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中空玻璃的充气控制和低辐射镀膜探测

 一、概述

  不管在当今世界哪个地方,对于高品质中空玻璃的需求都与日俱增。很多国家都在国际上或本土承诺要减少二氧化碳排放。能源需求受世界上日益增长的人口和经济增长驱动的影响在不断增长。能源生产和环境效应的基本目标是降低全球气候变暖的速度,和以安全方式生产能源。在21世纪初,能耗的增加已经以平均每年3%的最快增长呈现出来,这个现象来自于快速的经济增长,如印度和中国。在全球范围能源的生产是基于化石材料。二氧化碳排放被认为是所谓温室效应中最主要的原因,而能源是其最大的来源。碳排放预计要降低其年均水平,尤其对最大来源的工业领域的设定就非常高。在建筑领域达到目标将需要对既有实践和法规进行更改。在建筑领域目标分两个阶段,首先是降低建筑物的能源使用,其次是用可再生能源来替代缩减后的能源需求。根据多个国际建筑项目就可以知道,投资节能建筑是明智的选择。尽管低能耗的建筑造价比普通建筑要高2到5个百分点,但是从长期成本来看还是低的,因为能源成本低了。为了减少建筑施工带来的碳排放,政府机构出台了正式的法令法规来控制保温和建筑材料的节能性。当涉及到建筑的保温效果时,玻璃通常是最薄弱的一个环节,所以提高建筑的整体节能水平成了提高中空玻璃质量的强大驱动力。在芬兰,建筑的用电和取暖方面大概占总能耗的34%。这些法规里同样对门窗和用于制作门窗的玻璃设定了要求,其中就包括中空玻璃所用的材料和结构。

  当研究中空玻璃的节能效果时,观察员将注重其隔热效果和玻璃的辐射率。这篇文章将重点放在中空玻璃所用玻璃部分。除非另有定义,这篇文章中所指的U值为热传导系数。它描述了在标准条件下,单位时间内从单位面积的玻璃组件一侧空气到另一侧空气的传输热量。即U = 1/R = Qa/dT(W/m2K)(单位:瓦每平方米每开氏温度)。它亦以R值的导数为人所知,R值为热阻系数。U值越低,玻璃的隔热性能越好。

  表1:玻璃部分对窗户性能的影响

因素

隔热效果影响

玻璃厚度

玻璃片间距离

中等

玻璃片数

惰性气体

中等

不同低辐射镀膜玻璃

  二、低辐射镀膜中空玻璃

  术语“选择型辐射”或“低辐射”玻璃是指玻璃带有一层或多层的金属氧化物的透明膜。选择型辐射是指辐射的传输和反射依赖于辐射的光波波长。低辐射镀膜的意义在于减少中空玻璃的玻璃片间的热辐射,以提高它的隔热性能。

  热传递是通过气体流动,传导和辐射来实现的。辐射被分为长波和短波辐射。短波辐射如可见太阳光,射入玻璃的一部分长波热辐射会被低辐射镀膜给滤过。这会改善玻璃的隔热性能和整体的热力性能。同样,内部表面的结霜也会由于低辐射镀膜而降低。结霜是由于不同玻璃片的温度差和湿度差引起的。如果中空玻璃的表面温度比其内部的空气的温度低的话,同样也会在窗户周边引起冷空气流动,但如果用的中空玻璃隔热性能好的话就没有问题,因为中空表面的温度会相对高些,不会与其内部空气产生那么大的温度差。

  对一个标准的窗户来说,其近乎一半的热损失是由于玻璃片间的辐射引起的,而另一半是由于惰性气体的热传导和其间的对流。

  表2:不同窗户结构的U值举例:自1978年以来芬兰所用的窗户

年份

类型

结构

玻璃的U

(W/m2K)

1978

1+1+1

4+50+4+50+4

1,8

2003

1+2

1+100+2g (4-12-E4)

1,2

2010

1+2

4K+100+2g (4-15ar-e4)

0,8

2012

2+2

4-18ar-e4+50+4-18ar-e4

0,5

 

  图1:低辐射镀膜在中空玻璃内的效果

  三、惰性气体

  3.1为什么要充气?

  稀有气体如氩气和氪气,甚至氙气一般被作为惰性气体填充于中空玻璃里,因为他们对于热的传输和传导要比标准空气要小的多。这也是为什么要用惰性气体作为填充气体。最大的改进方法可以通过镀低辐射膜和充氩气来实现。氩气是最被广泛运用的惰性气体,因为它的价格便宜,且易提取。氩气无毒不活跃,比空气在热传导性上低大概30%左右(0,0179 W/mk 对 0,0262 W/mK),它是通过液态氮和氧制作过程中从空气中提炼出来的。作为一种非活性气体,氩气也可以保护中空玻璃内其它有价值的材料。比氩气贵的选择是氪气和氙气,它们相对氩气来说更稳定和不活跃。六氟化硫由于它的声学特质也被用于绝缘,但现在认为它会对环境造成污染,所以已经很少使用。

  中空玻璃的热损失也可通过优化玻璃片间的间隔条宽度来降低。常用的间隔条宽度为16mm或12mm,很少有用超过18mm的间隔条。通过选择密度高过空气的最佳惰性气体可以降低气体的对流。间隔条通常是用导热材料制造的,如铝或钢,创建一种线性热桥。先进的间隔条材料可以通过其热导性来降低热损失,使得中空玻璃内侧在寒冷的时候也可以保持与加热了建筑物同样的温度。

  通过对建筑的U值的要求有着间接或直接的不同标准,而根据这些标准,对于氩气充气率需求也不一样。不同的标准可能会根据市场区域不同而有所变化,但它们大部分都为生产设定了高要求,那就是要求充气含量达到90%,且年泄露率低于1%。

  图2:在不同气体与不同含量下,间隔条宽度12 mm时,玻璃第三面的U值与辐射率的关系

  3.2充气和气体保持力的问题

  一些潜在的问题会在对中空玻璃充气过程中发生。充气可以通过自动箱式充气或手动式充气的方法来执行,但是两者都有各自的风险和质量控制问题。当使用自动充气线时,操作者需要检验机械和充气过程是否都正常工作。因为惰性气体是看不见且无味的,所以没有正确的工具是很难探测到的。手动充气同样可能会因操作过程中人为的错误而易泄露掉,例如在填补充气孔或在封第二道密封胶时。另外,充气结果可能会产生湍流,或者气体没有均匀分布的问题。尽管充气过程可能成功了,但问题仍会发生。惰性气体可能会由于生产过程中使用的不良的材料或做工而慢慢地泄露掉。因此,在生产过程中应该多次检验气体含量,以确保整个生产阶段都按其设置地一样运转。

  四、检测和探测中空玻璃内惰性气体含量和低辐射镀膜

  4.1探测低辐射镀膜

  选择性辐射玻璃的镀膜一般是金属类和导电性镀膜。另外镀了膜的玻璃比白玻会反射更多的光,这个可以在用来检测玻璃是否有低辐射镀膜时采用。

  对于电容式探测仪来说,交流电通过电极被导在玻璃表面。探测仪可以为低辐射镀膜探测或潮气探测而设计。这类探测仪将可以探测电流的强度。一片选择性辐射玻璃可以比白玻会产生更强的电流。这个方法在检测低辐射镀膜玻璃是否真的有低辐射镀膜时使用。但是它不能用于多层玻璃结构的低辐射镀膜检测。

  另外一种检测玻璃表面是否有低辐射镀膜的方法是,把直流电通过一个电极导至到另一个电极然后导在玻璃表面。这时,有镀膜的表面会引导电流而没有镀膜的那一面则表现为绝缘,因为玻璃不是导体而是一个绝缘体。操作者在使用这种解决方案时,需要从已知的镀膜表面进行测量。

  光学测量仪器也被应用于检测玻璃的低辐射镀膜探测和玻璃间隔厚度检测。这些光学测量仪器使得操作者在检测中空玻璃各玻璃片厚度时同步地检测到玻璃间隔的厚度。仪器的实例如图2。这个技术是基于激光光柱,它以45度角射出,然后被反射到仪器传感器。玻璃片和间隔厚度就是由这个反射回来的激光柱到传感器的距离决定。该技术同时需要预先知道玻璃和空气的折射参数。

  市场有很多这样用于探测低辐射镀膜和间隔条厚度的仪器。其系列功能和价格视最终用户的需求,范围很广。对于有些仪器,操作者必须根据在某些范围的反射进行总结。同样,一些较复杂但用户界面友好的仪器是可以以图形的方式告诉使用者中空玻璃的检测结果。这样的仪器可以去检测整个配置结构,检查低辐射镀膜是否在正确的位置上,同时检测玻璃片和间隔宽度是否在允许的公差范围内。关于潜在的过剩压力的结论是通过适当的仪器也是可以测量的。

  图3:一台检测玻璃和间隔厚度的光学检测仪器

  4.2为什么验证中空玻璃内惰性气体含量是一项重要的工作?

  与其它不一样的是,影响中空玻璃的气体渗透性的诸多因素都很重要,如密封胶的弹性和牢固度,密封胶的老化,干燥剂材料,密封胶涂布的厚度和宽度,透过间隔条和密封胶的扩散速度等。当谈及到生产流程,设计,作工和充气技术时,都应该尽可能地控制。

  中空玻璃的性能一方面受潮气扩散进入其单元的影响,另一方面受惰性气体扩散出其单元的影响。这些扩散过程是由于周边气体存在差异以及惰性气体趋于稳定而引起的。这可能会导致负压进入中空玻璃单元,此外还会引起玻璃变形。惰性气体泄露将引起可见的扭曲,客户也将能够探测到气体泄露,因为中空玻璃会开始出现向内爆裂现象。这种现象的出现要求我们采取必要的措施,如减小玻璃片间的空间,强调密封胶/玻璃表面压力和随时间推移降低热工性能。同样的客户还能够用当今先进的仪器检测到潜在的爆裂和中空玻璃的内在气体含量。这样,在没有发生保修索赔前,制造企业将有时间做适当的设计和生产具有良好氩气保持力的高品质中空玻璃产品。

  对中空玻璃的氩气含量的检查还可以让操作者来检查他们的充气设备是否按常规在正常运作。充气过程也容易受到机械磨损而在生产过程发生故障。因为氩气的特性是无法看到的,所以氩气是否填充成功没有办法判定,除非通过检测调整充气线或整个流程。

  4.3有什么实用的工具可以检测惰性气体含量?

  从惰性气体应用之初,玻璃行业就一直在研究惰性气体含量的检测方法。各行业所用的不同的氧分析法已经有相当长一段时间了。世界各地每天都在对工业气体中氧气的流入进行检测,医疗行业和潜水对气体的检验亦是如此。

  就此而论,中空玻璃内气体含量的分析方法可以分为三种:物理方法,化学方法和取样法。这个章节将对这三种不同方法进行验讫。

  4.3.1探测惰性气体含量的物理检测方法

  物理方法是基于确定的某些元素的物理性质,气体对于每个元素来说是独特的。这样的性质是指如热导率,声速,分子的重量,分子的大小,辐射吸收系数或等离子体发射的辐射波等。

  气体对于电磁辐射波的吸收以及辐射的数量取决于样片中的气体含量。例如气体吸收特定波长的红外辐射。这个方法应用于火灾报警系统对二氧化碳的探测。但是,很难用这种方法来检测惰性气体含量,因为这个辐射波必须得穿过至少两层玻璃,而这两层玻璃已经过滤掉了相关波长。

  放射性辐射波吸收被用于火灾报警系统以探测火灾气体。玻璃吸收α辐射波,但它不能检测惰性气体,而β and ϒ辐射波用于移动设备在生产条件下就不安全。

  对电离气体发射辐射波频谱的研究是20世纪末在芬兰被提出的。该技术基于激活惰性气体的气体原子,这样它们就透过玻璃发射出可以被分析的光束。每种气体都有其独特的光谱,而这些光谱都可以被识别。样片中气体含量会影响辐射波的强度,这使得检测中空玻璃内的气体含量成为可能。既有应用里气体的原子被高压电火花激活。这些应用我们是在2001年推向市场的,今天第三代技术以Gasglass为品牌在市场上销售。

  该技术可以准确地并重复地检测中空玻璃内氩气和氪气含量,属无损型检测。操作者必须知道他/她检测的气体是氩气还是氪气。因为这个方法是基于高压放电激活气体原子,所以存在一些局限性。电火花必须穿透气腔层使得测量变成可行。电火花不能跳过低辐射镀膜玻璃或厚的夹胶片,因为这会使得测量变得困难。背景光对测量结果影响也比较敏感,所以在测量时,应总是尽量在标准条件下进行,建议背景有一个盖有黑布的相配支架做支撑,或类似的背景。生产企业为了绕开这些局限,他们通常会分开准备可测的样片以便检测,举个例子:在做三玻两腔中空时,他们会在把镀有低辐射膜的玻璃片放在中间,这样就可以分别测得两个腔体的惰性气体含量。

  表3:Gasglass技术的准确性和重复性

被测样片中氩气含量

测得的平均值

平均偏差

标准偏差

97,5

97,5

0

0,1

94,9

94,9

0

0,1

90,0

90,0

0

0,3

85,1

85,1

0

0,6

80,2

80,1

-0,1

0,5

70,9

70,4

-0,5

2,2

50,1

49,7

-0,4

2,4

  表3是Gasglass仪器第三代的准确度和重复度。从报告中可以看出,对每一个充气含量的准确度限定以标准偏差给出,测量平均值这里指设备的重复性。可以看出,该技术的准确度和重复度是基于充气水平的。例如,当充气达到94.9%时,准确度是非常高的,标准偏差很小。当充气量将到70.9%时,测量平均值下移了0.5%,标准偏差总和为2.2,尽管如此,这完全可用于惰性气体含量检测。从相关数字我们可以看到,每台仪器有其独特的校准曲线。Gasglass仪器的生产商建议用户对其仪器每年进行一次校准。Gasglass的校准过程比较复杂,它需要有8个不同的校准点,必须由生产商或通过认证的服务提供商进行校准。迄今为止,生产商在全世界有三个服务中心,美国,中国和芬兰。对每个校准点的校准用的都是经过认证了的标准气体。基于瞬间放电或等离子发射技术的摄谱法现已被广泛应用于世界各地的玻璃行业。

  对其它惰性气体分析的物理方法也进行了研究。这些方法基于不同的技术,如可调谐二极管激光器,喇曼分光镜,材料中声速的变化或者惰性气体中热传导率的变化。不管用何种方法,当涉及到对中空玻璃的气体含量进行分析时,所有的方法都有它们自己的难题或局限性,到目前还没有办法解决,所以它们能够在市场上应用。基于突破电压的变化技术这样的仪器,现在市场上也有但是不多,因为很多因素对其测量结果都有影响。

  4.3.2探测惰性气体含量的化学方法

  稀有气体作为惰性气体被使用,只有在特殊的条件下才跟其它元素形成化合物。尽管可以在充气后通过分析留在气腔层内空气的气体成分含量来分析惰性气体含量。在这种情况下,该方法不能验证惰性气体本身,而是识别留在气腔层内空气的其它气体成分。

  某些材料可能会因为混合气体中氧含量的变化而改变自身的颜色。这个就使如黏贴纸时间久了会变色一样。这种方法可以用于如检查中空玻璃样片在做气候循环之前和之后的差别。

  4.3.3取样分析法

  取样分析法为使用者在判定惰性气体种类和含量时提供了可信赖的方法。有许多技术用取样法对气体进行分析,在气体行业的生产企业也同样会用到。从中空玻璃中取样总是会破坏其完整性。通常需要在间隔条上打孔,取样可以用注射器取出后分析或者直接用测量仪器探入分析。气体试样根据采用的技术不同,而要求不同的量,从μL到mL。气相色谱仪所需要的气体试样量极其微小,所以可以重复测量。虽然生产企业介绍了如何很好地去密封那个为了取样而打的孔,但是气体仍然容易泄漏。如果用氧分析仪来取样的话,这个气体试样量相对会大,从而没有办法能够进行重复测量。

  4.3.3.1气象色谱分析仪

  不同类型传感器的气象色谱仪在市场上已经有一段时间了,而且一直被认为是具有较高的准确度和可信赖度。需要抽取的气体试样量也非常微小,大概25μL,使得操作者可以重复测量很多次。气相色谱仪采用的是气相色谱法,成分是气体,适用于定性定量分析。

  图4:气相色谱仪操作原理图

  色谱分离法是把一个复杂体系的化学成分分离。一个色谱利用一个流体相通过窄的管子,被称之为色谱柱。样品的成分基于它们独特的化学和物理性质以不同的速度通过色谱柱,在色谱柱中已知相和固定相产生互动。在化学组分脱离色谱柱时,会被不同种的电子检测器探测到。色谱柱中的固定相应该分离被分析气体试样的不同组分。同样的,色谱柱内的温度和气体试样的流动率是可控的。在气相色谱仪内有用到数个不同类型的探测器。最常见的类型是火焰离子检测器和热传导检测器。气相色谱仪也可以连接到一个质谱仪将作为探测器运行。

  根据笔者的经验,在世界各地玻璃行业的实验室经常把气相色谱法作为溯源的仪器。如果把这种方法用于生产工厂的话,可能太过复杂,且耗时长,又非常昂贵。

  4.3.3.2氧分析仪

  在市场上可以找到种类繁多的氧分析。除了玻璃行业,氧分析仪被广泛地应用于医疗行业,还有潜水设备在检测氧含量时也会用到。它们可以检测气体试样内氧含量,从而使得操作可以判定所测气体的含量。而这个判定是基于对空气中各种气体含量进行假定得出来的,如空气中包含了大约78%的氮气,21%的氧气,0,94%的氩气以及其它气体。氧分析仪根据这些数据去计算氧气在气体试样中的含量,并得出空气的总量。期望最后在气体试样中所剩的就是氩气(或氪气)。

  氧分析仪一般有很多种传感器可以配用。普通的就是电化学电池和顺磁性电池。电化学电池,也被称为燃料电池,可以测量某种气体或混合气体中微量的氧含量百分比。被分析的气体试样通过一个气体渗透膜进入传感器。气体试样中的氧在传感器中与阳极和阴极接触后在电解液中被溶解。从阴极到阳极产生的电子流和电流与气体试样中氧成正比。这些电化学电池时间久了会耗尽,因为传感器中所用的铅阳极在氧含量高的情况下比较脆弱。一旦铅阳极被氧化了,电池就不会再产生输出,除了更换一个新的铅阳极否则就没用了。操作者只有在仪器不再能被校准或者校准需要花非常长时间的时候才会注意到这个。在此,用Sensoline手持式氧分析仪举例,它用的就是电化学电池,使用起来方便,因为它有一个集成泵在里面,使得操作者不需要手动去抽取和注射气体试样了,因为测量结果可能是依赖气体试样流速的。操作者可以取些空气做为气体试样,然后通过一个简单的按钮操作就可以对仪器进行校准了。操作者在做校准时应该注意,因为像这样的分析仪会随时间发生漂移。生产商声明该技术从测量氧计算氩气含量时允许的精度为0.1%。

  顺磁性电池利用氧气的体积磁化率比一般气体高。一个顺磁性的传感器与装了参考气体的两个玻璃球合在一起,参考气体一般为氮气,安装在一个悬挂的旋转装置上。这种装置,俗称哑铃,里面是一个强大的磁场。当含有氧的气体试样通过流程进入这个感应器时,氧分子就会被这两个磁场中更强烈的那个所吸引。这个力偶促使哑铃内发生位移,然后旋转。里面有一个光学系统是用来测量哑铃旋转角度的。而反向电流的作用是让亚铃恢复其原始位置。那个电流和氧分压成正比,并且可以转变成一个有读数的氧,这样操作者就知道里面氧的含量了。

  顺磁性传感器被普遍地认为是持久的。顺磁性感应器对于震动,摆放的位置和它的应用都非常敏感,一般属“独立”类型,也就是说除了分析仪自身要在一个稳定环境外,包括注射气体试样和物体。其它气体展示出的磁化率可能会产生比较大尺度的测量误差,生产企业应该提供这类气体的详细信息。根据生产企业要求不同,操作者可能不得不从开关上选择测量范围。在操作之初,操作者应该对空气试样进行分析,以保证仪器显示正确的数值20.9%,同样也需要对没有任何空气在内的纯氩进行分析。作为带有顺磁性传感器的氧分析仪,除了Helantec的Helox KVSN-F,德国KIWA zemlabor GmbH公司也可以提供比之前举例的Sensoline氧分析或多或少更近似精度的仪器。

  市场上还有其它类型传感器的氧分析仪,例如热传导传感器,氧化锆传感器,环境温度传感器和极谱传感器或者是联合了众多传感器。

  五、未来研究

  正如我们所说,由于全球对节能和大厦能源效率的要求,上到政府部门下到平民百姓对窗户节能的解决方案越来越重视。这也使中空玻璃方案与能源效率更加紧密的联系在一起。从很多市场的历史我们可以看到,对中空玻璃U值的要求已经加紧,而且在未来,对这块的期望会更高。这些能够通过高质量材料,工艺以及质量控制来达到。

  因为主要的气体分析方法都有自身的局限性,行业需要研发出一种对玻璃结构没有要求并且不破坏玻璃的新型检测方法。据笔者所知唯一在线的不破坏气体分析只有在北美的Cardinal IG公司中有,该公司在其中空玻璃生产线上加装了Gasglass装置以对氩气进行分析。

  在生产线上加装检测装置能够使生产企业检测每一个出产的产品,并且确保充气过程的运行正常。这也将成为生产企业的一个营销优势,因为他们可以告诉客户他们的每一个产品在生产过程中都进行了检测,运货之前还进行抽查。

  六、结语

  这篇文章的目的是为了让读者了解通过何种技术可以检测中空玻璃上的低辐射镀膜以及其中惰性气体的含量。

  我们介绍了现有主要的检测低辐射镀膜存在和位置的技术。能够执行这项任务的有很多不同类型的产品。使用者需要为自己设定一个特性需求和产品质量。

  通过我们对惰性气体的不同种分析方法介绍,希望读者能够了解可以用到的不同的检测方法。现在在玻璃行业使用的比较多的方法主要是在实验室完成的抽样分析例如气象色谱仪和不同传感器的氧气分析仪。除了抽样分析外,行业内还常用以等离子体发射摄谱技术为基础的分析仪。

  所有的方法在检测的过程中都有弱点。气相色谱法被广泛的认为是最佳方案。它需要非常昂贵的机器,易损的传感器以及非常有经验的使用者。这个技术更多的使用在玻璃行业的研究实验室内。氧气分析仪在行业内也被广泛的使用,但是也需要取样。等离子发射摄谱测试仪也被行业内广泛使用并且是唯一无损型惰性气体检测装备。这种技术的弱点就是无法穿透低辐射镀膜的玻璃或者厚的夹胶片,需要生产企业另外准备一些可用于测试的玻璃。所有的检测方法都可以达到所需的准确性。对于可信赖的检测,操作者应该熟悉自己所使用的技术,以确保检测出来的结果是值得信赖的。而取样测试的方法是没有重复性的,因为样品内的惰性气体在每次的测试后都会有比较大的成份变化。唯一有重复性的取样测试可能是样品尺寸为μ升的气相色谱法。无损型等离子发射摄谱技术可以重复测试。这也给了操作者一个机会,去关注中空玻璃内惰性气体的泄漏率,同时可以检查充气机是否调整到最佳工作状态。【完】

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