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（词条“惰性气体”由行业大百科提供）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。

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