鈴內(nèi)發(fā)生位移，然后旋轉(zhuǎn)。里面有一個光學系統(tǒng)是用來測量啞鈴旋轉(zhuǎn)角度的。而反向電流的作用是讓亞鈴恢復其原始位置。那個電流和氧分壓成正比，并且可以轉(zhuǎn)變成一個有讀數(shù)的氧，這樣操作者就知道里面氧的含量了。

　　順磁性傳感器被普遍地認為是持久的。順磁性感應器對于震動，擺放的位置和它的應用都非常敏感，一般屬“獨立”類型，也就是說除了分析儀自身要在一個穩(wěn)定環(huán)境外，包括注射氣體試樣和物體。其它氣體展示出的磁化率可能會產(chǎn)生比較大尺度的測量誤差，生產(chǎn)企業(yè)應該提供這類氣體的詳細信息。根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)要求不同，操作者可能不得不從開關(guān)上選擇測量范圍。在操作之初，操作者應該對空氣試樣進行分析，以保證儀器顯示正確的數(shù)值20.9%，同樣也需要對沒有任何空氣在內(nèi)的純氬進行分析。作為帶有順磁性傳感器的氧分析儀，除了Helantec的Helox KVSN-F，德國KIWA zemlabor GmbH公司也可以提供比之前舉例的Sensoline氧分析或多或少更近似精度的儀器。

　　市場上還有其它類型傳感器的氧分析儀，例如熱傳導傳感器，氧化鋯傳感器，環(huán)境溫度傳感器和極譜傳感器或者是聯(lián)合了眾多傳感器。

　　五、未來研究

　　正如我們所說，由于全球?qū)��?jié)能和大廈能源效率的要求，上到政府部門下到平民百姓對窗戶節(jié)能的解決方案越來越重視。這也使中空玻璃方案與能源效率更加緊密的聯(lián)系在一起。從很多市場的歷史我們可以看到，對中空玻璃U值的要求已經(jīng)加緊，而且在未來，對這塊的期望會更高。這些能夠通過高質(zhì)量材料，工藝以及質(zhì)量控制來達到。

　　因為主要的氣體分析方法都有自身的局限性，行業(yè)需要研發(fā)出一種對玻璃結(jié)構(gòu)沒有要求并且不破壞玻璃的新型檢測方法。據(jù)筆者所知唯一在線的不破壞氣體分析只有在北美的Cardinal IG公司中有，該公司在其中空玻璃生產(chǎn)線上加裝了Gasglass裝置以對氬氣進行分析。

　　在生產(chǎn)線上加裝檢測裝置能夠使生產(chǎn)企業(yè)檢測每一個出產(chǎn)的產(chǎn)品，并且確保充氣過程的運行正常。這也將成為生產(chǎn)企業(yè)的一個營銷優(yōu)勢，因為他們可以告訴客戶他們的每一個產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中都進行了檢測，運貨之前還進行抽查。

　　六、結(jié)語

　　這篇文章的目的是為了讓讀者了解通過何種技術(shù)可以檢測中空玻璃上的低輻射鍍膜以及其中惰性氣體的含量。

　　我們介紹了現(xiàn)有主要的檢測低輻射鍍膜存在和位置的技術(shù)。能夠執(zhí)行這項任務的有很多不同類型的產(chǎn)品。使用者需要為自己設(shè)定一個特性需求和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　通過我們對惰性氣體的不同種分析方法介紹，希望讀者能夠了解可以用到的不同的檢測方法。現(xiàn)在在玻璃行業(yè)使用的比較多的方法主要是在實驗室完成的抽樣分析例如氣象色譜儀和不同傳感器的氧氣分析儀。除了抽樣分析外，行業(yè)內(nèi)還常用以等離子體發(fā)射攝譜技術(shù)為基礎(chǔ)的分析儀。

　　所有的方法在檢測的過程中都有弱點。氣相色譜法被廣泛的認為是最佳方案。它需要非常昂貴的機器，易損的傳感器以及非常有經(jīng)驗的使用者。這個技術(shù)更多的使用在玻璃行業(yè)的研究實驗室內(nèi)。氧氣分析儀在行業(yè)內(nèi)也被廣泛的使用，但是也需要取樣。等離子發(fā)射攝譜測試儀也被行業(yè)內(nèi)廣泛使用并且是唯一無損型惰性氣體檢測裝備。這種技術(shù)的弱點就是無法穿透低輻射鍍膜的玻璃或者厚的夾膠片，需要生產(chǎn)企業(yè)另外準備一些可用于測試的玻璃。所有的檢測方法都可以達到所需的準確性。對于可信賴的檢測，操作者應該熟悉自己所使用的技術(shù)，以確保檢測出來的結(jié)果是值得信賴的。而取樣測試的方法是沒有重復性的，因為樣品內(nèi)的惰性氣體在每次的測試后都會有比較大的成份變化。唯一有重復性的取樣測試可能是樣品尺寸為µ升的氣相色譜法。無損型等離子發(fā)射攝譜技術(shù)可以重復測試。這也給了操作者一個機會，去關(guān)注中空玻璃內(nèi)惰性氣體的泄漏率，同時可以檢查充氣機是否調(diào)整到最佳工作狀態(tài)。【完】

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