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1 引言
中空玻璃由于優(yōu)越的節(jié)能性能，在建筑中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。同時，隨著建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高以及被動式建筑的推廣應(yīng)用，對中空玻璃節(jié)能特性的要求也逐步提高，Low-E玻璃的廣泛使用，中空玻璃中充入氬氣、氪氣等惰性氣體來改善隔熱性能的產(chǎn)品也在逐年增加，這些中空玻璃配置的提升造成生產(chǎn)制造成本也在不斷增加。圖1給出了從單片玻璃到三玻兩腔的各類典型配置和對應(yīng)的傳熱系數(shù)K值。
然而，中空玻璃為人們提供的節(jié)能性能不應(yīng)當(dāng)僅是一個短期、靜態(tài)的行為，而應(yīng)是一種長期的和動態(tài)的概念。如果中空玻璃密封過早失效，不僅不節(jié)能，反而會造成能源更多地浪費，尤其是配置很高的中空玻璃產(chǎn)品。探討如何提高中空玻璃的耐久性（詞條“耐久性”由行業(yè)大百科提供）和密封壽命，使其長時間發(fā)揮節(jié)能作用，是材料生產(chǎn)商和玻璃生產(chǎn)企業(yè)及廣大使用者一直以來關(guān)心的課題。
圖 1 不同結(jié)構(gòu)中空玻璃的K值比較
2 中空玻璃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式
2.1 中空玻璃密封方式的演變
中空玻璃的工藝進(jìn)化源自密封技術(shù)的創(chuàng)新。圖2給出了中空玻璃不同密封結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程。中空玻璃從19世紀(jì)的吹制及焊接發(fā)展到20世紀(jì)的膠封工藝后，才使中空玻璃的推廣使用和工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)入了一個新時代。
圖2 中空玻璃不同密封系統(tǒng)的演變
膠封中空玻璃系統(tǒng)目前可以分為單道密封系統(tǒng)、槽鋁式雙道密封系統(tǒng)以及TPS雙道密封系統(tǒng)。
大家熟悉的傳統(tǒng)的槽鋁式中空玻璃雙道密封系統(tǒng)由于生產(chǎn)過程中使用的原材料比較多，其使用壽命與玻璃及邊部材料(如間隔條、干燥劑、密封膠)的質(zhì)量和中空玻璃在制作過程中的工藝水平和生產(chǎn)控制有直接關(guān)系。在我國，目前的中空玻璃國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11944-2012 中要求中空玻璃壽命要達(dá)到 15 年。然而，從目前的實際質(zhì)量看，能達(dá)到15年的使用壽命還是有一定困難的，更不要說與建筑同壽命的要求。
2.2 熱塑隔條(TPS)密封系統(tǒng)的特點
2.2.1 優(yōu)良的暖邊（詞條“暖邊”由行業(yè)大百科提供）
中空玻璃的邊部密封材料有鋁條、鋼及不銹鋼材料、有機硅材料等，由于其材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)不同，在中空玻璃邊部形成的熱量傳導(dǎo)也有很大差別。表1給出了用于中空玻璃不同類型材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
表1 不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)
由不同類別的材料構(gòu)成邊部密封系統(tǒng)，會產(chǎn)生不同的熱傳導(dǎo)效果，熱塑隔條(TPS)拋棄了傳統(tǒng)中空玻璃間隔條所采用的傳熱良好的鋁、不銹鋼等金屬，用其制作的中空玻璃的線性熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)產(chǎn)品，阻隔了玻璃邊緣的散熱，從而提高了整窗的節(jié)能效果。圖3是熱成像下傳統(tǒng)的槽鋁式中空玻璃與熱塑隔條TPS中空玻璃的比較，從圖3可以看出，由于傳統(tǒng)的邊部密封系統(tǒng)采用鋁等金屬材料作為間隔材料，導(dǎo)熱系數(shù)很高，導(dǎo)致熱量容易從邊部密封面積穿過中空玻璃，體現(xiàn)在邊緣的溫度較低。
圖3 傳統(tǒng)槽鋁式中空玻璃與TPS中空玻璃的熱成像對比
隨著人們生活質(zhì)量的提高，對居住環(huán)境的舒適性要求也越來越高，熱塑隔條(TPS)密封系統(tǒng)帶來的暖邊效應(yīng)有利于穩(wěn)定室內(nèi)溫度，降低空氣對流，能提供更加舒適的室內(nèi)環(huán)境。由于暖邊系統(tǒng)的存在，也會降低窗玻璃邊緣水霧的凝聚，同時也降低了窗框的維護(hù)費用(如圖4、圖5)。
圖4 傳統(tǒng)槽鋁式中空玻璃與TPS中空玻璃的
圖5 傳統(tǒng)槽鋁式中空玻璃窗與 TPS 中空玻璃窗邊和室內(nèi)溫度的比較
2.2.2 低的水汽透過率
熱塑隔條(TPS)采用了特殊丁基膠混合分子篩直接擠出成型，密封材料的一致性較好。同時，由于熱塑隔條還能與玻璃及硅酮膠形成親密無間的化學(xué)粘接，使中空玻璃結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、粘接更牢固。表2給出了不同密封材料的水汽和氣體透過率，可以看到丁基膠材料比硅酮膠和聚硫膠有更好的水汽和氣體阻隔能力，會形成更好的屏障阻隔水汽的進(jìn)入和氣體的泄露，有利于長期保持中空玻璃的密封性能，從而保證節(jié)能性能(如圖6)。
圖6 熱塑隔條(TPS)系統(tǒng)的粘接示意
表2 不同密封材料的水汽和氣體透過率
2.2.3 生產(chǎn)過程全自動
熱塑隔條(TPS)系統(tǒng)中空玻璃的生產(chǎn)是采用全自動的機器生產(chǎn)從玻璃的上片、玻璃的除膜清洗烘干、熱塑膠條涂覆、充氣合片及外道膠涂覆由自動化系統(tǒng)一次完成，避免了人工操作可能帶來的失誤和不一致，做到了拐角密封的高度均勻性（詞條“均勻性”由行業(yè)大百科提供），徹底消除了傳統(tǒng)槽鋁式中空玻璃的拐角壓合密封不良，而且適合生產(chǎn)任意類型和尺寸形狀的中空玻璃(如圖 7)。
圖7 熱塑隔條(TPS)系統(tǒng)中空玻璃的邊部粘接
3 中空玻璃密封壽命探討
3.1 使用環(huán)境對中空玻璃的影響
如圖8所示，中空玻璃在使用時會受到各種外界因素的影響
圖8 中空玻璃使用過程中的環(huán)境影響因素
尤其是由于環(huán)境溫度壓力的經(jīng)常變化，中空玻璃中空腔內(nèi)氣體始終處于熱脹或冷縮狀態(tài)如圖9所示，使密封膠長期處于受力狀態(tài)。對于傳統(tǒng)雙道密封系統(tǒng)，這種力的作用會導(dǎo)致密封膠的變形和功能的喪失，環(huán)境中的水氣會不斷從中空玻璃的邊部向中空腔內(nèi)滲透。同時，環(huán)境中的紫外線、水和其他腐蝕（詞條“腐蝕”由行業(yè)大百科提供）氣體的作用都會加速密封膠的老化，從而加快水汽進(jìn)入中空腔內(nèi)和充入的氬氣逸出的速度。這種水汽滲透隨時都在發(fā)生，邊部密封系統(tǒng)中的干燥（詞條“干燥”由行業(yè)大百科提供）劑會因不斷吸附水分子而最終喪失水汽吸附能力，導(dǎo)致中空玻璃中空腔內(nèi)水汽含量升高而密封失效，導(dǎo)致節(jié)能效果降低。由于熱塑隔條密封系統(tǒng)具有一定的彈性，在環(huán)境變化時能使邊緣應(yīng)力有效釋放，同時熱塑隔條有更高的內(nèi)聚力，來抵御載荷帶來的變化保證密封結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
圖9 傳統(tǒng)槽鋁式中空玻璃與熱塑隔條(TPS)系使用中的變化示意
對于全新節(jié)能建筑概念的被動房玻璃普遍使用的三玻兩腔中空玻璃來說(如圖10)，由于其兩側(cè)的玻璃會受到另一個腔的作用而產(chǎn)生更大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致丁基膠的變形、降低第一道密封的作用、增加水汽的通道，使中空玻璃更快地失效，熱塑隔條的密封優(yōu)勢會體現(xiàn)得更明顯。
圖10 三玻兩腔中空玻璃環(huán)境影響下的密封膠變化示意
3.2 影響中空玻璃壽命的因素
GB50096-2011《住宅設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中的要求，建筑物的壽命應(yīng)不少于50年。門窗（詞條“門窗”由行業(yè)大百科提供）幕墻作為建筑的重要組成部分，其使用的中空玻璃的使用壽命已經(jīng)引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，在GB/T11944-2012《中空玻璃》標(biāo)準(zhǔn)的附錄A“中空玻璃失效原因及使用壽命”中提到，中空玻璃的預(yù)期使用壽命至少應(yīng)為15年。但目前國內(nèi)中空玻璃的整體密封使用壽命還較低，一般生產(chǎn)企業(yè)10年的質(zhì)保都不敢承諾，所以，我們離標(biāo)準(zhǔn)要求和建筑使用要求還有較大的差距。
上文提到，中空玻璃的使用壽命與邊部材料(如間隔條、干燥劑、密封膠)的質(zhì)量和中空玻璃的制作工藝有直接關(guān)系。中空玻璃使用壽命的長短，也受安裝狀況、使用環(huán)境的影響。
3.1 中我們介紹了外部環(huán)境對中空玻璃使用壽命的影響，除了外部因素外，影響中空玻璃壽命的因素還有哪些呢?邊部密封的好壞直接關(guān)系到中空玻璃的密封耐久性，使用低水汽和氣體透過率的密封膠是關(guān)鍵，從前面的分析中我們看到，熱塑隔條(TPS)具有非常優(yōu)異的水汽和氣體阻隔能力，用于中空玻璃邊部密封會提高中空玻璃的密封耐久性。
以三玻兩腔中空玻璃系統(tǒng)為例，我們從圖11可以看到傳統(tǒng)槽鋁式中空玻璃密封膠與玻璃以及間隔材料之間形成了8個粘接界面，而熱塑隔條(TPS)密封只會與玻璃形成4個粘接界面。從目前國內(nèi)中空玻璃制作水平和我們長期的檢測情況分析來看，密封膠與玻璃和間隔材料的粘接不良是導(dǎo)致水汽和氣體通過的主要路徑，也就是說在密封材料水汽和氣體透過率一致的情況下，熱塑隔條密封系統(tǒng)由于粘接面的減少而降低了水汽和氣體的透過通道，來達(dá)到中空玻璃的長期耐久性。
圖11 不同中空玻璃密封粘接界面分析
3.3 目前國內(nèi)中空玻璃質(zhì)量狀況
中空玻璃國家標(biāo)準(zhǔn)中用水分滲透指數(shù)(I)表示中空玻璃的水汽密封壽命。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，I 值的平均值應(yīng)大于 0.2;用耐久性試驗后的氬氣含量的數(shù)值來表示氣體密封壽命。
Ti干燥劑初始水分含量
Tf干燥劑最終水分含量
Tc干燥劑標(biāo)準(zhǔn)水分含量
什么是水分滲透指數(shù)I值?I值是指在耐久性試驗中外界的水汽進(jìn)入中空玻璃的量與其有效吸附量的比值。水分滲透指數(shù)I值能反映中空玻璃密封系統(tǒng)的剩余吸附能力和預(yù)期使用壽命;能夠綜合評價中空玻璃系統(tǒng)。I值越小，中空玻璃的剩余吸附能力越大，密封壽命越長。
國家玻璃質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對近兩年國內(nèi)300多個中空玻璃水汽密封耐久性試驗結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析，I值的分布示意如圖12所示，I值的中位值接近15%，I值大于20%的約占15%。
圖12 國內(nèi)中空玻璃 I 值統(tǒng)計
在本世紀(jì)初，歐洲中空玻璃協(xié)會UNI對歐洲中空玻璃產(chǎn)品的水汽密封耐久性的測試結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析(如圖 13)，從圖13可以看出其中位值在4%~5%之間，從兩個統(tǒng)計結(jié)果可以看出，國內(nèi)目前的中空玻璃整體密封壽命與國外相比還有不小的差距。
圖13 UNI 歐洲中空玻璃 I 值統(tǒng)計
近兩年，被動房玻璃質(zhì)量狀況也備受關(guān)注，表3是國家玻璃質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心近年對三玻兩腔中空玻璃的水汽密封耐久性的測試結(jié)果。從表3可以看出，不同企業(yè)生產(chǎn)的中空玻璃的質(zhì)量差距比較大，總體質(zhì)量水平還有待于提高，如果這樣的玻璃應(yīng)用于被動式建筑，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到與建筑同壽命的要求的。解決這個問題應(yīng)該從材料和工藝入手，同時也要尋求更先進(jìn)的密封結(jié)構(gòu)。
表3 三玻兩腔中空玻璃水汽密封耐久性測試結(jié)果
4 熱塑隔條 (TPS) 密封系統(tǒng)中空玻璃測試分析
最早的熱塑隔條(TPS)中空玻璃系統(tǒng)是1974年在科梅林公司誕生的，工業(yè)化生產(chǎn)是20 世紀(jì)90年代以后，目前全球有大約100多條TPS生產(chǎn)線。國內(nèi)也有多條熱塑隔條TPS 中空玻璃生產(chǎn)線在運行，最早的生產(chǎn)線在 2011年投產(chǎn)，熱塑隔條中空玻璃以及具有結(jié)構(gòu)強度（詞條“結(jié)構(gòu)強度”由行業(yè)大百科提供）的新一代TPS產(chǎn)品4SG已經(jīng)在結(jié)構(gòu)幕墻、商用建筑、住宅建筑、大巴、汽車等領(lǐng)域得到了初步認(rèn)可和應(yīng)用。
熱塑隔條(TPS)系統(tǒng)自問世以來，通過了全球多個國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的檢測認(rèn)證，其中主要有日本JIS R3209《中空玻璃》、歐標(biāo)EN1279-2《中空玻璃水汽滲透長期試驗方法》、歐標(biāo)EN1279-3《中空玻璃氣體滲透的長期試驗方法》、歐標(biāo)EN1279-4《中空玻璃邊緣密封物理特性的測試方法》、北美ASTM773/774、法國NFP78-451/452、意大利UNI10593、德國DIN1286等標(biāo)準(zhǔn)。
該密封系統(tǒng)中空玻璃也是最早通過EN1279.3氣體保持能力測試的三玻兩腔中空玻璃系統(tǒng)，其年氬氣泄漏率分別為0.4%~0.5%。
為了研究分析熱塑隔條系統(tǒng)中空玻璃的性能以及驗證其耐久性的優(yōu)勢，國家玻璃質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心選取了科梅林公司生產(chǎn)熱塑隔條4SG產(chǎn)品，用道康寧硅酮結(jié)構(gòu)膠作為外道密封膠，使用百超全自動生產(chǎn)線制作了充氣中空玻璃樣品。按照GB/T11944-2012標(biāo)準(zhǔn)中的水汽密封耐久性和氣體密封耐久性分別進(jìn)行了5個標(biāo)準(zhǔn)周期的測試。
(1)水汽密封耐久性
每個周期的測試分別由高低溫交變循環(huán)和恒溫恒濕組成。第1階段：56個循環(huán)，每12小時為一個溫度循環(huán)，溫度從-18℃±2℃～ 53℃±1℃;第2階段：溫度在58℃±1℃、相對濕度大于95%的環(huán)境溫度保持7周，每個周期是77天(如圖14)。
圖14 水汽密封耐久性循環(huán)周期
本次測試將5組試樣放入老化試驗箱，每個周期完成后取出一組進(jìn)行最終水分含量的測試并計算I值。結(jié)果見表4。
(2)氣體密封耐久性
首先，對進(jìn)行耐久性檢測的中空玻璃測試初始?xì)鍤夂浚Y(jié)果見表 5。
表 4 熱塑隔條(4SG)5個周期耐久性測試結(jié)果
其次，按照GB/T11944 -2012中的測試方法，對 樣品進(jìn)行了5個周期的測試，每個周期結(jié)束后進(jìn)行了氬氣含量的檢測，檢測結(jié)果見表6。
表6 樣品老化后的氬氣含量測試結(jié)果
從測試結(jié)果看，該種熱塑隔條(4SG)系統(tǒng)中空玻璃經(jīng)過5個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的老化周期的測試后，不論是水分滲透指數(shù)還是氬氣含量均仍然可以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，水分滲透指數(shù)在5個周期后測試結(jié)果好于目前國內(nèi)傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)周期的測試結(jié)果，氣體含量只下降了4%左右，說明這個系統(tǒng)中空玻璃的使用壽命會遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于目前國內(nèi)的主流密封結(jié)構(gòu)中空玻璃。
5 結(jié)語
從理論分析到測試結(jié)果都表明，熱塑隔條(TPS)是新一代的中空玻璃邊部密封材料，該中空玻璃系統(tǒng)能夠提高中空玻璃的密封壽命，改善中空玻璃的邊緣效應(yīng)，應(yīng)該大力推廣。但目前不論是熱塑隔條密封材料還是生產(chǎn)該密封結(jié)構(gòu)中空玻璃的全自動生產(chǎn)設(shè)備均為進(jìn)口，價格是制約熱塑隔條(TPS)中空玻璃推廣應(yīng)用的主要原因之一。目前，國內(nèi)還停留在設(shè)備研發(fā)和材料研究的階段，沒有實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。隨著人們對熱塑隔條中空玻璃優(yōu)越性能認(rèn)識的增加，國產(chǎn)化研究和產(chǎn)業(yè)化水平的進(jìn)一步提升，它的應(yīng)用前景將越來越廣泛。
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