如何提高中空玻璃的充氣濃度和保持能力?

　　本文擬敘述的問題包括以下幾個方面：
　　中空玻璃充氣的充分必要條件；
　　中空玻璃充氣時應注意的幾個問題?
　　如和提高充氣中空玻璃的保持能力？
　　其他
　　茲分別論述如下。
　　1.中空玻璃充氣的充分必要條件圖1
　　一般來說，中空玻璃的充氣可以分以下幾種情況：（1）兩片白玻充氣；（2）一片白玻和一片Low-E玻璃充氣，其中Low-E又可進一步劃分為在線和離線兩類，離線又繼續可細分為單銀、雙銀和三銀等等；（3）兩片Low-E玻璃中空充氣。實踐表明，這幾種不同情況下，對單銀鍍膜玻璃進行惰性氣體充氣，性價比最好。圖1中給出三條不同中空玻璃配置的U值曲線，分別為雙白充氣、單銀Low-E鍍膜充氣和雙Low-E銀鍍膜充氣。縱軸表示U值，橫軸表示氬氣濃度。
　　從該圖1可見：
　　白玻充氣與不充氣的比較
　　-U值: 2.7 W/M2.K (90%); 2.85W/M2.K (0.0%)
　　·單銀充氣與單銀不充氣、白玻充氣比較
　　-U值: 1.6 W/M2.K (90%); 2.0 W/M2.K (0.0%); 2.85 W/M2.K (90%)
　　·雙銀充氣與雙銀不充氣、單銀充氣比較
　　·U值: 1.3 W/M2.K (90%); 1.65 W/M2.K (0.0%); 1.6 W/M2.K (90%)
　　
　　可見，白玻情況下充氣效果不佳，因此，不建議充氣；單銀充氣的效果最好，比雙銀中空玻璃充氣的U值改進大，而且經濟效果好。
　  
　　單銀充氣的效果最好是一種表象，有必要對隱藏其后面的深層原因進行剖析。一般認為，普通中空玻璃的傳熱中，熱輻射占50%、熱傳導和熱對流各占25%。顯然，降低熱輻射是解決傳熱首先要解決的問題，否則，充氣帶來的改善只占2-5%， 意義不大。而Low-E玻璃的應用，使充氣變的有意義。
       
　　圖2和圖3分別表示白玻中空玻璃和Low-E中空玻璃，二者皆不充惰性氣體。與普通白玻中空玻璃相比，由于Low-E玻璃的使用，直接結果是室內的遠紅外被反射回去，導致了內片玻璃表面溫度的提高，由45oF（7.2oC）到57oF（13.9oC），使人們感到舒適。同時，伴隨內片玻璃的升高，外片玻璃的溫度卻向相反方向降低，即7oF（-13.2oC）到4oF（-15.5oC），導致了內外片玻璃之間的溫度梯度的增大。見表1。
       
　　Low-E玻璃的應用，導致了內外片玻璃表面溫度的溫差(溫度梯度)增大，進而導致了熱傳導和熱對流提高。此時，使用惰性氣體氬氣可以減緩中空玻璃空腔內的氣體對流和熱傳導，取得事半功倍的效果。
       
　　充分必要條件是數學上、邏輯上的術語之一，是數學上、邏輯上論證命題的一種方法，簡稱為充要條件，其邏輯表述為'既能由結論推出條件，又能由條件推出結論'。綜上所述，對單銀Low-E玻璃進行充氣，無論從充氣對改善中空玻璃U值的效果還是從經濟效益（亦即性價比）上看，效果都是最好的，而且二者互為因果，互為條件。因此，可以不無把握地說， Low-E玻璃是中空玻璃充氣的前提，反過來，充氣中空玻璃要求必須使用Low-E玻璃，亦即，Low-E玻璃是中空玻璃充氣的充分必要條件。
       
[page] 　　2．中空玻璃充氣時應注意的幾個問題
        
　　概括地說，包括如下幾個方面：
        
　　·首先檢查氬氣罐中是否有氣
        ·影響充氣濃度的因素
        ·充氣方法，手工還是在線自動充氣如氣幕式
        ·充氣速度
        ·玻璃的尺寸
        ·幾何形狀
        ·間隔框寬度
        ·空腔中是否有隔柵
        ·定期檢測氣壓和流速表；
        ·定期檢測流量傳感器/氧氣殘余量顯示儀表
        ·矩型玻璃的立放
        ·間隔框進出氣孔的位置
        ·角件對角線充氣
        
　　氬氣無色無味無毒，判斷氬氣罐中是否有氣，可以通過氣壓和流速閥來鑒定。如果氣罐氣壓和流速閥顯示是空的，沒有氬氣，則充氣的結果肯定是零。實際操作時，應該將空氣罐和有氣罐應分開儲存。中空玻璃的充氣方法主要有自動在線充氣和手工充氣兩大類。一般來說，自動在線充氣的效果和速度比手工充氣的要好，這方面李賽克的氣幕式充氣工藝可同時滿足充氣的濃度、速度、節省氬氣和充異型玻璃等目的。
　   
　　手工操作充氣的方法比較多，但一般來說，充氣孔在下、吸氣（出氣）孔在上，實踐中，充氣和吸氣孔通常都在間隔框的一側，主要原因是，進出氣孔的 間隔框通常不灌3A分子篩，以避免分子篩進入空氣層內。但國內充氣大多都在中空玻璃兩個框，一端孔在下為進氣孔、另一端孔在上為出（吸）氣孔。此外，還有采用在特制充氣角件對角線充氣和出（吸）氣。此外，國內有的企業充氣時，將兩個孔都位于間隔框的上端，無論從時間還是從耗氣量來說， 都較兩個氣孔在間隔框側面上下排列都要多許多（一般來說是2-3倍）。見圖4。
　   
　　無論采取何種手工充氣方法，當矩形玻璃的高和寬長度不同時，充氣時都需要將長的一邊作為高，而短邊作為寬。見圖5。將長邊作為高立放充氣，可以避免流量傳感器或氧氣殘余量儀表給出誤差較大的讀數。
        
　　此外，為了保證惰性氣體的濃度，判斷氬氣罐中是否有氣體，還要定時檢查氣壓閥，及時校準流量傳感器和氧氣殘余量儀器，發現問題及時糾正。
        
　　在這方面，可以使用芬蘭斯巴來克公司生產的高壓輝光放電非破壞惰性氣體分析儀來對充氣設備上濃度設置進行校準，也可通過對每一片充氣中空玻璃的濃度進行測定。
     
　　 3.如何提高中空玻璃惰性氣體的保存能力
     
　　 3.1 氬氣向外泄漏的原因導致惰性氣體從中空玻璃的隔離層向外逸出的主要原因，是分壓定律和氣體通過密封膠的滲透率差，使得氬氣從中空玻璃隔離層向外比逸出的速度比外界的空氣向中空玻璃隔離層內滲透的速度快2.4倍！這種由于中空玻璃充氣本身帶來的氬氣向外逸出的趨勢，是不以人們的意志為轉移的。我們所能做的是，在提高中空玻璃的密封壽命下工夫，盡可能減少由于人為原因造成的中空玻璃中惰性氣體的過多泄漏，提前失效。可以說，當中空玻璃的年氬氣泄漏率>1%時，主要是由人為原因造成的，是非正常的。據國外中空玻璃充氣的16年實際跟蹤結果顯示，制作密封性能好的中空玻璃的年泄漏率可低達0.1-0.3%。
     
[page] 　　 3.2 提高中空玻璃惰性氣體的保持能力的辦法
     
　　 我們無法消除氬氣從中空玻璃向外逸出，但我們同時又知道密封好的充氣中空玻璃的氬氣年泄漏率小于1%不是不能達到的。那么，如何來減少充氣中空玻璃內惰性氣體的非正常向外泄漏呢？
      
　　概括地說，應該從以下幾方面著手，即分子篩、間隔框和密封膠。
      
　　3.2.1 分子篩
      
　　毋須贅述，充氣中空玻璃使用的干燥劑只能使用3A分子篩，可以避免其他分子篩帶來的中空玻璃向內撓曲，長期保證中空玻璃的密封性能。
      
　　3.2.2 密封膠
      
　　充氣中空玻璃的密封應該使用雙道密封，第一道(亦即主要)密封使用PIB，第二道可使用聚氨酯、聚硫膠抑或是硅酮膠。PIB對充氣中空玻璃的密封起至關重要的作用，因此有必要對此展開討論.
      
　　3.2.2.1 PIB涂布
      
　　丁基膠涂布應做到均勻、連續、無氣泡、無斷點（跳膠）。當丁基膠涂布不均勻時如圖9所示，PIB涂布雖然連續、無斷點（跳膠），但是，在拐角和直線部分，涂布質量發生變化，變得狹窄，亦即水氣通道變短，成為惰性氣體最泄漏的區間，我們可以將其稱為PIB涂布缺陷。當丁基膠涂布存在10%缺陷的情況下，雙道密封充氣中空玻璃分別出現氣體向外泄漏和玻璃向內撓曲分的兩種情況。見圖10氬氣向外泄漏和圖11玻璃向內撓曲。
      
　　由圖10可見，當主要密封即丁基膠涂布出現10%缺陷時，作為雙道密封膠中的第二道膠，熱融膠表現的最好，其次是聚硫膠和聚氨酯，最差的是硅酮膠。
        
　　圖11描述的是，PIB
        
　　涂布存在10%的缺陷條件下，由于氬氣向外擴散和空氣向內滲透的氣體交換速度不一致，導致兩片玻璃向內撓曲。與圖10所描述的相同，雙道密封條件下，第二道密封采用熱融膠向內撓曲的最小，其次是聚硫膠，再次是聚氨酯，向內撓曲最大的是硅酮膠。
       
　　 3.2.2.2 PIB高度與厚度。
        
　　影響充氣中空玻璃的惰性氣體保持能力除了對丁基膠的涂布有所要求之外，丁基膠的涂布高度和厚度影響也是非常大的。圖12描述的是丁基膠的高度和厚度。高度指的是在間隔框的肩高方向；厚度指的是位于玻璃與間隔條肩高部位之間的厚度。一般來說，金屬間隔條的肩高為4.2mm， 肩高越大，上面所涂布的PIB越多，惰性氣體擴散所走的途徑就越長。據美國ADCO公司的實驗報告，當PIB 寬度由4.2mm增加到 6.1mm時，惰性氣體的保持能力提高和水氣滲透減小近60%。但是，PIB涂布的厚度卻不是越厚越好。一般來說，PIB厚度的理想厚度應控制在0.4-0.5mm之間，如果超過上限，則通過PIB擴散到中空玻璃外面的惰性氣體就會增加抑或從外進入空腔內的水氣增加，兩者都會減少中空玻璃的密封壽命。圖13描述的是TNO公司的水汽滲透模型中，三種不同間隔框結構，密封膠的四種不同形式下，水汽滲透變化的情況。分別為：1）基本情況；2）主要密封膠即PIB的高度（水汽通道減少25%；3）第二道膠的通道減少33%；4）將PIB的厚度在間隔條兩側分別增加0.254mm。對TNO模型的分析我們得出以下結論：（1）PIB通道的長短與水汽滲透和（或）氬氣逸出成反比，通道越長，水汽滲透和（或）氬氣逸出越少，反之亦然。如圖中所示：減少25% 提高水汽滲透和（或）氬氣逸出 35%；（2）（位于玻璃與間隔條之間的）PIB的最佳厚度為0.4-0.5mm；超過上限以后，其厚度增加與水汽滲透和（或）氬氣逸出成正比。間隔條兩側PIB最佳厚度為0.4mm -0.5mm，如增加0.254mm就會導致水汽滲透或氬氣泄漏提高65%；（3）第二道密封膠厚度的改變對中空玻璃的水氣滲透量沒有影響，如圖中減少33%.。
　    
[page] 　　3..2.2.3  折彎間隔框連接處的PIB涂布
        
　　此外，在使用折彎間隔框的條件下，在間隔框的連接處背面，應做密封處理，如使用PIB，否則，這一處會成為惰性氣體泄漏的通道。
        
　　3.2.3 間隔框
        
　　概括地說，在間隔框選用時應主要注意兩點，即盡可能地使熱線性膨脹系數接近玻璃和增加間隔框的肩高。有關間隔框肩高的問題上面已經討論，這里著重討論間隔條的熱線性膨脹問題。
      
　　表2給出的是玻璃和其他制作間隔框材料的熱線性膨脹系數。在溫度從20oC提高到80oC條件下，不同材料相對玻璃的膨脹長度增加是不同的，鋁為0.9mm、不銹鋼為0.42mm、聚丙烯為8.46mm。指出這一點是十分重要的，因為當間隔框材料的熱線性膨脹系數越接近玻璃的膨脹系數，就越能使間隔條兩側的PIB和玻璃之間的剪切變形越小，不利于水汽滲透和惰性氣體擴張，從而有利于提高充氣中空玻璃的惰性氣體的保持能力。道康寧公司科學家沃爾夫博士認為，在其他條件不變條件下，間隔框熱線性膨脹系數越小越有利于提高中空玻璃的密封壽命。通過運用有限元分析，發現當溫度從20oC提高到60oC和降低到-35oC時，丁基膠在不銹鋼間隔框上的變形要遠遠小于在鋁間隔框上的變形。見表3。
     
　　 4．其他
        
　　我們業已論述了中空玻璃充氣對改善中空玻璃的U值有如此大的幫助，并且我們現已經有相當一部分企業已經使用單銀Low-E玻璃，對這部分企業的中空玻璃進行充氣的條件已經具備，此外，我們已經知道如何提高充氣濃度和中空玻璃的惰性氣體的保持能力，接下來，從邏輯思維角度來看，我們有必要探討充氬氣體的經濟性問題，最后從經濟上釋疑充氣的可行性。
        
　　目前市場上，一個氬氣罐的容積為6.5升，價格60-100元/個，均價70元。一個氬氣罐可產生的氬氣體積大約為10，000升，大約可充200-400平米的中空玻璃（假定空氣層為13mm）。單位平方米中空玻璃充氣的成本包括：氬氣 + 人工 + 耗材 + 充氣設備折舊 + 檢測設備折舊。
　     
　　假定：（1）空氣間隔層為12mm，（2）氬氣0.01元/升（取100元/瓶；（3）達到90-92%濃度，單位平米中空玻璃耗氣為容積的2-3倍；（4）2人充氣， 月工資2500元， 共計5，000元， 工作日25天/月，（5）日充氣600平米；（6）充氣設備投資10萬元， 當年全部折舊;（7）檢測設備10萬元，當年全部折舊完。
　    
　　　 計算:
　     單位氣體/平米=0.24元;
　     設備折舊分攤/平米=200，000元 / 180，000片= 1.1元
　     總成本<2元
　     如果設備5年折舊， 則單位平米成本小于0.5元
       
　　 綜上所述，Low-E中空玻璃充氣不但必要而且是必需，非如此，中空玻璃的U值就尚有很大改善余地；氬氣作為自然界中最豐富的氣體，容易獲得，經濟性好，應大力推廣使用。
　   
　　單銀充氣的效果最好是一種表象，有必要對隱藏其后面的深層原因進行剖析。一般認為，普通中空玻璃的傳熱中，熱輻射占50%、熱傳導和熱對流各占25%。顯然，降低熱輻射是解決傳熱首先要解決的問題，否則，充氣帶來的改善只占2-5%， 意義不大。而Low-E玻璃的應用，使充氣變的有意義。