中空玻璃失效原因分析及对策

      中空玻璃作为高中档材料在建筑上和其它领域已被广泛采用。除建筑上大量使用之外,在其它行业如铁路运输、制冷行业的用量也逐渐增大。中空玻璃作为玻璃的深加工产品，因其价格较高，多在关键部位时使用，如高层建筑、火车空调车窗、冷柜观察窗等。在安装使用后，一旦出现质量问题及破损需进行更换非常困难，并且更换费用很高，因此对中空玻璃能保证长期有效的使用提出了更高的要求。虽然目前还没有对中空玻璃的有效使用时间做出明确的规定，但生产厂应采取各种措施尽量保证中空玻璃有足够长的有效使用时间，以满足各种不同用途的需要。       中空玻璃是由两片或两片以上玻璃中间用带有干燥剂的间隔框隔开，周边密封的玻璃制品，是一种复合产品，其性能和功能均不同于普通玻璃，存在使用寿命和有效期问题。影响中空玻璃有效使用时间的原因{TodayHot}主要有空气层露点上升，玻璃完整性丧失，功能衰减等。产生的原意是多方面的，如制造材料的性能、制造工艺及控制、安装方法等。本文就影响中空玻璃有效使用时间的各种因素进行分析，提出延长中空玻璃有效使用时间的措施。  一、中空玻璃失效的主要原因      中空玻璃失效的直接原因有两种：一是空气层内露点上升。当环境温度降低到使玻璃表面的温度低于空气层内的气体露点时，空气层内的水汽便在玻璃内表面产生结露或结霜（玻璃内表面温度高于0℃时结露，低于0℃时结霜）。由于玻璃内表面的结露或结霜，将会严重影响中空玻璃的透视性，并降低中空玻璃的隔热效果，同时长时间的结露会使玻璃的内表面发生霉变或析碱，产生白斑。二是中空玻璃的炸裂，当中空玻璃在安装、使用中由于安装不当、环境温度变化、日照及风压的作用使玻璃发生炸裂。玻璃破裂后(即使极小的裂缝存在)就会失去其密封性，在空气内出现结露、结霜从而丧失使用功能。       我们曾对使用两年后的中空玻璃失效情况进行了调查，失效率为3-5%。各种失效原因之比见表1。从表1中可以看出，失效原因中比例最大的是露点上升(中空层内结露)，其次玻璃炸裂。这两种原因构成了总失效的89%。  二、中空玻璃失效原因分析  1、露点上升的主要原因：      中空玻璃的露点是指密封于空气层中的空气湿度达到饱和状态时的温度，低于该温度时空气层中的水蒸气就会凝结成液态或固态水。露点与空气的相对湿度和空气中的含水量之间的对应关系见表2。     显然水的含量越高，空气的露点温度也就越高。当玻璃内表面温度低于空气层内空气的露点时，空气中的水就会在玻璃的内表面凝结露{HotTag}或结霜(国家标准GB11944-89《中空玻璃》中规定露点为-40℃)。      中空玻璃露点上升是由于外界的水进入空气层而又不能被干燥剂吸收所造成的。下列三种原因可导致中空玻璃的露点上升：  (1)密封胶中存在的机械杂质或生产时的涂胶过程中挤压不连续而存在的毛细孔，在空气层内外压差或浓度梯度的作用下，空气中的水通过气体流通或扩散进入空气层中使中空玻璃空气层中的水分含量增加。  (2)水汽通过聚合物(密封胶一般均为高分子聚合物)扩散进入空气层中。任何聚合物都不是绝对不透气的，通常用于中空玻璃的密封胶聚硫橡胶、硅橡胶、丁基橡胶等，也是如此。对于这些高分子材料，其两侧由于逸度差(压差或浓度差)的存在，构成了聚合物做等温扩散的驱动力。在逸度较高的一侧聚合物分子因吸附气体分子(空气和水)进入固体聚合物中，移动并穿过聚合物链阵从聚合物的另一侧--逸度较低的一侧释放出来。对于中空玻璃的密封胶而言，主要扩散物就是空气中的水份。水份的扩散遵循如下的关系式：J=P/L×ΔP  (1)  式中：J-扩散速度，指单位时间，单位面积上气体通过一定厚度的聚合物的扩散量。  P-气体渗透系数，是材料固有的一种物理性质。  L-聚合物的厚度  ΔP-聚合物两侧的气体分压差      从上式可知，影响水蒸气扩散的因素主要是聚合物的气体渗透系数(气密性)；胶层厚度和空气层内外的水汽分压差。     水汽扩散是中空玻璃失效的主要原因。  (3)干燥剂的有效吸附能力低。中空玻璃干燥剂的有效吸附能力指的是干燥剂被密封于空气层之后所具有的吸附能力。它是分子筛的性能、空气湿度、装填量以及在空气中放置时间等的函数。密封于中空玻璃空气层中的干燥剂其作用主要有两个，其一是吸附掉生产时密封于空气中的水份，使得中空玻璃有合格的初始露点；其二是不断的吸附从环境中通过胶层扩散到空气中层中的水份，保持中空玻璃始终有符合使用要求的露点，因此要求干燥剂要有较强的吸附能力。如果干燥剂的吸附能力差，不能有效的吸附通过扩散进入空气层中的水份，就会导致水份在空气中聚集，水分压升高，中空玻璃的露点上升。   2、玻璃炸裂的原因：     导致中空玻璃炸裂有多种原因。有生产方面的，也有安装方面的。玻璃炸裂的主要原因可以归纳为以下几种：  (1)生产环境温度       生产中空玻璃时，密封于空气层内的压力是生产环境温度下的压力。使用过程中，往往是使用温度和生产环境温度相差较大。空气的热胀冷缩会使空气层的压力发生变化，夏季时环境温度一般都高于生产环境温度，中空玻璃空气层中的空气发生膨胀，空气层产生正压，特别是用吸热玻璃和镀膜玻璃制作的中空玻璃，玻璃的吸热效果很强，空气层内的温升更高，产生的正压也就更大。当由于空气层空气膨胀引起的压力高于玻璃的破坏压力时，玻璃便会发生破裂。大部分的玻璃炸裂都是由此原因引起的。同样在冬季，环境温度低，空气层内空气收缩而产生负压，在风雪荷载的联合作用下，也会使玻璃发生炸裂。  (2)选择玻璃不当       在建筑的向阳面使用未经增强的吸热玻璃，由于吸热玻璃在向阳面使用时极易吸收太阳能而升温，发生热炸裂。  (3)玻璃在生产时变形        水平法生产中空玻璃时(目前手工生产几乎全部是水平法)，由于下片玻璃受支撑的面积较少而且支撑点多在中心部位，上片玻璃的重量全部加到下片玻璃上，使下片玻璃向上弯曲，结果造成中空玻璃的空气层厚度变薄。玻璃安装使用时就自然在空气层内存在负压，玻璃上产生预应力，面积较大的中空玻璃这种现象更为突出。由于玻璃上预应力的存在，减少了其抗风压的强度和抗外力的能力，在外界因素变化时容易发生破裂。  (4)安装玻璃时，玻璃上产生预应力       玻璃在安装时，框架不平或弹性密封胶条质量不佳而使玻璃发生弯曲变形，从而使玻璃产生预应力，由于玻璃预应力的存在降低了玻璃的抗风压力能力，甚至发生炸裂。  (5)玻璃边部存在小裂口        在生产中玻璃磨边质量不好或在运输中玻璃的边部由于受到碰撞产生小裂纹而在安装前又不易被发现(由于周边涂胶)，安装后裂纹增长而使玻璃破裂。  三、延长中空玻璃使用时间的措施      要延长中空玻璃的有效使用时间，必须从各个环节如生产工艺条件、原材料选择、运输安装等加以控制。  1、严格控制生产环境的湿度       生产环境的湿度主要是影响干燥剂的有效吸附能力和剩余吸附能力。剩余吸附能力是指中空玻璃密封后，干燥剂吸收空气中的水份，使之初始露点达到要求，干燥剂还具有一定的吸附能力，此部分吸附能力称之为剩余吸附能力，定量地说，他等于有效吸附能力减去干燥剂吸附密封于空气层内空气中的水消耗吸附能力。      剩余吸附量的作用是不断的吸附从周边扩散到空气层中的水份。剩余吸附量的大小决定着中空玻璃干燥剂对中空玻璃在使用过程中，通过边部扩散进入空气层的水份的吸附能力的大小，也就决定着水分在空气中聚集速度的快慢，从而决定着中空玻璃的有效使用时间的长短。      中空玻璃生产环境湿度度大时，首先密封于空气中的水分多，消耗干燥剂的吸附能力就大，其剩余吸附能力就小，表二中可以看出，空气的湿度越大其含水量就越高，环境湿度由40%增加到80%时，空气中的水分含量提高一倍；其次是环境湿度对干燥剂的吸附速率有很大影响，湿度越大，干燥剂的吸附速率越快，生产过程中一般干燥剂要暴露于空气中一段时间，在这段时间内，干燥剂的吸附能力与环境湿度成正比关系，干燥剂的剩余吸附量随着湿度的升高而减少，因此湿度对中空玻璃的有效使用时间的影响致关重要。要延长中空玻璃的有效使用时间，就必须使生产环境的湿度控制得低一些。  2、减少水分通过聚合物的扩散  (1)选择低渗透系数的密封胶       选择气体渗透系数低的中空玻璃密封胶是减少气体扩散速度的有效措施之一。中空玻璃生产常用的密封胶有：丁基橡胶、聚硫橡胶和硅橡胶等。他们的气体渗透系数为：丁基橡胶1-1.5g/m.d.cm，聚硫橡胶7-8g/m.d.cm，硅橡胶10-15g/m.d.cm，可见丁基橡胶的气体渗透系数最小，所以双道密封玻璃由于使用了丁基橡胶，其有效使用期要好于单道密封的中空玻璃。单道密封的中空玻璃的密封胶要采用聚硫胶而不宜采用硅橡胶。  (2)合理确定胶层厚度      从式(1)中可以看出气体通过聚合物扩散的量与胶层厚度成反比，胶层越厚其扩散量越少，所以国家标准中规定：使用双道密封胶时，胶层厚度为5-7mm，使用单层密封胶时胶层厚度为8-12mm，保证胶层厚度也是减少水汽扩散的重要一环，在生产时一定要保证胶层厚度和厚度的均匀性。  (3)减少中空玻璃胶层的内外湿度差      式(1)中气体的扩散量与中空玻璃内外的水汽分压差成正比,减少胶层的内外湿度差可以减少水汽通过胶层的扩散量。作为中空玻璃其空气层的湿度(水气分压)越低越好，要减少ΔP只有减少外部环境的湿度(或水汽分压)来实现。达到这一目的,可以采用在安装框架上开排水孔，使沿玻璃表面流到框架内部的积水能迅速排出，从而保持玻璃周边干燥，以减少中空玻璃的水汽扩散量。  3、缩短生产工艺时间      这里的缩短生产工艺时间是指尽量减少中空玻璃生产时干燥剂与大气接触的时间，减少吸附能力的损失，从而使干燥剂有更高的剩余吸附能力,也就是使干燥剂在被密封于中空玻璃中之前尽量减少吸附能力的损失。  4、合理控制间隔框的导气缝隙      干燥剂一般都是在密封的情况下灌注到间隔框中的，吸附大气中的水是通过导气缝(孔)进行的，导气缝(孔)越大，在生产过程中干燥剂的吸水速率越快，有效吸附能力的损失也就越多，因此中空玻璃间隔框的导气缝隙尽量小些，只要能保证中空玻璃有符合标准要求的初始露点就是比较合适的了。  5、选择适当吸附速率的干燥剂      对于中空玻璃生产，有些时候干燥剂的灌注不是在完全密封的环境下进行的。在灌注过程中，干燥剂暴露与空气之中，会很快从空气中吸附水份。如果干燥剂的吸附速率较低，在同样的时间内干燥剂的吸附量会很小，损失的有效吸附能力也就小。  6、合理包装和运输        中空玻璃的包装箱或包装架，其对玻璃的支撑部位最好放在玻璃的四周，使压力通过间隔框进行传递以减少玻璃的破损，运输玻璃的平面与运输前进方向一致。  7、安装时尽量使玻璃上不产生预应力        安装的框架要平整，保证与玻璃接触的周边材料为良好的弹性材料，使玻璃不产生任何变形。  8、合理选择中空玻璃结构         在屋顶使用中空玻璃特别是用吸热玻璃制作的中空玻璃时，由于承受自重、积雪载荷以及风压荷载较大，夏季日光照射接近垂直产生热应力，所以玻璃容易破裂。这一部位的中空玻璃的单片最好要经过钢化处理。  四、结 论       通过选择、加工制造、包装、运输和安装等各个环节加以控制，能够防止中空玻璃过早失效，延长其使用时间，减少维修费用。这不仅能带来经济效益，同时可以获得更好的社会效益和企业信誉。

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