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中空玻璃标准修订版中水气密封耐久性能的解析

      《中空玻璃》标准已于2010年完成修订,并将于今年颁布实施。修订后的标准提高了中空玻璃水气密封耐久性试验要求,并采用了更加先进和科学的评价方法,以促进我国中空玻璃质量和行业整体水平的提高,促使我国中空玻璃制造业健康发展。
    修订后的标准与现行标准耐久性能的比较
    现行的GB/T11944-2002《中空玻璃》标准的耐久性能指的是高温高湿耐久性和气候循环耐久性,检测时分别取不同的试样进行这两项耐久性试验。从气候循环试验和高温高湿耐久性试验装置与温度曲线来看,修订后的标准都远高于现行标准的要求。
    现行标准中高温高湿耐久性能和气候循环耐久性能是用露点来评价的。耐久性试验后的中空玻璃露点应全部≤-40℃。
    新修订的标准用水分渗透指数来衡量中空玻璃的水分密封耐久性。
    水分渗透指数I=Tf-TiTc-Ti
    (注:Tf是干燥剂最终水分含量,Ti是干燥剂初始水分含量,Tc是干燥剂标准水分含量。)
    最终水分含量就是耐久性试验后,中空玻璃试样中干燥剂的含水量;初始水分含量就是中空玻璃制作完成时,密封于中空玻璃内干燥剂的水分含量,标准水分含量就是干燥剂吸满水分时的水分含量。水分渗透指数的含义是:中空玻璃经过耐久性试验后,其干燥剂的含水量比刚制作完成时干燥剂含水量增加的量与制成的中空玻璃中干燥剂的剩余吸附量的比值。
    水分渗透指数不仅反映了密封胶阻隔水气透过的能力,也让我们直观地看到了分子筛的吸附能力,以及在中空玻璃制作环节的工艺控制水平。I值可以在0~1的范围内变化,如果密封胶一点水都不渗透,那么I=0;如果中空玻璃密封失败,进水了,那么I就等于1或接近1。通过I值的定量测量,不仅能够比较不同结构和配置中空玻璃耐久性能的好坏,还有助于预测中空玻璃的使用寿命。
    提高水气密封耐久性能原因的探讨
    使用中空玻璃的目的是节能,中空玻璃为人们提供的节能性能不应仅仅是一个短期、静态的行为,而应是一种长期和动态的概念。提高中空玻璃寿命对中空玻璃的节能至关重要,密封失败的中空玻璃谈不到节能效果,只有提高中空玻璃的耐久性和密封寿命,才能长时间发挥其节能作用。
    在中空玻璃的使用过程中,温度的变化、日光的照射、风吹雨淋一直伴随其整个寿命周期。在夏季,太阳辐射到地球的能量会大于1400W/m2,由于玻璃吸收率的不同,所接受的太阳辐射能量也不同,玻璃每吸收200W/m2的能量,玻璃表面的温度就会增加10℃。例如一种本体着色玻璃的吸收率为60%,如果太阳辐射能量按1400W/m2计算,那么玻璃表面的温度就会增加42℃;如果环境温度为30℃,玻璃外表面的温度就会上升到72℃。
    图1为德国相关检测机构在1984年对德国南部装配在木制窗框中的中空玻璃单元曝晒1年的玻璃温度统计数据。从图1可以看出,玻璃表面的温度大于50℃的时间超过15%,我国虽然没有进行这方面的统计,但由于纬度的关系,大部分地区安装的中空玻璃表面温度超过50℃的时间应该比这个统计结果还要高。图1德国南部木制窗玻璃温度统计温度的变化会使中空玻璃产生向外或向内的挠曲,会对密封胶产生拉伸作用,造成密封胶形态的改变,增加扩散面积和降低通道长度,从而导致水气渗透的增加(见图2)。
    图2玻璃因温度变化产生挠曲时密封胶的形态改变
    国外权威机构研究表明,密封胶的防水气透过能力随温度的升高而降低。图3是不同类型密封胶的水气透过率的温度曲线,密封胶分别是单组分和双组分的硅酮、还有双组分的聚硫胶,纵坐标是水气透过率,横坐标是温度。从图2可以看出,当温度从20℃增加到80℃时,水气透过率MVTR从10的数量级增加到百的数量级,增长都在20倍以上。
    图3不同类型密封胶的水气透过率
    在炎热多雨的季节,湿热的空气通过中空玻璃边缘的缝隙进入了玻璃与窗框的空隙中,形成了一个高温高湿的小环境(见图4)。
图4温热空气进入凹槽示意图通过以上分析可以得出,高温高湿的环境是中空玻璃失效的最主要外因。修订后标准的水气密封耐久性的试验,使中空玻璃两侧受到一致的温度变化,接受对称的热应力,使密封胶的变形和位移都达到最大值,从而让水气渗透也最大,来充分考验中空玻璃的耐久性。
    试验验证结果分析提高水气密封耐久性的必要性
    我国目前有中空玻璃生产企业5000多家,但80%以上是规模较小的企业。由于中空玻璃生产工艺相对简单、生产投资相对较少,以及市场需求不断增加等因素,致使对中空玻璃不甚了解的企业也在制作中空玻璃。中空玻璃生产企业在技术水平、装备水平、管理水平等方面存在着极大差异,既有从国外引进的达到世界先进水平的生产线,也存在几乎没有什么生产设备的手工作坊;既有通过质量认证的具备先进管理方式的现代企业,也有不熟悉标准、没有什么质量控制手段的小企业,导致了中空玻璃市场的无序竞争,产品质量良莠不齐,劣质中空玻璃充斥市场的现象仍然比较严重。
    在标准起草过程中,国家玻璃质量监督检验中心选取了国内各类企业40家。这些企业既有生产设备先进、原材料质量有保证、生产工艺控制严格的大型骨干企业,也有设备简陋、质量意识较差的小企业。对这些企业生产的40组试样,分别按修订标准中的水气密封耐久性测试,以及按现行标准的高温高湿耐久性和气候循环耐久性能试验。这些试样均采用双道密封,外道密封胶有硅酮胶也有聚硫胶。按现行国标检测,40组试样中只有1组试样的高温高湿耐久性不合格,合格率为98%;按新标准的水气密封耐久性要求,40家企业有11家不合格,合格率为72%,在合格的29家样品中有12家水分渗透指数的平均值Iav值<0.10,其余17家样品Iav值在0.10~0.20。
    由此可以看出,修订后的标准水气密封耐久性提高了对中空玻璃的要求,能够达到现行标准耐久性要求的中空玻璃并不一定能够满足修订后标准的要求。

    新修订的中空玻璃标准的水气密封耐久性是参照EN1279.2水分渗透的长期试验方法制定的,EN1279于2000年起在欧洲实施。图5是欧洲权威检测机构2000~2006年对中空玻璃进行水气耐久性试验水分渗透指数I值的统计分布图。从图5可以看出,在标准刚实施的前几年,检测结果的离散型还比较大,说明企业间的质量差距还是不小,标准实施几年后,可以看到2006年检测结果中空玻璃的水分渗透指数I值绝大多数集中在2%~6%,说明中空玻璃质量稳定,企业间的质量差距在缩小。
    上表是国内外中空玻璃水气密封耐久性检测结果比较。从上表中可以看出,我国中空玻璃企业生产的中空玻璃水气密封耐久性与国外相比有非常大的差距,国外绝大多数样本的水分渗透指数I值都小于0.1,而国内中空玻璃的I值小于0.1的只占到约30%,而大于0.25的却达到近10%。由此可认识到中空玻璃在节能方面具有显著的效果,但是与节能同样重要的是中空玻璃的密封寿命。中空玻璃节能效果好并不一定代表其密封寿命长,反之亦然。密封寿命短的中空玻璃,不仅影响中空玻璃的节能效果,甚至还是个耗能产品。通过水分渗透指数的定量测量,能够准确反应产品质量的好坏,同时便于分析中空玻璃质量问题产生的原因。相信通过新标准的实施,能够促进我国中空玻璃质量的不断提高,缩小与国外中空玻璃产品的质量差距。
    结语
    如何应对耐久性要求的不断提高和客户对使用寿命的要求,是中空玻璃生产企业在新标准实施后必须面对的问题。
    由于环境中的水气会不断从中空玻璃密封胶向中空玻璃腔内渗透,以及环境温度的变化,中空玻璃腔内气体始终处于热涨或冷缩状态,使密封胶长期处于受力状态,同时环境中的紫外线、水和潮气的作用都会加速密封胶的老化,加快水气进入中空玻璃腔内的速度,边部密封系统中的干燥剂会因不断吸附水分子而最终丧失水气吸附能力,导致中空玻璃腔内水气含量升高而失效。这种失效虽然不可避免,但可以通过合理选用边部密封材料(如间隔条、干燥剂、密封胶)和密封结构,提高中空玻璃工艺水平和加工质量,通过提高质量意识和完善质量控制手段,来保证中空玻璃密封寿命,为我国建筑节能做出贡献。
 

 


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