惰性气体在中空玻璃中的应用与质量控制

    随着国家节能政策越来越强有力的落实，建筑节能要求也逐步提高。建筑用玻璃也随之出现向高性能中空玻璃升级换代的发展趋势，除正在不断推广的低辐射镀膜中空玻璃外，新出现了一种在中间层充入氩气、氦气等惰性气体的充气中空玻璃。惰性气体相对于空气而言，密度大，导热系数小，故可减慢中间层的热对流，减少气体的导热性，从而降低中空玻璃的传热系数，有助于改善中空玻璃的保温性能和节能效果。

 

中间层充入惰性气体有利于改善中空玻璃的保温性能，但充进的惰性气体种类、气体浓度、浓度保持率等对保温性能的改善程度都有影响。本文从不同惰性气体的性能比较、气体浓度与保温性能的关系以及惰性气体浓度和浓度保持率的测试等方面，对惰性气体在中空玻璃中的应用与质量控制进行研究。

 

1 惰性气体的应用

惰性气体包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)，惰性气体均为无色、无臭、无毒、气态的单原子分子，处于周期表中零族，外层电子已达饱和，活性极小。

 

1.1不同种类气体性能比较

用于中空玻璃的惰性气体有氩气、氪气和氙气。它们共同的特点是性能稳定、不活泼，并比空气密度大、导热小。这 3 种惰性气体在气温 0℃、压强 101.325 kPa 时密度分别是 1.78 kg/m3、2.86 kg/m3 和 4.56 kg/m3 (同样条件下空气密度是 1.29kg/m3)，导热系数分别为 0.0163 W/(m·K)、0.0087 W/(m·K)、0.0052 W/(m·K)(同样条件下空气导热系数为 0.0241 W/(m·K)。

 

3 种气体中，氩气在空气中含量最丰富。按体积分数计算，氩气约占空气的 0.93％，是应用最广泛也是市场上最便宜的惰性气体之一。氩气填充的中空玻璃具有耐紫外线的作用，同时不影响室内光线。氪气在空气中含量为 1.14×10-4％，其稳定性和反应性和氩气类似，热效能相比氩气高1/3，但是价格较昂贵。氙气是空气中 5种稀有气体里含量最少的一种，含量仅有 0.09×10-4％。氙气的稳定性和反应性也与氩气类似，热效能比氩气高 1/2，但自然状态下的氙气非常稀少，提纯价格高。

 

　　3 种气体相对于空气的物理性能比较，以及在相同充气含量情况下对同种配置的中空玻璃传热系数的影响，见表1。

 

　　由以上对比可得出以下结论：

　　(1)氩气、氪气和氙气的密度比空气大，导热性比空气低，有利于大幅改善中空玻璃的传热性能。

　　(2)氪气和氙气比氩气分别高 1/3 和 1/2 的热效能，即在相同充气含量情况下要达到相同传热系数要求，充氪气和氙气的中空玻璃中间层可仅为充氩气的中空玻璃中间层厚度的 2/3 到 1/2。

(3)中空玻璃中间层充氩气情况下，传热系数比中间层为空气的情况下降 5.96％，充氪气和氙气的效果则更加明显，传热系数比中间层为空气的情况下降 7.99％ 和9.26％。

 

　　以上 3 种惰性气体都具有明显改善中空玻璃传热性能的作用，其中氩气在空气中含量较高，充气成本较低，以性价比高的优势成为目前中空玻璃充气应用最为广泛的气体;氪气提取成本较氩气相对昂贵，未在建筑玻璃行业广泛应用，仅在中空玻璃中间层厚度要求较小但传热性能要求又高的情况下使用;氙气在自然状态下的含量非常稀少，提纯价格很高，因而即便对中空玻璃传热性能的帮助

比氩气和氪气都好，但很少用于中空玻璃的制作。

 

1.2 气体浓度与保温性能的关系

　　由以上讨论可知，氩气以其突出的性价比优势成为中空玻璃充气应用最为广泛的气体。以下将通过 3 种不同配置的中空玻璃，对不同含量氩气充气的情况下传热系数的比较，讨论充气气体浓度对中空玻璃性能的影响。不同配置的中空玻璃分别为(4 mm 白玻+12 mm 气体层+4 mm 白玻)、(4 mm 在线 Low-E+12 mm 气体层+4 mm 白玻)以及(4 mm 离线Low-E+12 mm 气体层+4 mm 白玻)。每种玻璃分别在充氩气浓度从 0～100％ 、每隔 5％ 递增的情况下计算传热系数，所得结果见图 1。

　　由以上结果可得：

　　(1)氩气浓度越高，中空玻璃的传热系数越小，保温性能越好。

　　(2)相同氩气浓度下，充气对镀膜玻璃传热系数的改善比普通中空玻璃更明显。

目前，建筑玻璃行业内，综合考虑充气改善中空玻璃保温性能的效果以及充气中空玻璃的使用寿命，一般认为充气中空玻璃的初始惰性气体含量应不小于 90％。

 

2 充气中空玻璃的质量评价方法

中空玻璃中间层充入惰性气体有助于改善节能效果，惰性气体浓度越高，改善的效果越好。充气中空玻璃是否充入惰性气体，气体浓度有多少，气体保持率为多少，是评价充气中空玻璃质量好坏的关键。惰性气体无色无味，如何通过相关检测方法确定充气中空玻璃的质量是所需研究的重点。目前，对惰性气体分析检测有 3 种方法：高压电火花法、氧气顺磁性法以及气相色谱法。

 

　

2.1高压电火花法

2.1.1检测原理

高压电火花法是通过设备产生的高压火花穿透玻璃与中间气体层，激活惰性气体分子的等离子体发射出辐射波，通过发射光谱学，仪器收集其中的光子进行分析。由此测定的光谱与仪器内部标准的数据进行比较而确定玻璃内部的惰性气体浓度。

 

2.1.2方法应用情况

　　此方法为无损检测方法，可对中空玻璃内氩气和氪气的含量进行重复检测，不会对中空玻璃造成丝毫的破坏，同样不会影响玻璃的后续使用，适用于实验室、生产线及工程现场检测。目前设备主要为芬兰斯巴莱克有限公司的Gasglass Handhel型仪器。该仪器便于携带、操作简单、快捷，见图 2。

 

基于高压电火花法的原理，它也有一定局限性。电火花不能穿过较厚的夹层玻璃以及低辐射镀膜玻璃，因此对于双低辐射镀膜中空玻璃与较厚的双夹层中空玻璃等产品，该方法就显得束手无策。且该方法对背景光的影响较为敏感，故在测试时对背景环境的要求较高。

 

目前，高压电火花法被美国标准 ASTM E 2649—2009《Standard Test Method for Determining ArgonConcentration in Sealed Insulating Glass Units Using Spark EmissionSpectroscopy》采用，但基于测试原理与方法的局限性，标准仅针对氩气含量不小于 70％ 的中空玻璃进行测试，且只检测中空玻璃内氩气的初始气体含量。

 

2.2 氧气顺磁性法

2.2.1检测原理

氧气的磁化率比一般气体的磁化率高出数百倍，混合气体的磁化率几乎完全取决于所含氧的多少。该方法利用氧气的顺磁性特质，根据混合气体磁化率的大小来确定氧的含量，从而计算出混合气体中惰性气体的含量。部分气体的相对磁化率见表 2。

 

2.2.2方法应用情况

　　该方法是破坏性方法，测试样本为中间层气体，取样时需先去除外层密封胶，再用注射器穿过铝型条进入中间层抽取气体样本。方法仅适用于实验室与生产线的质量检测，不适合工程现场测试。该方法操作简单便捷，但测试精度相对另外两种方法稍差，且仅可测得中空玻璃中间层气体中惰性气体的含量，无法确定惰性气体的种类。该方法目前被国家标准 GB/T 11944《中空玻璃》采用，标准应用此方法对中空玻璃进行初始气体含量和气体密封耐久性能检测。试验前先对惰性气体分析仪进行校准，校准分别使用已经确定氧气浓度的干燥空气和纯度为 99.99％ 以上的氩气或氪气。初始气体含量对 3 块中空玻璃进行测试，将注射器插入中空玻璃中间层后反复推吸 2 次后，取 20 mL 气体试样注射进设备中进行测试，3 块试样的初始气体浓度不可小于 85％。气体密封耐久性能测试的对象为 3 块经过加速耐久性试验的中空玻璃，试验方法与初始气体浓度相同，经加速耐久性试验后中空玻璃惰性气体含量不得小于 80％。

　　

2.3 气相色谱法

2.3.1检测原理

　　由于被检验物质存在性质和结构上的差异，所以其各组分在两相间的分配系数不同。当样品被载气带入色谱柱后，组分在两相间反复多次分配，虽然载气流速相同，但是固定相对各组分的吸附或溶解能力不同，导致各组分在色谱柱的运行速度不同。经过一定时间的流动后就会彼此分离，从而达到分离的效果，并按先后顺序流出色谱柱进入检测器，经过电子信号的放大，在记录器或色谱数据处理机上描绘出各组分的色谱峰。根据各色谱峰的保留时间和峰面积的不同就能对样品各组分做出定性和定量分析。

　　

2.3.2方法应用情况

该方法测试灵敏度和精度均高于其他 2 种方法，可分析纳克级的样品，但仅适用于实验室检测，不适用于生产质量控制和现场检测。该方法设备投入较大，操作较为复杂，需要有专业背景的测试人员进行测试。该方法目前被欧盟标准 EN1279-3:2002采用，对中空玻璃的气体浓度以及气体泄漏率进行测试。气体泄漏率的测试要求精度极高，气体的损失量以毫克来计算，故仅气相色谱法能满足测试要求。

 

　　中空玻璃的气体泄漏率测试的整个过程非常复杂。测试样品经过加速耐久性试验后，放入一个“环状容器”的密封系统内，该系统的内部尺寸仅比中空玻璃稍大一点，在玻璃周边留下一定残气量，整个系统放置在恒温的测量环境中。测试过程中始终有工作气体(氦气)在系统中流动，当中空玻璃由于加速耐久性试验产生的热机械应力的作用，使内部惰性气体渗漏出中空玻璃时，即可由工作气体捕获、收集及传递至气相色谱仪中，对惰性气体含量进行精确分析测试。EN 1279-3:2002 标准规定中空玻璃每年的气体泄漏率不得大于 1％。

　　

3 结语

(1)充入惰性气体的中空玻璃作为建筑节能环保的新兴产品已越来越受到人们的重视，目前氩气由于较高的使用性价比成为应用最广泛的惰性气体。中空玻璃充入一定含量的氩气可改善中空玻璃的保温性能与隔声性能。

 

(2)目前对中空玻璃中惰性气体性能测试的3种检测方法中，气相色谱法测试精度最高，且能满足气体泄漏率的测试要求，但仅适用于实验室测试;高压电火花法设备操作便捷，可满足生产质量控制和工程现场测试要求，可无损检测，但适用范围有一定局限性，无法满足双镀膜中空、双夹层中空等高端产品，以及气体泄漏率的测试需求;氧气顺磁性法测试流程较简单，适用于生产质量控制和实验室测试，但测试精确度较低，不能对惰性气体的种类定性。

 

(3)国内充气中空玻璃的应用还处在起步阶段，目前尚无已公布的相关产品标准及方法标准对充气中空玻璃的性能提出要求。国外已制订了气相色谱法的相关标准，如美标 ASTM E2269—2005 及欧标 EN 1279-3—2002中分别对惰性气体浓度和惰性气体泄漏率检测的气相色谱法做了规定。气体泄漏率是充气中空玻璃极重要的性能之一，仅气相色谱法能满足其测试要求，故笔者认为建立惰性气体分析的气相色谱法对于我国充气中空玻璃的推广应用具有非常积极的作用。