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1 導(dǎo)言
對中空玻璃而言，暖邊技術(shù)已成為一個工業(yè)詞匯。在經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展之后，中空玻璃的結(jié)構(gòu)都基本相似，但隨著材料科學(xué)的發(fā)展，玻璃的物理化學(xué)性能得到很大的改進(jìn)，鍍膜玻璃以及各種高分子材料的組合應(yīng)用，使得中空玻璃的隔熱性能產(chǎn)生很大的變化，能滿足各種不同場合的需要。發(fā)達(dá)國家都能根據(jù)具體的使用要求設(shè)計出各種類型的中空玻璃，并不斷開發(fā)出暖邊間隔物的新品種。我國建設(shè)部也已把中空玻璃列為推廣應(yīng)用的建材節(jié)能產(chǎn)品之一，這使我國中空玻璃的研制和生產(chǎn)面臨著良好的發(fā)展機遇。
本文介紹當(dāng)前世界上中空玻璃暖邊技術(shù)的進(jìn)展，并對各種暖邊間隔物進(jìn)行評述。
2 暖邊技術(shù)的產(chǎn)生
中空玻璃由兩片或兩片以上的玻璃板組合而成，玻璃板之間用邊緣密封系統(tǒng)進(jìn)行間隔，中間充以氣體。玻璃板可以是普通平板玻璃、鋼化玻璃或Low—E玻璃，這根據(jù)中空玻璃的使用地點及所起的作用而選定。玻璃板之間的氣體必須干燥，可以是空氣、氬氣或其他特殊氣體，內(nèi)用分子篩保持氣體干燥。邊緣密封系統(tǒng)種類繁多，主要為間隔條(框)、密封膠和分子篩。間隔條在兩層玻璃之間，起分隔玻璃板的作用，四周用密封膠進(jìn)行封邊，使玻璃粘合在一起，并防止層內(nèi)氣體外溢。
當(dāng)中空玻璃兩側(cè)有兩種不同溫度的流體時，通過其中間部分和邊緣部分的熱量大小是不同的(圖1)。熱量通過玻璃板的方式都是導(dǎo)熱和輻射，其熱阻也相同。被間隔的氣體主要產(chǎn)生導(dǎo)熱，也可能發(fā)生對流換熱。中空玻璃的隔熱能力主要來自密封著的空氣層，在溫度為20℃時，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0．026W／m·K，而普通透明玻璃板的導(dǎo)熱系數(shù)為0．76W／m·K，其比值為l：29。中空玻璃密封的空氣層內(nèi)，對流換熱所占的份額較小，基本為導(dǎo)熱方式，所以能較大程度地提高中空玻璃的熱阻。
在中空玻璃的邊部，由于密封系統(tǒng)與玻璃板緊密接觸，所以是多層平壁之間的傳導(dǎo)傳熱。間隔條材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)對熱阻的影響極大，最初使用的鋁質(zhì)隔條導(dǎo)熱系數(shù)大，熱阻小。對中空部分而言，空氣層厚度與間隔條尺寸接近，所以它們的熱阻之比也近似于它們導(dǎo)熱系數(shù)的比值。純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為202W／m·K，鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)——般也在130~150W／m·K，所以，邊部的熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中間部分。圖2表示使用不同間隔物時，中空玻璃邊部溫度的變化。
冬天時，建筑物中空玻璃其四周部分的熱阻小，溫度下降明顯。由于室內(nèi)具有一定濕度，空氣中的水分碰到較低溫度的玻璃板就被冷凝，在中空玻璃的邊緣產(chǎn)生結(jié)露結(jié)霜現(xiàn)象，這既影響美觀，又對密封材料造成損害。
為改善中空玻璃四周部分熱阻過小、容易結(jié)露結(jié)霜現(xiàn)象，研究方向集中在間隔條材質(zhì)和間隔條形狀的熱性能上。結(jié)果表明，采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料替代傳統(tǒng)的鋁質(zhì)間隔條，能使內(nèi)層玻璃周邊溫度比過去高，避免內(nèi)層玻璃邊緣處的結(jié)露。
因此，導(dǎo)熱系數(shù)小的各種材料以及各種形狀的間隔條被大量研制出來，于是出現(xiàn)暖邊技術(shù)這一術(shù)語。
3 暖邊間隔系統(tǒng)的種類
中空玻璃間隔系統(tǒng)基本上可分為兩大類：一類為低導(dǎo)熱系數(shù)的金屬框與密封膠組成的剛性間隔，另一類是以高分子材料為主制成的非剛性間隔條。
在1995年前，主要是鋁質(zhì)間隔框。暖邊技術(shù)產(chǎn)生之后，暖邊間隔系統(tǒng)占據(jù)了整個北美市場的82％左右，其中剛性間隔占據(jù)54％，主要為U型的不銹鋼材料；非剛性間隔占據(jù)28％，如Swiggle膠條以及其他含干燥劑的聚硅酮發(fā)泡產(chǎn)品。剩下的18％仍然是鋁質(zhì)間隔框。
3．1 框架式剛性間隔系統(tǒng)
由于不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)大大低于鋁，用不銹鋼材料替代鋁質(zhì)間隔條，它們的導(dǎo)熱系數(shù)之比為1：11，所以可改善中空玻璃邊部熱阻過小的狀況。美國PPG公司的產(chǎn)品Intercept，先用不銹鋼帶壓制成槽型，然后在槽內(nèi)鋪上含分子篩的膠泥，接著在邊部涂層膠，再折框，最后合片。其特點是折框設(shè)備全自動，生產(chǎn)速度快，適合生產(chǎn)批量大、規(guī)格簡單的民用建筑的中空玻璃。
該間隔系統(tǒng)能提供足夠的強度以保持玻璃片平整，防止絕緣氣體外溢和濕氣進(jìn)入，其關(guān)鍵技術(shù)是密封膠。中空玻璃在使用期間面臨著來自外界的溫差、氣壓、風(fēng)荷載等影響，因此密封膠既要保證系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，還要防止外來水汽滲透進(jìn)入中空玻璃的空氣層內(nèi)。
對密封膠的性能要求主要有與基材(玻璃、間隔條)的粘接能力、在使用環(huán)境下的耐水性、抗太陽光紫外線照射能力、耐高溫性和耐低溫性。要求密封材料在膨脹收縮的動態(tài)下不開裂老化。
密封膠可分外兩大類：結(jié)構(gòu)密封和低水汽滲透率密封(low MVT sealants)。用于結(jié)構(gòu)密封的主要為熱固性材料，如聚硫膠、聚胺脂膠和硅酮膠等，它們增強了中空玻璃的穩(wěn)定性，都具有較高的模量值。但氣密性差，抗水汽滲透率差，一般大于15g／㎡．d，硅酮膠達(dá)到50g／㎡．d。低水汽滲透率密封主要為熱塑性材料，常用的為聚異丁烯(PIB)，水汽滲透率小于lg／㎡．d。由于是熱熔性的，其操作溫度為150℃左右。
密封技術(shù)與暖邊產(chǎn)品的關(guān)系密切，不同的暖邊產(chǎn)品有其相應(yīng)的密封工藝。它們都影響到中空玻璃的質(zhì)量，也與其隔熱功能密切相關(guān)。
3．2 條狀式非剛性間隔系統(tǒng)
由于高分子材料導(dǎo)熱系數(shù)小，所以采用熱固性材料做間隔條得到很大發(fā)展。TruSeal公司的Swiggle膠條將干燥劑與塑料做成一體，中間嵌以波紋狀金屬隔片，在我國很普遍。其另一產(chǎn)品Insuledge是非金屬的矩形管狀隔條，中間是波紋狀管形內(nèi)芯，波紋可抗壓，又能適當(dāng)伸展。外面套一矩形管狀箔片，以增強間隔條抗水汽滲透的性能，邊部膠層防濕汽，內(nèi)層含有干燥劑，造型美觀，單道與雙道密封均可。其特點是用中空取代了固體材料或發(fā)泡材料，充分利用了空氣導(dǎo)熱系數(shù)小的特點，強度則通過波紋管得以增強。其間隔空間為13mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0．08W／m·K，水汽滲透率為0．098H2O／㎡．d。產(chǎn)品DuraSeal可適用于雙層、三層的中空玻璃，用熱壓方法密封，一步制成，間隔空間為6~18mm。
Edgetech公司的產(chǎn)品Super Spacer與其他用丁基橡膠包裹不銹鋼或鋁質(zhì)間隔條的暖邊產(chǎn)品不同，它是完全用高絕緣的熱固性材料制成的膠條，不含金屬。是一種含有干燥劑、具有抗壓縮功能的聚硅酮發(fā)泡產(chǎn)品，內(nèi)含上百萬個微型氣泡。其導(dǎo)熱系數(shù)與鋁的比值為l：950，與不銹鋼的比值為1：85。
一般而言，含有金屬的剛性間隔框比較硬，對自然的膨脹和收縮會產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致密封失敗。該產(chǎn)品盡管由熱固性材料制成，但能抵抗風(fēng)壓，并隨溫度變化而膨脹和收縮，始終保持中空玻璃整個結(jié)構(gòu)的完整和穩(wěn)定。采用雙道密封，結(jié)構(gòu)密封為丙烯酸膠。
隨著對建筑美觀上的要求不斷提高，窗戶的形式也多樣化，其發(fā)展趨勢是強調(diào)個性化，避免雷同。如果一扇大窗戶由12個玻璃窗組成，則要有12套間隔系統(tǒng)，這既花費大，操作時對窗框的精確度要求又高。該公司設(shè)計出一種窗隔條，能一次將24塊玻璃安裝完畢，外觀上就像有12個獨立的玻璃窗，又能達(dá)到暖邊的效果。
此外，塑料間隔框由于導(dǎo)熱系數(shù)小，也得到大量應(yīng)用。但其缺點是加工時不易被彎曲，不易在生產(chǎn)時做成整件。因此，先做成塑料條，然后根據(jù)間隔框尺寸被割斷成直條，再在直條端連接形成框架。與金屬相比，塑料的氣密性較差，所以這樣連接的間隔框的邊角部對氣密要求是個薄弱點。
4 中空玻璃間隔層內(nèi)的氣體
暖邊技術(shù)的一個重要方面是密封技術(shù)，它與中空玻璃間隔層內(nèi)的氣體密切相關(guān)。最常用的內(nèi)充氣體為干燥空氣，干燥空氣中無水分，所以在玻璃冷面上不會結(jié)露和結(jié)霜，同時干燥空氣的導(dǎo)熱系數(shù)也比濕空氣小，其來源方便，在生產(chǎn)中使用較廣泛。隨著玻璃鍍膜技術(shù)的發(fā)展，采用惰性氣體以及六氟化硫、鹵代烴R13和R12為內(nèi)充氣體的中空玻璃不斷增多。
常用的惰性氣體有氬氣、氪氣和氙氣，它們安全無毒、無色無臭、不會燃燒，導(dǎo)熱系數(shù)都比空氣小，是較好的隔熱體。氪氣可用來制作間隔層較小、隔熱性能好的中空玻璃，氪氣價格較為昂貴。自然狀態(tài)下的氙氣非常稀少，提純價格高，因而很少用于中空玻璃的制作。六氟化硫在一些要求較高的場所也有使用，且具有很好的隔音效果，但其露點較高。
氬氣在空氣中的含量較高，l00L氣體中約含934mL，其露點較低，對太陽能的反應(yīng)不敏感，也可以充氣在燈泡中。通過中空玻璃的能量主要由熱輻射造成，用普通透明玻璃制成的中空玻璃，其輻射率高，能吸收大量輻射熱，即使內(nèi)充氬氣，其隔熱效果也不明顯。
Low—E玻璃的鍍膜有效地阻擋了輻射熱，使氬氣導(dǎo)熱系數(shù)低的特性得到充分發(fā)揮。因為內(nèi)充氬氣節(jié)能效果顯著、成本低廉且簡單易行，所以使用較多。間隔層內(nèi)惰性氣體的濃度對傳熱也有一定影響，歐美國家中空玻璃行業(yè)內(nèi)被普遍接受的充氣濃度為80％，在充氣濃度提高10％以上之后，中空玻璃的傳熱效果將下降近10％，使節(jié)能效果進(jìn)一步提高。
在建筑節(jié)能過程中，最初是普通中空玻璃，其后是Low—E玻璃，現(xiàn)在則是暖邊技術(shù)的發(fā)展。傳熱的三種方式為導(dǎo)熱、對流和輻射，降低中空玻璃的傳熱性能，可采用以下重要的技術(shù)手段：中空的Low—E玻璃可降低輻射熱的透過，內(nèi)充惰性氣體以及配上暖邊技術(shù)，可減小導(dǎo)熱的作用，合理地控制間隔尺寸的大小，能消除對流換熱的影響。較高檔的建筑玻璃構(gòu)件都采用了這些方法，這在發(fā)達(dá)國家很普遍。
5 結(jié)語
高分子技術(shù)的發(fā)展，使能設(shè)計出具有各種性能的間隔系統(tǒng)，能顯著地改善窗戶的特性。當(dāng)前暖邊技術(shù)的發(fā)展主要為兩個方面，首先是更加注重間隔物的隔熱性能，如采用管狀、發(fā)泡高分子材料等，以滿足不斷提高節(jié)能要求的標(biāo)準(zhǔn)；其次是在材料設(shè)計上，較多地使用抗氣體擴散的箔片(有時采用極薄的不銹鋼片)、薄膜粘接的應(yīng)用與新型鍍膜玻璃的結(jié)合等。先進(jìn)的高分子擠壓技術(shù)能制成各種形狀的間隔物，使之能夠用在各種新式窗戶，如彎曲的窗戶、冷藏展示柜等不同場合。同時，也非常注重降低生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品在市場上更有競爭力。
在發(fā)達(dá)國家，第2、3代的暖邊產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，并仍然集中力量研究開發(fā)暖邊技術(shù)，暖邊技術(shù)肯定會在原先基礎(chǔ)上不斷演繹、發(fā)展。這給我們的啟示是，中空玻璃的制作應(yīng)根據(jù)市場需求的實際情況而確定，做到量體裁衣，物盡所用，使其發(fā)揮應(yīng)有的作用。
對中空玻璃的研究，應(yīng)將重點放到暖邊技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上，在該領(lǐng)域，有很多新型材料、新型結(jié)構(gòu)可以被研制出來，研究開發(fā)的空間較大。此外，繼續(xù)研制和生產(chǎn)高隔熱、高耐久性、高舒適感的新型中空玻璃仍是今后的發(fā)展方向。
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