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中空玻璃的暖边技术

2021-08-18 来源:宁夏机械信息网

中空玻璃的暖边技术

摘要:论述了中空玻璃的结构组成和传热热阻,介绍了近期暖边产品的种类和特性以及用于中空玻璃间隔层内的各种气体,提出了暖边技术在该领域的最新发展和今后中空玻璃的研究重点。

关键词:中空玻璃;暖边技术;间隔物;密封剂

1 导言

对中空玻璃而言,暖边技术已成为一个工业词汇。在经历了几十年的发展之后,中空玻璃的结构都基本相似,但随着材料科学的发展,玻璃的物理化学性能得到很大的改进,镀膜玻璃以及各种高分子材料的组合应用,使得中空玻璃的隔热性能产生很大的变化,能满足各种不同场合的需要。发达国家都能根据具体的使用要求设计出各种类型的中空玻璃,并不断开发出暖边间隔物的新品种。我国建设部也已把中空玻璃列为推广应用的建材节能产品之一,这使我国中空玻璃的研制和生产面临着良好的发展机遇。

本文介绍当前世界上中空玻璃暖边技术的进展,并对各种暖边间隔物进行评述。

2 暖边技术的产生

中空玻璃由两片或两片以上的玻璃板组合而成,玻璃板之间用边缘密封系统进行间隔,中间充以气体。玻璃板可以是普通平板玻璃、钢化玻璃或Low—E玻璃,这根据中空玻璃的使用地点及所起的作用而选定。玻璃板之间的气体必须干燥,可以是空气、氩气或其他特殊气体,内用分子筛保持气体干燥。边缘密封系统种类繁多,主要为间隔条(框)、密封胶和分子筛。间隔条在两层玻璃之间,起分隔玻璃板的作用,四周用密封胶进行封边,使玻璃粘合在一起,并防止层内气体外溢。

当中空玻璃两侧有两种不同温度的流体时,通过其中间部分和边缘部分的热量大小是不同的(图1)。热量通过玻璃板的方式都是导热和辐射,其热阻也相同。被间隔的气体主要产生导热,也可能发生对流换热。中空玻璃的隔热能力主要来自密封着的空气层,在温度为20℃时,空气的导热系数为0.026W/m·K,而普通透明玻璃板的导热系数为0.76W/m·K,其比值为l:29。中空玻璃密封的空气层内,对流换热所占的份额较小,基本为导热方式,所以能较大程度地提高中空玻璃的热阻。

在中空玻璃的边部,由于密封系统与玻璃板紧密接触,所以是多层平壁之间的传导传热。间隔条材质的导热系数对热阻的影响极大,最初使用的铝质隔条导热系数大,热阻小。对中空部分而言,空气层厚度与间隔条尺寸接近,所以它们的热阻之比也近似于它们导热系数的比值。纯铝的导热系数为202W/m·K,铝合金的导热系数——般也在130~150W/m·K,所以,边部的热阻远远小于中间部分。图2表示使用不同间隔物时,中空玻璃边部温度的变化。

冬天时,建筑物中空玻璃其四周部分的热阻小,温度下降明显。由于室内具有一定湿度,空气中的水分碰到较低温度的玻璃板就被冷凝,在中空玻璃的边缘产生结露结霜现象,这既影响美观,又对密封材料造成损害。

为改善中空玻璃四周部分热阻过小、容易结露结霜现象,研究方向集中在间隔条材质和间隔条形状的热性能上。结果表明,采用导热系数较低的材料替代传统的铝质间隔条,能使内层玻璃周边温度比过去高,避免内层玻璃边缘处的结露。

因此,导热系数小的各种材料以及各种形状的间隔条被大量研制出来,于是出现暖边技术这一术语。

3 暖边间隔系统的种类

中空玻璃间隔系统基本上可分为两大类:一类为低导热系数的金属框与密封胶组成的刚性间隔,另一类是以高分子材料为主制成的非刚性间隔条。

在1995年前,主要是铝质间隔框。暖边技术产生之后,暖边间隔系统占据了整个北美市场的82%左右,其中刚性间隔占据54%,主要为U型的不锈钢材料;非刚性间隔占据28%,如Swiggle胶条以及其他含干燥剂的聚硅酮发泡产品。剩下的18%仍然是铝质间隔框。

3.1 框架式刚性间隔系统

由于不锈钢的导热系数大大低于铝,用不锈钢材料替代铝质间隔条,它们的导热系数之比为1:11,所以可改善中空玻璃边部热阻过小的状况。美国PPG公司的产品Intercept,先用不锈钢带压制成槽型,然后在槽内铺上含分子筛的胶泥,接着在边部涂层胶,再折框,最后合片。其特点是折框设备全自动,生产速度快,适合生产批量大、规格简单的民用建筑的中空玻璃。

该间隔系统能提供足够的强度以保持玻璃片平整,防止绝缘气体外溢和湿气进入,其关键技术是密封胶。中空玻璃在使用期间面临着来自外界的温差、气压、风荷载等影响,因此密封胶既要保证系统的结构稳定,还要防止外来水汽渗透进入中空玻璃的空气层内。

对密封胶的性能要求主要有与基材(玻璃、间隔条)的粘接能力、在使用环境下的耐水性、抗太阳光紫外线照射能力、耐高温性和耐低温性。要求密封材料在膨胀收缩的动态下不开裂老化。

密封胶可分外两大类:结构密封和低水汽渗透率密封(low MVT sealants)。用于结构密封的主要为热固性材料,如聚硫胶、聚胺脂胶和硅酮胶等,它们增强了中空玻璃的稳定性,都具有较高的模量值。但气密性差,抗水汽渗透率差,一般大于15g/㎡.d,硅酮胶达到50g/㎡.d。低水汽渗透率密封主要为热塑性材料,常用的为聚异丁烯(PIB),水汽渗透率小于lg/㎡.d。由于是热熔性的,其操作温度为150℃左右。

密封技术与暖边产品的关系密切,不同的暖边产品有其相应的密封工艺。它们都影响到中空玻璃的质量,也与其隔热功能密切相关。

3.2 条状式非刚性间隔系统

由于高分子材料导热系数小,所以采用热固性材料做间隔条得到很大发展。TruSeal公司的Swiggle胶条将干燥剂与塑料做成一体,中间嵌以波纹状金属隔片,在我国很普遍。其另一产品Insuledge是非金属的矩形管状隔条,中间是波纹状管形内芯,波纹可抗压,又能适当伸展。外面套一矩形管状箔片,以增强间隔条抗水汽渗透的性能,边部胶层防湿汽,内层含有干燥剂,造型美观,单道与双道密封均可。其特点是用中空取代了固体材料或发泡材料,充分利用了空气导热系数小的特点,强度则通过波纹管得以增强。其间隔空间为13mm,导热系数为0.08W/m·K,水汽渗透率为0.098H2O/㎡.d。产品DuraSeal可适用于双层、三层的中空玻璃,用热压方法密封,一步制成,间隔空间为6~18mm。

Edgetech公司的产品Super Spacer与其他用丁基橡胶包裹不锈钢或铝质间隔条的暖边产品不同,它是完全用高绝缘的热固性材料制成的胶条,不含金属。是一种含有干燥剂、具有抗压缩功能的聚硅酮发泡产品,内含上百万个微型气泡。其导热系数与铝的比值为l:950,与不锈钢的比值为1:85。

一般而言,含有金属的刚性间隔框比较硬,对自然的膨胀和收缩会产生应力,导致密封失败。该产品尽管由热固性材料制成,但能抵抗风压,并随温度变化而膨胀和收缩,始终保持中空玻璃整个结构的完整和稳定。采用双道密封,结构密封为丙烯酸胶。

随着对建筑美观上的要求不断提高,窗户的形式也多样化,其发展趋势是强调个性化,避免雷同。如果一扇大窗户由12个玻璃窗组成,则要有12套间隔系统,这既花费大,操作时对窗框的精确度要求又高。该公司设计出一种窗隔条,能一次将24块玻璃安装完毕,外观上就像有12个独立的玻璃窗,又能达到暖边的效果。

此外,塑料间隔框由于导热系数小,也得到大量应用。但其缺点是加工时不易被弯曲,不易在生产时做成整件。因此,先做成塑料条,然后根据间隔框尺寸被割断成直条,再在直条端连接形成框架。与金属相比,塑料的气密性较差,所以这样连接的间隔框的边角部对气密要求是个薄弱点。

4 中空玻璃间隔层内的气体

暖边技术的一个重要方面是密封技术,它与中空玻璃间隔层内的气体密切相关。最常用的内充气体为干燥空气,干燥空气中无水分,所以在玻璃冷面上不会结露和结霜,同时干燥空气的导热系数也比湿空气小,其来源方便,在生产中使用较广泛。随着玻璃镀膜技术的发展,采用惰性气体以及六氟化硫、卤代烃R13和R12为内充气体的中空玻璃不断增多。

常用的惰性气体有氩气、氪气和氙气,它们安全无毒、无色无臭、不会燃烧,导热系数都比空气小,是较好的隔热体。氪气可用来制作间隔层较小、隔热性能好的中空玻璃,氪气价格较为昂贵。自然状态下的氙气非常稀少,提纯价格高,因而很少用于中空玻璃的制作。六氟化硫在一些要求较高的场所也有使用,且具有很好的隔音效果,但其露点较高。

氩气在空气中的含量较高,l00L气体中约含934mL,其露点较低,对太阳能的反应不敏感,也可以充气在灯泡中。通过中空玻璃的能量主要由热辐射造成,用普通透明玻

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