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安全玻璃的生产控制和选择使用

放大字体 缩小字体 发布日期:2013-04-20 16:21 浏览次数:2704
 
安全玻璃的生产控制和选择使用
夏卫文
和合科技集团有限公司
  
    
 
第一章 安全玻璃的定义和分类  
第二章 钢化玻璃的生产工艺要求和选择使用
    一、钢化玻璃的工艺流程
    二、生产过程的工艺要求
    三、特殊类钢化玻璃生产过程中的质量控制关键点
    四、钢化玻璃生产与使用中应存在的问题
第三章 夹层玻璃的生产工艺要求和选择使用
    一、夹层玻璃(干法)生产工艺流程图
    二、生产过程控制
    三、(干法)夹层玻璃的质量缺陷原因分析
    四、夹层玻璃的应用
第四章 综述建筑用安全玻璃的使用和发展趋势
  
第一章 安全玻璃的定义和分类
一、安全玻璃的定义
按照《建筑安全玻璃管理规定》的规定,安全玻璃是指符合现行国家标准的钢化玻璃、夹层玻璃及由钢化玻璃或夹层玻璃组合加工而成的其他玻璃制品,如安全中空玻璃,为安全玻璃。不包括采用特殊成分而具有特殊防护功能的玻璃,如防X射线的铅玻璃。英文翻译为Safety   glass
安全玻璃不同于安防玻璃,安防玻璃具有主动防范,保护人体免受伤害等,破坏形态不同于普通安全玻璃,如防火玻璃、防弹玻璃、防砸玻璃、防爆炸玻璃等。英文翻译为security glass
   
    本文主要介绍钢化玻璃和夹层玻璃的生产控制、选择使用。  
   
  
 
二、安全玻璃的分类
1、钢化玻璃
    物理钢化
抗弯强度是普通退火玻璃的4-5倍
碎片呈颗粒状,无尖角。
   化学钢化
强度虽高,但破碎后具有锐利尖角,易造成伤害,不作为安全玻璃使用。
2、夹层玻璃
根据用途可分为交通工具用(汽车、火车、船舶、飞机)和建筑用安全玻璃。

第二章 钢化玻璃的生产工艺要求和选择使用

一、钢化玻璃的工艺流程
二、生产过程的工艺要求
1   切割、磨边(钻孔)、清洗干燥等预处理工序
1.1  检查玻璃规格、尺寸
1.2 根据需切割玻璃的厚度,调节切割刀轮角度、切割压力。
1.3  根据需切割玻璃的厚度及磨边要求,选用合适的磨轮(如:U型、V型等),并调节合适的磨轮压力、磨轮转速(钻管压力、转速)。
1.4  检查玻璃切割、磨边(钻孔)后玻璃表面外观质量。
2    印刷、烘干工序
2.1  印刷室应为封闭状态以保证清洁,作业人员进入须换上防尘衣服及鞋,非作业人员不得进入印刷室,环境温度控制在18~25℃为宜,湿度控制在50~70%为宜。
2.2  釉料使用时应注意环保,清洗网版上残留釉料时不允许随意排放废水。
2.3 丝网印刷
2.3.1网版制作应测量其张力,须符合张力要求。
2.3.2印刷前应充分搅拌釉料,搅拌30分钟以上为宜,调节粘度至达到印刷要求,搅拌完后须静置15分钟以上,使搅拌时残存在釉料里的气泡排出。
2.3.3印刷前应检查玻璃表面清洁程度。
2.3.4印刷前确认玻璃空气面与锡面。
2.3.5印刷时调节网版离玻璃高度及刮板压力,保证釉料印刷厚度及外观质量。
3、辊印
3.1 印刷前应检查玻璃表面清洁程度。
3.2 印刷前确认玻璃空气面与锡面。
3.3 印刷时调节辊离玻璃高度及辊的压力,保证釉料印刷厚度及外观质量。
4、烘干
4.1  印刷后玻璃宜采用红外烘干方式烘干,烘干机温度设置60~160℃。
4.2  烘干后检查釉料是否干燥,检验玻璃表面质量及印刷质量。
4.3 印刷后收片堆放玻璃时应避免划伤玻璃或破坏印刷釉料。
5 钢化工序
5.1 根据玻璃颜色、厚度、尺寸规格及镀膜玻璃的膜层特性设置钢化炉工艺参数,如加热温度、加热时间、风栅间距、钢化风栅风压、钢化吹风时间及冷却吹风时间。
5.2 定期对钢化炉陶瓷辊表面进行清洁处理,保证玻璃外观质量。
5.3 进炉前检查玻璃表面外观质量,镀膜玻璃进炉前还须检查膜面质量,压花玻璃进炉前还须检查表面花纹质量。
5.4 Low-E玻璃钢化宜采用强制对流钢化炉进行钢化。
5.5 检查玻璃钢化后表面外观质量,镀膜玻璃还须检查钢化后膜面质量。
5.6 检验钢化后玻璃弯曲弧度/平整度、波形度。
5.7 按检验频次要求冲击玻璃,检验玻璃碎片状态及抗冲击强度。
三、特殊类钢化玻璃生产过程中的质量控制关键点
1  Low-E钢化玻璃生产过程中的质量控制
(1)Low-E玻璃按生产工艺分为在线镀膜离线镀膜 两种。
在线Low-E玻璃膜层牢固、耐久性好,可钢化和单片使用;
离线Low-E玻璃为软镀膜,膜层牢固度、耐久性及热加工性能(可钢化性)差,易氧化,不可单独使用,必须加工成中空玻璃以保护膜层免于受损。
(2)Low-E玻璃的储存
离线 Low-E玻璃的储存期一般为8个月,已开箱并重新封箱的包装,可储存2个月,经预处理后的Low-E玻璃原片在合成中空前的时间最长为2天。
在线Low-E玻璃因具有稳定的理化性能,可像普通浮法玻璃一样储存。
手工搬运时必须佩戴无纺布手套;
    吸盘避免与Low-E玻璃膜面接触;
(3)离线Low-E玻璃的预处理
离线Low-E从切割到钢化处理之间最好保证在8小时内完成;
切割时最好采用无油切割,使用切割油时必须使用易挥发的切割油;使用切割油时,磨边结束后须立即清洗,防止切割油和磨边残余粉末留在玻璃表面;
离线Low-E磨边时,膜面向上,同时需考虑上皮带的硬度不至于对膜面造成影响;
清洗机的毛刷要求:
鬃毛厚度(直径):0.15-0.25㎜(软质)
毛刷直径:大约200㎜
鬃毛长度:20-40㎜
鬃毛材料:聚酰胺(尼龙)
清洗用水的要求:
电导率≤20us /cm
清洗后的离线Low-E玻璃最好在4小时内完成钢化,防止玻璃表面残余的水份对膜面造成影响;
(4)离线Low-E玻璃的钢化处理
强制对流炉是Low-E玻璃钢化的最好选择。
     Low-E玻璃的特点就是表面辐射率低,导致加热困难。
传统的辐射炉只能钢化在线Low-E玻璃,且普通玻璃的加热时间约为40S/mm,而Low-E玻璃的加热时间大约是65~75S/mm,而且炉内还必须有热平衡装置。这就带来三个方面的问题:
A 玻璃在炉内加热时间长,软化状态下的玻璃易出现辊道印,平整度下降,导致影响到后续的加工成夹胶玻璃和中空玻璃的性能;
B 膜面长时间加热会影响膜层的性能;
C 热平衡装置导致热效率降低,能耗增加。
    普通玻璃表面辐射率约为0.84~0.94,辐射加热较为有效,而Low-E玻璃的表面辐射率仅为0.03~0.25,对辐射热的吸收很差,这是导致Low-E玻璃加热时间长的原因,所以我们必须改变传热方式,热传导方式显然也是很难有所作为,唯一的选择就是利用对流传热。
 
2 压花钢化玻璃生产过程中的质量控制
2.1压花玻璃的特点:
  一面或二面是花纹面。花纹有时存在比较尖锐的角、棱。
因花纹导致玻璃厚度的不均匀、连续变化(厚薄差最大可达到2mm)。
 
 
2.2压花钢化玻璃生产过程中的注意点:
2.2.1 钢化的加热时间、加热温度以厚度最大点为准,由于表面有尖锐的角或棱存在,钢化温度一般要比浮法玻璃高2%~ 5%;
2.2.2 某些花纹的压花玻璃钢化成品率很低,如“网纹”、“水晶”压花玻璃钢化成品率仅80%左右;“钻石”压花玻璃的钢化成品率不足50%;
2.2.3 注意选择优质的压花玻璃,过多的掺加碎玻璃制成的压花玻璃原片会进一步降低钢化时的成品率。
2.3压花钢化玻璃的生产过程中的重点控制项目
普通压花玻璃在钢化时的工艺与浮法玻璃的钢化工艺基本相同,主要控制二个性能:   
     碎片状态(容易出现长条状碎片)和落球冲击性能(钢化后冲击较为平整的一面)
     制作压花彩釉钢化玻璃时,因本身普通压花钢化玻璃的耐冲击强度不高,再通过施釉进一步降低了压花玻璃表面形成的压应力,这种玻璃通过落球冲击性能试验的可能性很小。
     建议使用低温油墨,在钢化后进行涂色,但耐候性存在问题。
3、彩釉钢化玻璃生产过程中的质量控制
施釉的方式有很多种,这里主要介绍常见的丝印、辊印工艺制成的彩釉钢化玻璃生产过程中外观质量缺陷的质量控制。
    主要存在的是外观质量缺陷:
             漏光
                线毛、疵点
                   开裂
3.1漏光
釉料中存在的气泡是漏光的主要原因之一,釉料中的气泡可能因为下述原因出现:
    A.运输过程中出现的气泡,可以通过静置的方式予以消除;
    B.温度变化也可能导致气泡的出现,这时需要加入3%wt左右的除泡剂方可消除;
    C.避免使用过期釉料。
    丝印网版如不及时清洗,导致网版的堵塞,也可能引起漏光。
3.2线毛、疵点
线毛、疵点,可能导致的原因:
                          A.玻璃版面不清洁;
                          B.操作环境游离粉尘量大;
                          C.操作环境温湿度不合理。
解决的办法:
A.丝印、辊印前端加装清洗机;
B.操作环境进行洁净度控制,至少10万级;
C.操作环境对温度、湿度进行控制,温度20℃~30℃,湿度50%以上;
D.有条件,可以在玻璃进入丝印、辊印工序前进行除静电处理。
3.3开裂
这里指釉料层在进行物理钢化时,表面发生的龟裂,可能导致的原因
A.釉料烘干不足;
B.釉料层厚度超标。
解决的办法:
A.烘干彻底;
B.控制釉料用量:
      仿蒙砂类半透明釉料用量一般在70g/㎡左右;
 普通颜色釉料在100g/㎡左右;
      辊印时可以适当加大釉料用量,为提高遮蔽度,最高用量不宜超过150g/㎡。
 
4 淋浴房用钢化玻璃生产过程中的质量控制
4.1淋浴房用弯钢化玻璃的特点:
多孔、孔径要求高
                  弯弧半径要求高
                       拼装性能要求
                            多数要求使用釉面钢化玻璃
4.2 多孔、孔径要求高
淋浴房生产厂家对玻璃的孔部要求,往往不符合QB 2584-2007《淋浴房》和 GB15763.2《建筑用安全玻璃 第2部分 钢化玻璃》的要求,给淋浴房玻璃的生产和使用带来隐患。
     为适应客户的要求,同时兼顾到玻璃的特性,需要调整钢化工艺:
     A.孔边到玻璃边或另一个孔边的距离必须达到玻璃厚度的1倍,    可以通过多加2~5%的加热时间予以解决;
     B.由于淋浴房类玻璃的厚度一般不超过8mm,孔径偏差可以控制在±0.5mm之内,孔位偏差控制在(0,-1)mm。
4.3 弯弧半径要求高
淋浴房玻璃需要与其他部件组合,其弧度半径的要求比较高,但其弧长一般在700mm以下,所以其吻合度的偏差可以控制在±1.5mm之内;直边度小于30mm。

4.4 拼装性能要求
淋浴房所使用两片弯玻璃需要有对边拼缝要求,要求翘角不超2mm,直线边弯曲度不超过0.2%,这对弯钢化炉的进炉位置的准确性和弯钢化成型辊的转动同步性提出了更高的要求。
4.5 使用釉面钢化玻璃制成的淋浴房用钢化玻璃
目前JC/T1006-2006《釉面钢化及釉面半钢化玻璃》标准对于外观质量的检测要求是:
 建筑用玻璃的观察距离为3m,
 建筑以外用里的观察距离为2m,
但淋浴房在使用时的观察距离往往不足1m,很多缺陷没有写入标准,还应注意如下几点:
  A.刮板印(适用于丝印工艺)
 B.网纹印(适用于丝印工艺)
 C.斑纹
 D.锯齿印
缺陷名称
说明
建筑以外用
建筑用
漏 光 点
直径≤0.5mm
不允许集中
0.5mm<直径≤1.2mm
中部2×S个,但任意两漏光点之间的距离大于300mm;
中部4×S个;边部 :8×S个
边部 :4×S个
小于0.5㎡由供需双方商定
1.2mm<直径≤2.5mm
不允许
中部2×S个,边部 :4×S个
直径>2.5mm
不允许
不允许
 纹
釉层上深浅不均的条纹印痕
600mm处背光观察不可见
2000 mm处背光观察不可见
涂层划伤
宽度≤0.1mm
长度≤30mm 3×S条
长度≤50mm 4×S条
小于0.5㎡由供需双方商定
0.1mm<宽度≤0.5mm
不允许
长度≤30mm 1×S条
宽度>0.5mm
不允许
不允许
 差
目视观察
2000mm处无明显差异
3000mm处无明显差异
图案完整性
图案有欠缺
600 mm处不可见
2000 mm处不可见
   
直径<1.2mm
不允许集中
1.2mm≤直径≤2.5mm
中部:3×S个; 边部:5×S个 ;
不允许集中
小于0.5㎡由供需双方商定
2.5mm<直径≤4.0mm
中部:1×S个; 边部:3×S个 ;
中部:3×S个; 边部:8×S个 ;
小于0.5㎡由供需双方商定
直径>4.0mm
中部1×S个; 边部 : 3×S个
中部不允许
不允许
5  建筑钢化中空玻璃的光学缺陷
中空玻璃经常出现的光学缺陷有:
            重影
               反射光变形
                  牛顿环
                     布鲁斯特阴影
                          色差
重影
反射光变形
产生原因:反射光的变形主要是玻璃的不平整造成的。导致玻璃的不平整,原因有很多:
1)卧式打胶导致的玻璃内凹。目前大部分企业均采用卧式打胶的方式制作中空玻璃;为便于手工打胶时玻璃的旋转,往往打胶台的尺寸比玻璃的尺寸小得多,由于玻璃的自重,造成了构成中空玻璃两层侧玻璃的内凹现象。
2)钢化玻璃自身存在的变形。玻璃在钢化加工过程中,由于加热和冷却引起的玻璃变形,GB15763.2-2005标准中规定值为不超过0.3%。
3)腔内外气压差引起的变形。导致中空玻璃腔内外的气压差的原因包括:①中空玻璃的生产地与使用地海拔不同;②温度变化导致的中空腔内气体的热胀冷缩而引起的气压差;③风压引起的气压差。
4)安装槽的翘曲引起的变形。
 
反射光变形
卧式打胶导致的玻璃内凹引起的反射光变形
根据实际生产过程中的经验估算,当使用钢化玻璃作为支撑面时(与打胶台接触的面),一般中空玻璃板面不得大于2000mm×1000mm;当使用普通平板玻璃作为支撑面时,中空玻璃板面不宜大于1500mm×1000mm,否则出现的内凹现象将影响到视觉效果。
钢化玻璃存在的翘曲,是不可避免的,我们只有通过控制好钢化质量,降低玻璃的弯曲度,可以减弱由此而引起的反射光变形,但实际上并不可完全消除。
腔内外气压差引起的反射光变形
因地域海拔不同引起的玻璃内外气压差,可通过呼吸管、毛细管、压力平衡系统来降低由此而引起的反射光变形现象;实际使用中,我们应尽量避免中空玻璃的生产地和使用地出现500m以上的海拔差。
同时风压的影响也会使外面的玻璃向内凹,产生反射光变形。
中空玻璃腔内的气体,因每天的温度变化时,会产生热胀冷缩,根据计算,温度每升高1℃,中空腔约鼓出0.1mm 。
牛顿环和布鲁斯特阴影
牛顿环和布鲁斯特阴影都是一种干涉纹。
牛顿环是在两片玻璃相接触时出现的干涉纹,并且比布鲁斯特环更容易被看见。玻璃间其实是被一薄层空气隔开,空气层的非常细小的变化可能导致产生直线形、环形或象地图等高线一样有些不规则的干涉纹。
改变观察角度可以使干涉纹轻微移动,而且亮度和颜色可能随着改变。最常见的是彩虹一样的颜色,不过可能有点暗淡,如轻压玻璃,空气间隙会更薄,同时干涉纹会更加多彩,面积更大,条纹分的更开。空气膜越厚,条纹会越窄,越相互贴近,并且色彩上更倾向于暗淡。
在中空玻璃上,如果空气层缩到两片玻璃在中部接触,牛顿环可能变得清晰。
如果干涉纹在中空玻璃上,同时两片玻璃没接触,我们通常将这种现象称为布鲁斯特环。
牛顿环
当中空玻璃由于制造或环境原因,其两块玻璃在中心部相接触或接近时,会出现一些列由于光干涉产生的同心圆环,空气层的非常细小的变化可能导致产生直线形、环形或象地图等高线一样有些不规则的干涉纹,这种现象称为牛顿环。
产生的原因及解决方案在前面谈到反射光变形时已有所提及,包括降低玻璃的弯曲度、避免中空玻璃的生产地和使用地出现500m以上的海拔差、防止安装时框架结构引起的玻璃翘曲、避免大版面卧式打胶等等。
同时我们还必须注意,因幕墙设计人员为降低成本而降低中空玻璃的配置,就会更容易出现上述现象,因此为防止牛顿环的出现,在使用5mm、6mm等薄的钢化玻璃合成中空玻璃时,还必须增加中空玻璃腔的厚度。
布鲁斯特阴影
在中空玻璃表面几乎完全平行,玻璃表面质量高时,中空玻璃表面由于光的干涉出现布鲁斯特阴影。这些阴影是直线的,颜色不同,这种现象并不是缺陷,是中空玻璃特有结构所造成的。可以通过以下办法消除或减弱这一现象:
1. 使用两块不同上片位的钢化玻璃。
2.利用不同厚度的玻璃合成中空可以消除。
 
色差
中空玻璃存在色差,可以分为两类,一类是同一片玻璃出现的色差,另一类是不同玻璃片之间存在的色差。
同一片玻璃中出现的色差,可能是:
1.在使用经过物理钢化后的玻璃制作中空玻璃时,因钢化玻璃本身产生的双折射现象,导致出现的颜色变化;这种现象是物理现象,无法彻底解决;
2.因使用镀膜玻璃进行物理钢化时,膜层变化而出现的色差。
不同玻璃片之间出现的色差,往往是因为幕墙玻璃设计人员在设计时为节约成本,小版面的玻璃不采用钢化制品,大版面的玻璃采用钢化制品。最终导致镀膜玻璃因钢化前后存在色差,而导致使用时,相邻的玻璃之间存在色差,这是设计的问题,并非中空玻璃的缺陷。
 
四、钢化玻璃生产与使用中应注意的问题
1、钢化玻璃生产过程中的自爆
在广义上,钢化玻璃自爆一般定义为钢化玻璃在无直接外力作用下发生自动炸裂的现象。
实际上,钢化加工过程中的自动爆裂与储存、运输、使用过程中的自爆是两个完全不同的概念,二者不可混淆。
前者一般由玻璃中的砂粒、气泡等夹杂物及冷加工时造成的缺口、刮伤、爆边和钢化不合理等工艺缺陷引起的。
后者则主要由玻璃中硫化镍(NiS)相变引起的张应力过高所导致。两者都会引起严重的质量问题及社会关注,所以自爆应根据实际情况区分。
对于玻璃在加工过程中炸裂,应采取以下措施
选用优质的玻璃原片 玻璃原片对于钢化玻璃成品质量的玻璃在炉内炸裂是至关重要的。若玻璃内含有气泡、结石、冷裂纹以及表面划伤过重都会使用在热处理过程中产生应力集中,从而容易破裂。但是,浮法玻璃生产线不稳定时也可能出现上述缺陷,应该认真做好每片原片玻璃的质检工作。
注意预处理方式 切割玻璃时应选用正确角度的刀轮和施加压力,使玻璃切面的上部裂纹带很窄,而下部的镜面较宽,从而获得良好切口,减少边部裂纹。玻璃切割后边部都会存在微裂纹,钢化前尽量使用抛光边或精磨边,减少玻璃微裂纹的存在和对后期使用的影响。角部尽量选用圆形角,减少钢化过程中的应力集中。一般厚度≥8mm的玻璃要求进行精磨边,厚度≤6mm的玻璃可以用湿砂带磨边机磨边。
对于玻璃在加工过程中炸裂,应采取以下措施
合理设置炉温 从玻璃受热及内应力变化分析来看,温度的剧烈变化是引起玻璃炉内炸裂是主要的外部因素。温度越高,玻璃厚度方向上温度梯度越大,内应力越大,玻璃炸裂概率越高。12mm、15mm、19mm厚的玻璃危险性更大。因此,在钢化温度范围内不宜采用过高的温度。
合理设置输送速度 当玻璃从上片台输入钢化炉时,玻璃前端先进入炉内受热膨胀,而处于炉外的玻璃后端较冷。在冷热交界处平面方向上产生的温度差,使冷端产生张应力,热端产生压应力。输送速度越快,这种温差越小。但是,如果加快输送速度,玻璃迅速处于高温之中,受热冲击增大,即在厚度方向上的温度梯度相对增大,玻璃炉内炸裂概率随之增大。因此,在实际生产中就要权衡利弊,然后选择合理输送速度。较厚的玻璃宜用慢的速度。
 
2、钢化玻璃使用过程中的自爆
钢化玻璃在生产之后的搬运、储存、安装和使用过程中,有少量产品会突然破裂。自爆可发生在工厂库房中及出厂后若干年之内。不时见到有关玻璃台板、淋浴房、工矿灯具玻璃、烤炉门玻璃、玻璃幕墙等钢化玻璃制品自爆的报道。
钢化玻璃的自爆机理缘于硫化镍杂质,是由Banellanty于1961年首次提出的,此后,许多分析钢化玻璃自爆的报道开始发表,由这些杂质引起的半钢化玻璃的自爆也监测到了。
(见《建筑玻璃与工业玻璃》2001年第四期本人译校的《避免钢化及半钢化玻璃自爆的快速可靠的均热试验》)。
澳大利亚研究人员对8幢建筑幕墙进行长达12年的跟踪研究,在共计17760块钢化玻璃中,共发生306例自爆,自爆率为1.72%。长期以来,一直有人对这种现象进行研究,目前,对这种现象已有如下一些解释。
(1) 钢化玻璃自爆的主要原因
玻璃内部存在硫化镍结石是造成钢化玻璃自爆的主要原因。这种观点是目前国际上对钢化玻璃自爆最主要的解释,也是一个可以通过观察现象、理论分析和试验验证的观点。在有的国际(家)标准、企业标准中提到的“钢化玻璃自爆”(spontaneous breakage of tempered glass)实际上指的就是这种因玻璃内部存在着微小的硫化镍结石,导致钢化玻璃自发破碎的现象。通过一些统计调查,大多数钢化玻璃自爆现象就是这种原因造成的。
硫来源于配合料中及燃料中的含硫成份。1000 ℃以上时,硫化镍以液滴形式存在于熔融玻璃中 ,这些小液滴的固化温度为797℃。1g硫化镍就能生成约1000个直径为0.15mm的小结石 。
NiS是一种晶体,存在两种晶相:高温相α-NiS和低温相β-NiS,相变温度为379℃。
玻璃在钢化炉内加热时,因加热温度远高于相变温度,NiS全部转变为α相。然而在随后的淬冷过程中,α-NiS来不及全部转变为β-NiS,有一部分α-NiS被冻结在钢化玻璃进入室温状态中。但在室温环境下,α-NiS是不稳定的,有逐渐转变为β-NiS的趋势。这种转变伴随着约2% ~4%的体积膨胀,使玻璃承受巨大的相变张应力。若结石恰好存在于钢化玻璃的张应力区(玻璃板厚度方向的中部),则这种相变过程往往会导致钢化玻璃突然破碎,即通常所说的钢化玻璃“自爆”。(见图)
玻璃碎片呈放射状分布,一般可以根据碎片的形状找到玻璃破碎的起始点,破碎起始点的碎片呈“蝴蝶斑”状,从厚度方向往往可以看到一个小的黑粒,这就是位于两块“蝴蝶斑”的界面上的NiS结石。右图是从自爆后玻璃碎片中提取的NiS结石的扫描电镜照片,其表面起伏不平、非常粗糙。
NiS导致的玻璃自爆
 
 
 
钢化玻璃自爆后的碎片图形(左图)                   NiS晶体的扫描电镜照片(右图)
 
需要说明的是,有些研究认为并非所有的 NiS结石都会引起钢化玻璃的自爆,引起自爆的结石临界直径一般为0.04~0.65mm之间,且临界直径值取决于结石周围的玻璃应力值。
    左图:通过用扫描电镜对钢化玻璃自爆后的250例杂质进行测量,以20µm 作为分段, NiS平均直径为200µm.
右图:250个NiS 杂质分布在玻璃表层的相对位置图表(“0”表示在玻璃表层,“1”表示在玻璃中央层,以0.04作为一个单位。)
 
硫化镍临界直径
应用断裂力学的研究方法,推导出下述公式,可计算引起自爆的NiS的临界直径 Dc
   Dc=( πK21c ) / (3.55 Po0.5σo1.5 )   
   临界直径Dc值取决于NiS周围的玻璃应力值σ0 。 式中应力强度因子K1c=0.76 m0.5 Mpa,度量相变及热膨胀的因子P0= 615 Mpa.
钢化程度实质上可归结于玻璃内应力的大小。Jacob给出了玻璃表面压应力值与50 x 50 mm范围内碎片颗粒数之间的对应关糸(下图) (Jacob, L. Paper presented at GM/Tenestration World, Columbus OH, Oct 25-27, 1995 ) 。
板芯张应力在数值上等于表面压应力值的一半。美国ASTM C1048标准规定:钢化玻璃的表面应力范围为大于69Mpa、热增强玻璃为24—52 Mpa。 我国钢化玻璃标准则规定应力范围为: 钢化玻璃 90 Mpa以上、半钢化24—60 Mpa。
    计算得到不同钢化程度玻璃的NiS临界直径Dc如下表:
    表:玻璃的应力范围及计算的相应硫化镍结石的临界直径
显然,应力越大,临界直径就越小,能引起自爆的NiS颗粒也 就越多,自爆率相应就越高。
 
热增强玻璃ASTM C1048
全钢化玻璃 ASTM C 1048
板芯应力Mpa
12
20
26
35
40
50
60
70
临界直径Dc(µm)
496
230
155
99
81
58
44
35
钢化均匀度
钢化均匀度是指同一块玻璃不同区域的应力一致性,可测定由同一块玻璃平面各部分的加热温度及冷却强度不一致产生的平面应力(area stress),这种应力叠加在厚度应力上,使一些区域的实际板芯张应力上升,引起临界直径Dc值下降,最终导致自爆率增加。以下是用SM-100型应力仪测定的平面应力数值σ0 及计算出的考虑平面应力因素后的临界直径Dc值(与表面应力使用同一批样品)。
国产钢化炉玻璃平面应力值及临界直径值
样品
#1
#2
#3
#4
#5
批次
σ0 (Mpa)
Dc
(µm)
σ0 (Mpa)
Dc
(µm)
σ0 (Mpa)
Dc
(µm)
σ0
 (Mpa)
Dc
(µm)
σ0
(Mpa)
Dc
(µm)
第一批次
9.6
51
8.5
59
10.6
52
9.9
48
10.9
39
第二批次
8.9
52
9.2
49
10.8
39
10.2
45
11.3
36
 
进口钢化炉玻璃平面应力值及临界直径值
样品
#1
#2
#3
#4
#5
批次
σ0 (Mpa)
Dc
(µm)
σ0 (Mpa)
Dc
(µm)
σ0 (Mpa)
Dc
(µm)
σ0
 (Mpa)
Dc
(µm)
σ0
(Mpa)
Dc
(µm)
第一批次
4.8
48
4.9
48
4.9
48
4.6
48
4.5
49
第二批次
5.1
51
4.9
51
4.7
52
4.6
52
4.6
52
上表的数据说明,钢化不均匀产生的平面应力叠加在钢化应力上,使最小临界直径分别从47µm和55µm下降到36µm和48µm。
2)如何解决钢化玻璃的自爆
一般情况下,由于原片玻璃中或多或少都会有硫化镍结石存在,因此,钢化玻璃总有一定的自爆可能性。为了降低钢化玻璃自爆概率,其一可以通过控制玻璃原片质量来实现,通过采购优质玻璃原片,并在钢化工序前的每道工序对玻璃半成品进行严格检验和选择,尽量使含有硫化镍结石的玻璃不进行钢化处理,从而降低钢化玻璃成品的自爆。
第二是将钢化应力应控制在适当的范围内,这样既可保证钢化碎片颗粒度满足有关标准,也能避免高应力引起的不必要自爆风险。平面应力(钢化均匀度)也应越小越好,不仅减小自爆风险,而且提高钢化玻璃的平整度。
第三,在钢化玻璃出厂或正式使用前,将钢化玻璃再次加热到290℃左右并保温一定时间,使硫化镍在玻璃出厂前完成晶相转变,让今后可能自爆的玻璃在工厂内提前破碎,而未破碎的钢化玻璃自爆率可以大大降低。这种钢化后再次热处理的方法,国外称作“Heat Soak Test”,简称HST。我国通常将其译成“均质处理”,俗称“引爆处理”。
 
钢化玻璃的二次热处理过程应分为三个阶段
升温
                                    保温
                                        降温
升温阶段为最后一块玻璃的表面温度从室温升到280℃的过程;
保温阶段为所有玻璃的表面温度均达到290℃±10℃,且至少保持2h的过程;
降温阶段是从玻璃完成保温阶段后,温度降到75℃的过程。
整个二次热处理过程应避免炉膛温度超过320℃、玻璃表面温度超过300℃,否则玻璃的钢化应力会由于过热而松弛,从而影响其安全性。
国外有文献报道,严格按工艺制度进行二次热处理过的钢化玻璃自爆率可由0.3%降至0.01%。
3、钢化玻璃的应力斑
在偏振光或部分偏振光入射的情况下,以一定的距离和角度观察钢化玻璃∕半钢化玻璃时,在玻璃表面常常会看到一些的斑纹,这些斑纹在玻璃板面上不同区域的颜色和明暗度的图案变化似有规律,这种斑纹即我们通常所说的“应力斑”。
由于加热和冷却过程不均匀,在玻璃板面上产生了不同的应力分布,在偏振光照射下就出现了应力斑这种特有的光学现象。
应力斑现象可以用光弹原理进行解释:当一束偏振光通过钢化玻璃时,由于玻璃内部存在着“冻结”应力(钢化反应),这束光会分解为两束传播速度不一样的偏振光,即快光和慢光,又称双折射现象。这两束光存在着相位差,当它们在某点相交时,在这点上会产生干涉现象,如果两束光振幅方向相同,光强加强,产生亮视场,即亮斑;如果两束光光振幅方向相反,光强减弱,产生暗视场,即暗斑,整个视场就出现了明暗相间的条纹或斑纹。
在实际应用中,对于建筑物的不同朝向部位,尤其是在背光或者阳光无法直接照射的一侧,照射到玻璃(钢化或半钢化玻璃)表面的光线主要是阳光通过了云层、地面或对面建筑物表面的反射或建筑物本身表面的多次反射后的反射光,这种光线主要是部分偏振光。在这种光线条件下就十分容易看到应力斑纹。
由于自然光中各段光谱波长一样,在钢化玻璃中传播速度、折射角度也都不一样,对于一些钢化度过高的玻璃或较厚玻璃的某部位如边缘上等处常常会看到彩色应力斑纹;如果使用偏振光眼镜或以与玻璃的垂直方向成较大的角度云观察钢化玻璃,钢化玻璃的应力斑会更加明显。
目前世界上还没有国家的标准对这种现象加以规定或限制,对于以风为冷却介质的物理钢化玻璃,通过适当的工艺控制和设备改造,可以减轻这种现象但不能完全消除。
4、钢化玻璃的选择应用
根据JGJ113-2009:部分钢化玻璃的最大许用面积
公称厚度/mm
最大许用面积/㎡
公称厚度/mm
最大许用面积/㎡
4
2.0
8
6.0
5
3.0
10
8.0
6
4.0
12
9.0
1) 普通窗
2) 有框及无框门 按照有关建筑玻璃应用规范,大多数有框及无框门都可以使用钢化玻璃,并且必须在玻璃上作出醒目的标志表明它的存在。根据JGJ113-2009的规定 ,活动门、固定门和落地窗玻璃的用于无框门的玻璃厚度不应小于12mm。
3) 幕墙   用于框支承玻璃幕墙的单片玻璃厚度不得小于5mm;采用浮头式连接件的点支承玻璃幕墙用的单片玻璃厚度不得小于6mm,采用沉头式连接件的点支承玻璃幕墙用的单片玻璃厚度不得小于8mm。
4) 隔断   在人群集中的公共场所和运动场所中的隔断可以使用钢化玻璃。一般情况下,用于有框隔断玻璃厚度不得小于5mm;用于无框隔断的玻璃厚度不得小于10mm。
5)浴室用玻璃及其他卫浴玻璃 由于这些场合的玻璃必须具有一定的耐热冲击性,即耐温度变化性。因此,这些场合也比较适合使用钢化玻璃。浴室用玻璃包括淋浴隔断、浴缸隔断、门(无框、有框)等部位,卫浴玻璃包括台盆面板及其支撑等。通常情况下,除门以外的所有无框玻璃采用的钢化玻璃公称厚度不得小于5mm;
6)室内栏板玻璃 不承受水平荷载的栏板玻璃采用的钢化玻璃公称厚度不得小于5mm,室内栏板玻璃承受水平荷载的栏板玻璃采用的钢化玻璃公称厚度不得小于12mm。
5、钢化玻璃应用的限制
由于钢化玻璃破碎后会形成很小的颗粒,可以减少玻璃碎片对人体的伤害。但钢化玻璃破碎后无法保持原来的形态,这种特性也限制了钢化玻璃在建筑物上的很多应用。
1)屋面、顶棚、天窗 通常情况下这些部位不宜使用钢化玻璃。由于要考虑到积雪等载荷、维修人员可能的行走以及玻璃下面人员安全等多方面的因素,当屋面玻璃最高点离地面大于3m时,这些部位就不能使用钢化玻璃 .
2)地板 由于钢化玻璃破碎后无法保持原有形状,也没有任何强度,因此钢化玻璃不适宜做地板玻璃,特别是悬空的地板。
3)高层建筑物的栏杆、无框阳台 一般情况下,不承受水平荷载的栏杆采用的钢化玻璃厚度不得小于5mm,承受水平荷载的栏杆采用的钢化玻璃厚度不得小于12mm。但应用于高层建筑物上朝外的栏杆、无框阳台都不宜使用钢化玻璃。这是因为有时候钢化玻璃破碎后,某一部分的碎片并不会分离,而是保持原有形状,特别是厚玻璃,发生这种情况时会形成一块比较沉的碎玻璃块。当这种碎玻璃块从高空坠落,也会对地面的行人造成的很大危害,甚至出现伤亡事故。目前,国内已经多次发生这种情况,相关媒体也有一些报道。
第三章夹层玻璃的生产工艺要求和选择使用
一、夹层玻璃(干法)生产工艺流程见下图

中间层(pvb)检测水含率
铺展
上片
清洗干燥
合片
预热预压
高温高压处理
卸片
除膜
加热抽真空
检验
包装

二、生产过程控制
1、 预处理工序
1.1 清洗机最后一道清洗水必须使用去离子水清洗玻璃,去离子水的电导率必须小于20μs/cm。
2、 合片工序
2.1 合片室应具备10万等级以上的洁净度,相对湿度应控制20~30%、温度宜控制18~23℃。
2.2 PVB材料的含水率应控制在小于0.6%的范围内,满足使用要求。
2.3 合片操作工必须穿戴规定的工作衣、帽、鞋、手套等,保持合片室的洁净度。有专用的更衣室。
2.4 检查合片后玻璃与中间膜材料间的异物,控制玻璃间的叠差。
2.5 合片后的夹层玻璃中间层周边应有适当的预留量。
3    预热预压工序
3.1 辊压法
3.1.1 辊压设备应压力均匀,压辊间隙可调节,压辊压力应至少5bar,辊压机的辊道转速应能够调节。
3.1.2 加热应均匀,温度能够调节。
3.1.3 宜采用二道压辊加压制作工艺生产。
3. 2 真空法
3.2.1 选择合适的真空袋或真空环,确定抽气口的位置和数量,将合片 后的玻璃密封。
3.2.2 真空袋或真空环的真空度至少-0.08MPa。
3.2.3 预热室温度保持在110~150℃之间,摆放玻璃间隔应适当,便于加热。
压合工序
4.1高压釜内空气温度应控制在140±10℃,空气压力应控制在 1.2±0.2MPa。
三、干法夹层玻璃的质量缺陷原因分析
1)脱胶 脱胶是由于玻璃表面平整度差,边部或表面玻筋大,胶片厚薄不均,玻璃和胶片表面洗涤不干净,导致夹层中大量残留空气或水,玻璃和胶片之间粘接力差而造成的;
      或者是由于预压温度和压力太低,胶片不能均匀软化,玻璃和胶片粘接不牢;
      或者是经高压釜蒸压后冷却时温度变化过大造成的。
     解决方法是选用优质原片玻璃;玻璃和胶片要洗涤干净;预压温度适当,使玻璃均匀受热等。
2)气泡   夹层玻璃的气泡是常见的缺陷,产生的原因很多,应具体分 析。一般有中部气泡和边部密集小气泡。
   A、中部气泡   中部气泡的形成主要是排气不好造成的,具体原因可能是:
    玻璃或PVB厚薄不均、PVB褶皱;
    PVB胶片干燥处理未达到要求,在蒸压过程中,胶片内部的水分被蒸发,形成气体逸出;
    胶片干燥后未立即使用,在高湿度的条件下又吸入水分。
    冷抽时间过短,温度过高,真空度不够;
    热抽温度过高;高压时温度、压力太低,时间短;高压去压后,高温时间维持过长等。
   B、边部密集小气泡   主要是高压釜排气温度高、冷却温度过快造成。
    解决办法是选用优质原片玻璃;胶片中的水分要干燥到规定的范围,使用前在保持其干燥度的前提下使其温度逐渐下降去25℃左右;胶片干燥后不能放在湿度大的地方,适当控制预压温度和压力等。
四、 夹层玻璃的应用
1、建筑领域
1)在建筑物玻璃对人身安全最容易发生危害的地方使用  
     发达国家的建筑法规对建筑夹层玻璃的应用有明确的规定。我国夹层玻璃常使用于临街及附近有人行道的建筑物的窗户,公共建筑物的玻璃门窗,玻璃屏障,阳台的门窗,室内隔断玻璃,门窗两侧的玻璃隔断,地面、楼面的3m以上的玻璃,浴室玻璃,楼梯间窗玻璃及护板,大球类场馆,
    尤其值得提出予以特别重视的是:高层建筑的窗玻璃常采用夹层玻璃,因为它意外破碎后碎块不掉落,不会造成伤人,比钢化玻璃更安全。
2)在要求保安防范功能的建筑物及其构件上应用
    自然灾害和社会治安事件是危害城市建筑和人身安全的主要因素,火灾、台风以及恐怖、暴力等活动每年给社会造成巨大的财产损失和人身伤亡。因此,在要求保安防范功能的建筑物及其构件上应根据不同需要采用防弹玻璃、防暴力入侵玻璃、防盗玻璃、防火玻璃、防爆炸玻璃、防台风玻璃等夹层玻璃。
3)在要求控光、节能、降噪、美观的建筑物上应用
    用防紫外线夹层玻璃能滤掉99%的紫外线,减轻室内纤维物、丝织物、书画、古董及家具的褪色,用于博物馆、展览厅、图书馆、专业商场的窗玻璃。
    装饰夹层玻璃采用印有花纹的PVB膜,图案或膜中加有不透明的彩色着色剂,适合于装饰墙面、柱、护板、地板、天花板及坚固的隔墙。
    要求低噪声的建筑物如科研办公大楼、高级写字楼、学校、;图书馆、宾馆、音乐厅、影剧院、疗养院、医院,窗玻璃应采用夹层玻璃。本身有高噪声源的厂房如轧钢厂、纺织厂、锻压厂、气体分离厂、大型空压机站等的建筑物,以及附近办公大楼、写字楼及住宅的窗玻璃都应用夹层玻璃。
2、汽车领域
    弯夹层玻璃用来做汽车风挡玻璃,即使发生偶然事故,玻璃被撞碎,但碎片仍粘在PVB膜上,不会飞溅出来伤人;由于碎玻璃不掉落,而且碎片也较大,司机仍可透过玻璃获得足够的视野,汽车仍可继续行驶。防眩光夹层玻璃或有过渡色风挡玻璃,可防眩光。电热夹层风挡玻璃,可以通电去冰除霜,利于驾驶员观察外界。
3、航空领域
      飞机风挡玻璃广泛应用全无机复合夹层玻璃、有机无机复合夹层玻璃等。可以具有高强度、抗鸟撞、防雾、除霜、抗冰雹、防静电、抗辐射及防弹等性能。
4、其他领域
    一些厚夹层玻璃,能防水和承受较大的静压力,适用于大型水族展览柜、深水水工窥视窗、静压压强大的场所、高度真空室的窥视窗以及坦克、潜艇的窥视窗。
第四章 综述 建筑用安全玻璃的使用和发展趋势
n       安全玻璃的使用应包括设计、安装等均应根据相关法规的要求确定。
n       首先,设计者应该认清安全玻璃的不同破碎特点,根据玻璃版面大小、冲击后有无次生灾害发生、是否有其他功能要求多因素选择最合适的安全玻璃品种。
n       其次,安全玻璃应用不同的场所和部位要承受不同的荷载,在相应的荷载作用下应进行玻璃的强度和刚度计算,如按照JGJ102和JGJ113进行计算。
n       要考虑安全玻璃的可靠性问题。如安全玻璃在使用过程中常有些意外的事故发生,例如自动爆裂、强度和各种性能随使用时间而下降等。
n       安全性和功能性满足设计要求的同时,做到经济合理。
n       与其他建筑材料相比,玻璃具有透明和透光的特性,还具有稳定的物理、化学性能和良好的机械性能,在可预见的将来,还没有任何建筑材料可以取代玻璃。
n       安全玻璃和节能玻璃是建筑玻璃深加工的两个主要发展方向,随着人们安全和环保意识的提高,节能的建筑安全玻璃应用越来越多,节能安全玻璃包括安全中空玻璃、安全镀膜玻璃、安全镀膜中空玻璃等,这类产品将是建筑玻璃的主要发展趋势。

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