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中空玻璃原料选择及工艺控制

中空玻璃作为当代建筑中的重要材料在我国应用已非常普及。目前国内中空玻璃生产企业超过1000家,与之配套的原材料生产企业也有上百家。


随着竞争的加剧,一些企业为降低成本选用劣质或不合格原材料,工艺上控制不严甚至不能满足最基本的生产条件,造成不合格的中空玻璃流入市场,严重影响了中空玻璃行业的健康发展。


本文通过对影响中空玻璃质量的原材料的选择和生产工艺控制两个方面进行简要分析,阐明其对中空玻璃质量的影响。


不合格中空玻璃会导致空气层露点和玻璃炸裂等问题出现。


空气层内露点


露点是指密封于空气层中的空气湿度达到饱和状态时的温度,低于该温度时空气层中的水蒸气就会凝结成液态或固态水。中空玻璃露点升高是由于外界的水进入空气层而又不能被干燥剂吸收所造成的,将严重地影响使用和节能效果。


原材料质量差,如密封胶水气透过率高,干燥剂吸附能力低及生产工艺控制不严,如玻璃清洗不好,丁基胶涂布不均匀,角部密封不严及打胶厚度不够、生产环境湿度较大等都能够造成中空玻璃露点的升高。


玻璃炸裂


导致中空玻璃炸裂既有生产方面的原因,也有选材方面及安装方面的原因。中空玻璃生产时的温度与使用环境的温差越大,玻璃挠曲变形越显著。当这种变形产生的应力超过了玻璃能够承受的最大应力时,中空玻璃的炸裂也就发生了。


使用吸热玻璃和镀膜玻璃制作中空玻璃,在太阳光的照射下,在玻璃的不同点存在较大温差,产生热应力,也可能引起玻璃的破坏。


中空玻璃密封胶较硬,弹性不好,会制约玻璃因环境温度变化而产生的变形,使中空玻璃边部应力增大,而中空玻璃密封胶的挥发成分较多,会使密封胶收缩过大,尤其会增加第一个冬季炸裂的可能,本文只从材料和工艺两方面讨论。


原材料的合理选用


玻璃原片


制造中空玻璃用原片可以是普通浮法玻璃、镀膜玻璃、吸热玻璃、钢化和夹层玻璃等,选用时应满足相应的国家标准。特别是镀膜玻璃和吸热玻璃有可能由于玻璃吸热后使玻璃中心和边部存在较大温差而发生炸裂。


密封胶


现今,人们已经认识到密封寿命对中空玻璃的重要性。中空玻璃系统的密封和结构的稳定性是靠中空玻璃密封胶来实现的。传统槽铝式中空玻璃系统应该采用双道密封形式,用第一道密封胶防止水气的进入,用第二道密封胶保持结构的稳定性。如果中空玻璃系统只采用单道密封,则中空玻璃密封胶不但要起到密封作用还要起到结构作用,但到目前为止,还没有一种能同时具备优秀的密封性和结构性的密封胶。一般来说,双道密封系统中,用于第一道密封的胶抗水气透过能力高,但结构性差;而第二道密封胶的结构性能高,抗水气透过能力差。


中空玻璃的第一道密封胶。第一道密封胶一般采用大家所熟悉的丁基胶,它的作用是控制和保证进入中空玻璃密封空间的水气和溶剂渗入最少,它的另一个作用是当中空玻璃采用充气工艺时,能有效阻挡惰性气体的渗出。因此,要求丁基胶具有以下特点:①必须具有良好的粘结性,通过完美地粘结玻璃与间隔条,保证两片玻璃与间隔条之间的连续密封。②应具有高度的耐水气渗透性。③应有一定的粘结强度,防止二道密封之前的玻璃位移,以减少中空玻璃叠差的出现。为了提高中空玻璃的使用寿命,丁基胶除了应具有以上的使用性能外,还应具有良好的耐气候性、抗老化性和耐久性的特点。


丁基胶虽然具有较强的防水气渗透能力和抗老化性,但结构性差,所以中空玻璃的结构强度主要是靠第二道密封胶来完成的。


中空玻璃第二道密封胶。第二道密封胶是将组成中空玻璃的各个元件有效地粘结成一个整体,形成中空玻璃构件。第二道密封胶应有以下的特性。


①应有较强的粘结性能。它通过保持一定的强度,避免由于中空玻璃的动载荷或静载荷作用产生过量的位移,使第一道密封胶能够具备阻隔水气的功能。因此,第二道密封胶必须具有良好的机械性能和良好粘结玻璃与其他元件的性能,有耐拉伸和剪切强度以承受所有动静载荷。


②应有良好的弹性。第二道密封胶当其因动荷载引起变形后,应能够恢复初始的机械性质,这一点是非常重要的。因为在使用过程中,由于受到温度变化的影响,中空玻璃内的气体总在不断地收缩或膨胀,这将直接造成中空玻璃的过早失效或玻璃的炸裂。


空气层的胀缩对密封胶性能提出了新的问题。边部密封胶是否应软一些,以适应隔层内气体体积的变化?如果这样水气渗透(MVT)面积可能会增加,影响中空玻璃的使用寿命;如果保持水气渗透面积基本恒定,那么密封胶是否应该硬一些?但这样的结果制约了玻璃的变形,会使中空玻璃边部应力增大,有可能导致玻璃的炸裂。中空玻璃密封胶应不但能够有效地抵抗中空玻璃水气渗透面积的扩大,同时又要使中空玻璃边缘应力低于导致玻璃破裂的应力。


③应有较强的耐气候性和耐老化性。第二道胶要有较强的适应气候变化的能力,以保证其使用功能和较长的寿命。这些气候变化包括温度、水、紫外线等因素,密封胶不应因这些气候因素的变化而过早地失去效力。


聚硫胶、聚氨酯胶、硅酮胶常用作中空玻璃的第二道密封胶,它们都具有良好的耐气候性、抗老化性和耐久性的特点,并具有良好的与玻璃及其他组件粘结的能力。其中聚硫胶的使用历史最悠久,使用量也最大,约占全球中空玻璃胶市场份额的76%。聚硫密封胶对许多种油和溶剂的耐腐蚀性较强。同时在抗老化、抗臭氧、抗氧化物、抗阳光和抗气候循环等方面表现得也十分出色。但如果暴露在60℃的空气中时,聚硫胶和玻璃的粘接能力会减弱,有些含增塑剂多的聚硫胶会产生分解。硅酮胶的特点是具有与接触材料间良好的化学和物理相容性;具有出色的流体学性质,使挤压和涂布十分容易;具有较高的机械强度,能够承受中空玻璃的各种动静荷载。基于这些特点,硅酮胶在幕墙中空玻璃中得到了广泛的应用。聚硫胶、硅酮胶是我们所熟悉的,聚氨酯密封胶是近年来迅速发展起来的密封材料,其在中空玻璃密封胶市场的占有率正在不断提高。


聚氨酯胶具有黏度低、固化快、不含有溶剂等使用特点。


①黏度低,且有较好的流淌和下坠阻力。黏度低意味着涂布密封胶时比较容易且浸润玻璃和间隔条效果更好。涂布后不需要找平或清除密封胶,这一点对自动生产线来说,是特别有用的。


②固化快,3个小时后聚氨酯密封胶的固化状态即可以达到搬运中空玻璃的硬度,相比之下,聚硫胶需5个小时。


③不含有溶剂,不会产生因胶体收缩引起的玻璃应力,减少中空玻璃第一个冬季破裂的可能性。含有溶剂的密封胶如果溶剂从边部密封胶体中挥发,虽然密封胶仍然保持与玻璃的全接触,但胶体收缩产生的应力变成施加于玻璃边上的应力。因为中空玻璃在冬天会向内挠曲,这时,间隔条起应力支点作用,这个应力使玻璃安装后第一个冬季破裂的可能性增加。


干燥剂


中空玻璃使用干燥剂的目的,一是吸附掉中空玻璃生产时密封于间隔层内的水分及挥发性有机溶剂;二是在中空玻璃使用过程中不断吸附通过密封胶进入间隔层内的水分,以保持中空玻璃内气体的干燥。正确选择合适的干燥剂,可以提高中空玻璃的整体性能,减轻中空玻璃的挠曲变形,减少中空玻璃的炸裂现象的发生。


用于制造中空玻璃干燥剂的主要有硅胶、分子筛、硅胶和分子筛的混合物以及含有干燥剂的新型粘合剂(用于U型间隔条)。干燥剂的选择要根据其吸附性能来决定,主要考虑其对水气、空气、溶剂的吸附能力。国内中空玻璃常用的干燥剂是分子筛,分子筛根据其孔径的大小依次为3A、4A、13X等类型。3A分子筛只吸收水气;4A分子筛吸收水气、空气等;13X可吸收水气、空气、SF6、有机溶剂等。各种型号的干燥剂性能比较见表1.


表1干燥剂吸附能力对比选择干燥剂除了首先要考虑其对水的吸附能力外,还要考虑中空玻璃间隔框内是否有溶剂需要吸附,另外干燥剂对空气的吸附作用也是一个必须考虑的因素。由于干燥剂具有低温气体吸附和高温气体解吸附能力,所以中空玻璃干燥剂对气体吸附和解吸附直接影响玻璃的挠曲。


中空玻璃在使用过程中,间隔层间的气体由于受温度变化的影响会产生收缩或膨胀,致使玻璃发生向内或向外的挠曲。如果中空玻璃内部没有需要吸附的有机溶剂却选用了大孔径(吸附气体)的分子筛,在环境温度低时,中空玻璃内部的空气会被吸附,会使中空玻璃向内的挠曲更加明显,温度高时,在分子筛的解吸附作用下,会释放出气体,加剧玻璃向外的挠曲。


最后,选择干燥剂还要考虑中空玻璃是否充气,充气中空玻璃不能选用能吸附惰性气体、溶剂的大孔径分子筛,否则,将降低所充气体浓度,影响充气效果。


所以,选择中空玻璃干燥剂还应综合考虑生产中采用哪种密封系统,及在中空玻璃内还使用哪些其他材料。


热融丁基胶、聚氨酯胶、硅酮胶及丁基胶,即使在天气非常恶劣的情况下也不会向间隔层内释放有机溶剂。在这种情况下,3A分子筛是最好的选择。某些聚硫胶单道密封系统及聚硫胶、丁基胶的双道密封系统,可能向空气层内释放有机溶剂,所以建议使用3A与13X分子筛的混合物。表2列出干燥剂与密封胶正确搭配的几种情况。


表2,干燥剂的选择间隔条


中空玻璃间隔条的作用是将中空玻璃的两片玻璃隔开,形成间隔层,使中空玻璃形成均匀的腔体。在间隔条内部存放干燥剂,用于干燥和吸附间隔层内水分和化学挥发物。此外,间隔条和插角也具有支持和提高产品密封性的作用,形成一个固体的防水气渗透屏障,从而提高中空玻璃单元的整体性和耐久性。选择间隔条需要考虑的因素是间隔条的强度和外观质量;是否与密封胶相容;是否有暖边要求。间隔条有很多类型,有传统的金属间隔条非金属树脂间隔条、混合型间隔条等,现在新开发的具有暖边概念的U型金属条、超级间隔条,用的最多的还是铝间隔条。


中空玻璃生产工艺控制


玻璃原片的清洗


玻璃最好选用机械清洗,特别是大片玻璃,清洗时可加入适量清洗剂,最后一道应使用去离子活性水冲洗,确保玻璃表面干净无污物,使密封胶粘接牢固。


控制要点:使用去离子水,保持清洗用水的清洁。


金属间隔条


使用金属间隔条时应进行去污或化学处理。如果用有污迹的间隔条制成的中空玻璃安装在窗户上,经长时间的日光照射,油迹逐渐挥发,吸附在中空玻璃内表面,形成一层油膜,影响中空玻璃的视觉效果。另外还会引起密封胶与间隔条粘结不牢导致密封失效。


控制要点:使用前铝间隔条需经过阳极化或去污处理。


生产环境湿度的控制


生产环境的湿度主要是影响干燥剂的有效吸附能力和剩余吸附能力。剩余吸附能力是指中空玻璃密封后,干燥剂吸收间隔层的水分,使之初始露点达到要求,除此之外干燥剂还具有吸附能力,此部分吸附能力称之为剩余吸附能力。定量地说,它等于有效吸附能力减去干燥剂吸附密封于间隔层内空气中的水分所消耗的吸附能力。


剩余吸附能力的作用是不断地吸附从周边扩散到间隔层中的水分。剩余吸附量的大小决定着对中空玻璃在使用过程中,通过扩散进入间隔层的水分吸附量的大小,也就决定着水分在间隔层中聚集速度的快慢,从而决定着中空玻璃的有效使用时间的长短。中空玻璃生产环境湿度大时,首先密封于间隔层中的水分多,消耗干燥剂的吸附能力就大,其剩余吸附能力就会减少。因此湿度对中空玻璃的有效使用时间的影响至关重要。要延长中空玻璃的有效使用时间,就必须使生产环境的湿度控制得低一些。一般要求车间环境湿度不高于75%。


控制要点:添加必要的除湿设备或尽量避开阴雨天气生产。


生产时的环境温度


生产中空玻璃时,密封于间隔层内的压力是生产环境温度下的压力。在使用过程中,往往是使用温度和生产环境温度相差较大。空气的热胀冷缩会使空气的压力发生变化,在夏季使用环境温度一般都高于生产环境温度,间隔层中的空气发生膨胀,产生正压,特别是用吸热玻璃制作的中空玻璃,玻璃的吸热效果很强,间隔层内空气温度更高,产生的正压也就更大。当由于间隔层空气膨胀引起的压力高于玻璃的破坏压力时,玻璃便会发生炸裂。同样在冬季时,生产温度高于使用时的环境温度,间隔层内空气收缩,而产生负压,当玻璃面积较大而间隔框又较小时,两片玻璃的中心部位有可能贴在一起形成类似彩虹的斑点,严重影响使用效果。当在风雪载荷的联合作用下,有可能使玻璃发生破裂。另外我国地域辽阔,如供需两地气压相差较大,也可使玻璃发生变形,温度一般控制在23±2℃的范围。


控制要点:操作车间安装空调,必要时在中空玻璃上安装呼吸管或毛细管。


第一道密封胶(丁基胶)的宽度


丁基胶的密封在很大程度上决定了中空玻璃的使用寿命,要求其均匀无间断,宽度在3~5毫米,合片时厚度控制在0.3~0.5毫米范围,特别在角部容易出现断胶现象。


控制要点:及时清理打胶口,使丁基胶加热均匀,温度在125℃左右。


第二道密封胶外的厚度和粘接


第二道密封胶是中空玻璃的关键部分,所以国家标准中对其有特别的规定:使用双道密封时,胶层厚度为5~7毫米,使用单层密封胶时胶层厚度为8~12毫米。由于气体的扩散量与胶层的厚度成反比,因此胶层越厚寿命越长。


密封粘接中应避免挤压不实使胶体上存在微细毛孔,双组分密封胶应混合均匀,手工操作时一次混胶不要太多,以避免提前固化影响粘接强度。用镀膜作原片时应增加除膜工序。


控制要点:制定合理的胶层厚度并保证其厚度均匀,混胶时根据气温的变化调整双组分的比例。


缩短中空玻璃的生产工艺时间


缩短工艺时间是指尽量减少中空玻璃生产时干燥剂与空气的接触时间,以减少吸附能力的损失,使干燥剂有更高的剩余吸附能力。一般从分子筛填装到最后封胶不超过两个小时。同时填装前应检查分子筛的活性(即吸附能力),最简单的方法是做一次升温实验:将相同重量的水(室温)和分子筛混合后,如水温升高30℃以上说明分子筛没有失效,否则说明分子筛已经或部分失效,应进行烘干处理后使用。


控制要点:合理安排每道工序的生产时间,减少填装分子筛后的等待时间,每次填装前进行升温实验。


由于中空玻璃的结构组成和生产工艺相对比较简单,所以许多人对其材料和工艺控制重视不足,使中空玻璃的使用期限不能满足设计要求。只有合理选用原材料,严格进行生产过程的质量控制,提高质量意识,才能提高我国中空玻璃行业的整体水平。