中空玻璃的节能和密封寿命

作者：联合太平洋有限公司 王铁华

欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 随着越来越多的人们认识到中空玻璃对节能具有显著的效果，中空玻璃在我国的应用也越来越多，方兴未艾。但是，与节能同样重要的是中空玻璃的密封寿命，人们却没有给予应有的认识。显然，不同的中空玻璃结构的节能效果和密封寿命的差别是很大的。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。密封寿命差(短)的中空玻璃，不但影响玻璃本身的可视性、也影响中空玻璃的节能效果。 本文旨在对中空玻璃的节能和密封寿命进行讨论，揭示二者的关系，并简介暖边技术和新近出现的相当于双道密封胶的反应型热融胶在中空玻璃中的应用。 影响中空玻璃节能的若干因素：窗户材料及设计；玻璃的选择如低辐射玻璃；暖边技术；惰性气体如氩气；空气层间隔距离。影响中空玻璃密封寿命的若干因素：中空玻璃胶的选择；中空玻璃的密封结构；间隔条如暖边技术；干燥剂；工作质量；质量控制。可见，影响中空玻璃节能效果和密封寿命的因素有许多。但归根到底，可以分为结构合理与否与人员的加工质量两大类。对好的结构而言，中空玻璃的密封寿命从理论上看，较之不好的结构来说，应该是长的；而不好的结构，无论人员的加工质量如何高，也很难提高中空玻璃的密封寿命。换句话说，人们很难将先天不足的设计结构做好，而内在结构好的设计人们没有理由得不到长的中空玻璃密封寿命。对不好的结构，人们不可能通过提高人员素质来提高密封寿命；而对好的结构，当出现密封寿命差的情况时，人们却可以通过提高人员的加工质量来达到目的。具体分析如下。 一、中空玻璃的节能 在其他条件不变的情况下，中空玻璃要素的配置直接影响中空玻璃的节能效果。主要配置要素为，玻璃、空气层内的气体、和空气层的间隔条。毋庸赘述，采用低辐射玻璃、充氩气和暖边隔条配置的中空玻璃的节能效果在同等条件下是最优的。很难想象，人们能将使用普通浮法白玻内充空气冷边间隔条的中空玻璃的节能效果提高到与前面配置的中空玻璃相同的节能效果。 二、中空玻璃的密封寿命 与中空玻璃的节能性相比，中空玻璃的密封寿命问题比较复杂。在其他条件不变下，影响中空玻璃密封结构的中空玻璃制作材料直接影响中空玻璃的密封寿命。主要制作材料包括：干燥剂，密封结构设计、密封胶和结构胶的选择、间隔条的选择。一般说来，好的设计应采用双道密封结构、适当的干燥剂(定义为不吸附空气层内气体但吸附空气层内的水汽和挥发性有机物)、低水汽透过率的密封胶、剪切剥离拉伸强度具佳的结构胶、和拐角连续无插角的间隔条。基于同样道理，在相同条件下，具备这种好设计的中空玻璃密封寿命会比不好设计的中空玻璃密封寿命要长。不难想象，将不具备这种良好设计的中空玻璃密封寿命提高到与具备良好设计的中空玻璃的密封寿命一样长，是不可能的。从极端情况来看，采用这种好设计的中空玻璃的密封寿命并没有达到预期的程度的情况发生了。但这种情况发生并不意味着设计本身出现问题，而一定是加工人员的加工质量出现了问题造成的。这种情况下，中空玻璃密封寿命的提高往往可以通过改善中空玻璃制作的人工质量和加强质量管理来实现。 从材料本身的热传导性能看，影响中空玻璃节能效果和密封寿命的因素可见表1。 但应该认识到，影响中空玻璃节能和密封寿命的各种因素不是截然孤立的。在实际应用中，影响二者的因素可能是共同的。比如说，影响中空玻璃密封寿命的因素会影响中空玻璃的节能效果。比如说，影响中空玻璃密封寿命的因素在中空玻璃密封失败后，会明显导致中空玻璃的节能效果的下降，见表2。 三、 中空玻璃密封失败的含义 中空玻璃使用时，如果出现下列任何一种情况，就可视其密封失败。它们是：空气层内结露(霜)、在风压、气候、和气压变化条件下中空玻璃不出现挠曲现象、中空玻璃的初始露点经过气候温度湿度变化后出现显著变化、中空玻璃空气层内的氩气保有率下降等等。 人们对中空玻璃的密封性能可以通过实验室的手段进行检测，现叙述如下。 初始露点/霜点通不过，表示中空玻璃空气层内残余的水分在-40℃条件下达到饱和；如果在较高的温度条件下中空玻璃也达到初始露点的话，则及有可能中空玻璃密封结构已经出现缝隙。此种情况多出现用复合式胶条制作的中空玻璃上。 真空箱试验通不过，表示中空玻璃的密封已有间隙，使得中空玻璃在真空状态下， 不发生外挠曲现象。此种情况多出现在人工质量差的情况下。 紫外线照射失败，在中空玻璃空气层内的玻璃内壁出现挥发有机表气体冷却后形成的油膜。表示中空玻璃内的干燥剂不能有效的吸附空气层内的挥发有机溶剂。此种情况易出现使用聚硫胶单道密封并使用3A或4A分子筛干燥剂制作的中空玻璃上。 高温高湿试验通失败，表示中空玻璃空气层内有水凝现象，导致的原因是中空玻璃胶密封胶没有有效地防止外来水分进入中空玻璃空气层内。此种情况易出现使用聚硫胶单道密封的中空玻璃上。 气候循环试验失败，表示中空玻璃空气层内有水凝现象，导致的原因是中空玻璃胶密封胶没有有效的防止外来水分进入中空玻璃空气层内。此种情况多出现在以复合式胶条制作的中空玻璃上。 以上五项检测内容为我国国家中空玻璃检测的强制性检测项目。此外，国外还有氩气保有率和P1检测两项内容。 氩气保有率检测，氩气保有率试验前后的明显变化表示中空玻璃的密封出现缝隙，导致试验后的露点升高。具体检测时采用的试验方法为上述的紫外线照射、高温高湿试验和气体循环试验。 P1检测，P1检测为检测中空玻璃密封寿命的一种加速老化试验。试验条件：高温60℃、连续的水喷淋和每平方厘米2500微瓦的紫外线照射。采用不同的中空玻璃(密封)结构，反映在密封寿命的差别是十分明显的。密封寿命短的中空玻璃多出现在采用单道密封结构的情况(包括单道密封的复合式胶条)。 中空玻璃的密封失败可能表现在上述7项内容的某一方面，也可能几个方面，也可能是全部。如紫外线照射的形成导致有机物挥发冷却后在空气层内玻璃内壁形成的油膜，即使中空玻璃的密封完好无缺，只要采用的干燥剂不匹配，也会出现。 中空玻璃密封失败直接表现在中空玻璃的空气层内形成冷凝现象；在密封失败出现微小间隙，空气层内的玻璃内壁因干燥剂达到饱和结露(温度大于摄氏零度)或结霜(温度小于摄氏零度)。随着时间的推移，中空玻璃空气层内的水越积越多，最终形成了“鱼缸”现象。 四、 提高中空玻璃密封寿命的经济意义 虽然中空玻璃窗较之普通的单层玻璃窗节能。但是，不同的中空玻璃结构对中空玻璃的节能性能和密封寿命来说影响极大。 从理论上看，我们可对以下几种情况分析。 1. 假定一组中空玻璃的节能性能相同，但其密封寿命因其结构不同而不同。此种情况下，中空玻璃的市场价格应该反映这种性能价格比。在其他条件不变的条件下，寿命长的中空玻璃市场售价应该高于密封寿命短的中空玻璃。 2. 假定一组中空玻璃的节能性能不同，但密封寿命因结构基本相同而相同。此种情况下，基于同样道理，中空玻璃的市场价格也应该反映这种性能价格比。 3. 假定一组中空玻璃彼此的节能性能不同、相应的密封寿命因结构不同而不同。对此种情况的分析会进一步得出以下几种情况。 (1)中空玻璃的节能性能长期差密封寿命低；此种情况下，中空玻璃的节能效果差从长期来看是必然的； (2)中空玻璃的节能性能长期高且密封寿命长；此种情况下，中空玻璃的节能效果高从长期看，是可以保持的； (3)中空玻璃的节能性能短期内高但密封寿命短；此种情况下，密封寿命短将最终导致节能效果降低； (4)中空玻璃的节能效果差且密封寿命短；此种情况下，中空玻璃的低节能效果会长期存在，不受密封寿命的影响。 下面我们用实际使用的中空玻璃来说明我们上述的分析。 1.假定一组中空玻璃都使用铝间隔条，除中空玻璃的密封结构不同之外其他条件不变。 (1)单道密封；单道密封又可按使用的胶不同而进一步分为：热融丁基胶、聚硫胶、硅酮胶、聚氨酯和聚异丁烯胶；(2)双道密封；双道密封又可按使用的胶不同而进一步分为：聚异丁烯胶/聚硫胶、聚异丁烯胶/聚氨酯、聚异丁烯胶/硅酮胶(铝框插角未做涂胶处理)、聚异丁烯胶/硅酮胶(铝框插角做涂胶处理)。 在上述两种结构中，虽然中空玻璃的热传导系数基本相同，但双道密封结构的中空玻璃密封寿命(最长40年)远远大于单道密封结构的中空玻璃密封寿命(最长8年)。显然，密封寿命短的中空玻璃将导致不同密封结构中空玻璃的节能性能的差别，见表3。 2、假定一组中空玻璃均采用相同的双道密封结构，除空气层间隔条的材质不同外其他条件不变，主要间隔条材质包括： (1)铝框(铝间隔条)(2)玻璃纤维间隔条；(3)U形金属间隔条；(4)实维高(Swiggle)和其他复合式胶条；(5)带有断桥的金属间隔条；(6)PVC间隔条；(7)超级间条。 3、假定一组中空玻璃的节能性能不同且各自的密封寿命也不同。导致中空玻璃之间节能性能不同的直接原因是间隔条的材质不同，其他条件不变。 间隔条的材质包括上述中的7种，密封结构是单道密封和双道密封两种。表3给出采用铝框、舒适胶条、和超级间隔条制作的中空玻璃在不同密封结构情况下的密封寿命情况。加速老化试验条件下中空玻璃密封寿命的P1试验，表3。 表3中的加速老化试验得出的密封寿命一周相当于中空玻璃在实际使用的一年。 毋庸赘述，不同材质的间隔条的热传导系数是不同的，而且与中空玻璃的密封寿命无直接因果关系。从表3可见，导致中空玻璃的密封寿命不同的原因与中空玻璃采用间隔条的材质相同与否无关，与密封结构和胶相同与否有关。此外，与此同样明显的是，当中空玻璃的密封失败后，中空玻璃的节能效果大幅度下降是必然的。 4、假定一组中空玻璃都使用复合式胶条(包括Swiggle Strip)，但除了它们的密封结构不同之外其他条件不变。 (1)单道密封。根据P1检测结果，使用该种密封结构的中空玻璃的密封寿命为两周相当于实际寿命两年；(2)双道密封。根据P1检测条件，双道密封的结构部分采用硅酮胶。检测结果为，使用该种结构的中空玻璃的密封寿命为25年以上。 目前，我国使用复合式胶条(含Swiggle)制作的中空玻璃基本上属于单道密封结构。如果表三中的检测结果正确的话，我们有充分理由对目前广泛使用这种结构的中空玻璃及其密封寿命担忧！ 提高中空玻璃密封寿命对中空玻璃的节能至关重要。密封寿命长的中空玻璃可以保证中空玻璃在其寿命期间起节能作用。密封失败的中空玻璃不能节能。密封是中空玻璃节能的前提。但密封寿命长的中空玻璃的性能需要合理的市场价格给予支持。只有市场价格能正确反应不同密封寿命的中空玻璃时，中空玻璃厂家才能有积极性设法提高中空玻璃的密封寿命。密封寿命长的中空玻璃能够给最终用户带来长期节能的好处，从而使最终用户用于中空玻璃的投资(不是消费！)能够较长时间内带来收益。虽然最终用户在密封寿命长的中空玻璃上的投资较密封寿命短的中空玻璃上的要大，但其投资回报率也大。对厂家来说，密封寿命长的中空玻璃不但经济效益较好，而且使厂家的产品更具有市场竞争力、使厂家免除不必要的市场售后服务，等等。 五、 超级间隔条 中空玻璃间隔条在中空玻璃结构、密封寿命和节能方面所具有的独特的作用。与中空玻璃其他配置要素(如玻璃、气体、胶和干燥剂)不同，中空玻璃间隔条是唯一即影响中空玻璃节能又影响中空玻璃密封寿命的中空玻璃材料。因此，我们有必要对此进行讨论。 1.中空玻璃间隔条 从中空玻璃的节能角度看，中空玻璃经过经历了从金属间隔条、舒适胶条和超级间隔条三个不同阶段。超级间隔条是1987年出现的新一代中空玻璃间隔条，具有节能和延长中空玻璃密封寿命的特点。 2.超级间隔条的节能 超级间隔条是100%的微孔结构不含任何金属的间隔条。 3.超级间隔条的密封寿命 决定超级间隔条密封寿命长的原因是该材料属于弹性材料、具有100%记忆、连续的间隔条、以及所采取双道密封结构。毋庸赘述，超级间隔条的节能性最好、舒适胶条(实维高)次之、金属间隔条最差。实维高胶条和超级间隔条属于暖边技术类，而金属条称为冷边技术。随着中空玻璃节能技术的普及，在北美中空玻璃行业经历了从冷边隔条占主导地位到暖边占主导地位的转变。1990年冷边技术为85%，暖边为15%，但到了1997年暖边技术上升到80%，同一时期冷边则下降到20%。 从中空玻璃的密封寿命角度看，双道密封技术要优越于单道密封。在这方面，使用实维高胶条的单道密封远远不如使用双道密封的金属间隔条制作的中空玻璃，也不如双道密封的实维高胶条制作的中空玻璃。于是，在传统框架下出现了一对矛盾：要么为了节能而不顾中空玻璃的密封寿命，要么为了密封寿命而不顾节能问题。显然在传统的技术里，这种鱼与熊掌的问题不可兼得。超级间隔条的出现第一次将节能与中空玻璃密封寿命的问题同时解决。 六、 单道密封、双道密封和反应型热融胶 中空玻璃胶在中空玻璃的密封寿命中起着举足轻重的作用。一般来说，双道密封结构优越于单道密封结构。但从使用便利和成本的角度看，单道密封工艺具有投资少、方便、加工成本低的优点。其二，其他条件不变情况下，中空玻璃的节能不受中空玻璃的结构影响。在这种背景下，人们呼唤一种同时具有双道密封和单道密封优点的新型中空玻璃胶的出现。反应型热融胶在这种背景下出现于1997-1998年。反应型热融胶的工作原理是以热融胶本身作为基胶，以环境和着胶体基材中的水汽为催化剂(固化剂)，二者一经接触立刻发生理化反应。优点：水汽渗透率低结构性强、加工方便、场地面积需要少、以及成本较低，等等。目前使用的改性热融胶主要有以100%丁基胶为材料、聚氨酯和丁基胶的化合物和100%的聚氨酯等三种。从该类产品的密封结构寿命来看，100%反应型热融丁基胶为最好。由于反应型热融胶同时提供中空玻璃所需要的结构性和密封性，尽管这种胶出现的时间不过三年左右，但在北美越来越多的人们使用它来代替传统的双道密封结构。这种反应型热融胶又简称为DSE，即等同于双道密封的单道密封结构胶。据有关资料显示，使用反应型热融胶的密封寿命经加速老化试验如P1检测达60年以上。 七、 结论 综上所述，判断中空玻璃技术先进与否的标准，是它能否同时满足节能和密封寿命长的双重目的。改进中空玻璃节能效果可采用用低辐射玻璃替代浮法白、用惰性气体替代空气。类似地，延长中空玻璃密封寿命的目的也可通过合理选用胶、干燥剂和双道密封来实现。但这些作法的效果都是单一的。只有使用超级间隔条代替其他隔条的结果才是一举多得。在中空玻璃的成本变动不大的情况下，提高中空玻璃的节能效果延长密封寿命、使用超级间隔条替代冷边间隔条，即使其他要素配置不变(如普通白玻和空气)，效果也是十分明显的。如果厂家目前使用的是单道聚硫胶或一般热融丁基胶制作的中空玻璃，为大幅度提高单道密封结构中空玻璃的密封寿命的话，可以考虑使用反应型热融丁基胶来代替。这种作法不但必要，而且经济上可行，因为改变后的单位成本与改变前的基本相当。(end)

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