1　引　言
    近年來，許多新一代節(jié)能性能好的中空玻璃相繼問世。這些中空窗使用了許多旨在改善中空玻璃熱性能的技術(shù)， 如LOW－E玻璃，氬氣和暖邊間隔條。但值得注意的是，現(xiàn)有的用于檢驗(yàn)中空玻璃耐久性的標(biāo)準(zhǔn)并沒有將此列為檢驗(yàn)的內(nèi)容。
    中空玻璃內(nèi)充惰性氣體本身對中空玻璃行業(yè)和一些從事中空玻璃耐久性研究的研究人員提出了挑戰(zhàn)。測定中空玻璃內(nèi)的惰性氣體的濃度對評估中空玻璃內(nèi)使用膠的整體性能是首先要解決的問題。此外還必須解決如何來測定中空玻璃在加速老化試驗(yàn)前后的惰性氣體濃度的變化問題，這一點(diǎn)與中空玻璃的密封壽命有關(guān)。
    本文旨在敘述總結(jié)歐美測定中空玻璃內(nèi)惰性氣體氬氣濃度的幾種方法，并對節(jié)能窗密封壽命的若干檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋。本文所介紹的檢驗(yàn)結(jié)果以加拿大國家研究中心發(fā)表的NRCC－38769 技術(shù)報(bào)告為主要參考內(nèi)容。

    2　測定中空玻璃耐久性的標(biāo)準(zhǔn)方法
    用于測定傳統(tǒng)中空玻璃耐久性的標(biāo)準(zhǔn) (DIN1984， BSI1979，ASTM1993， CGSB19900)業(yè)已存在 。各個(gè)國家的國家標(biāo)準(zhǔn)通常包括測定加速老化試驗(yàn)前后的露點(diǎn)。加速老化試驗(yàn)的內(nèi)容通常包括大氣循環(huán)和高濕暴露兩方面。此外，還包括測定因紫外線照射引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系膠揮發(fā)性霧化試驗(yàn)。 2.1　大氣循環(huán)試驗(yàn)
    在大氣循環(huán)試驗(yàn)中，將送檢的中空玻璃樣品懸掛在架子上，一面朝向?yàn)閷?shí)驗(yàn)室環(huán)境(見圖1)，另一面面臨－32℃～－53℃的溫度，在溫度循環(huán)的下降階段，用水澆淋降溫。一個(gè)循環(huán)為4 個(gè)小時(shí)(見圖2)，整個(gè)試驗(yàn)為320個(gè)循環(huán)。
 

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    2.2　高濕試驗(yàn)
    送檢的中空玻璃放在密封箱里。箱內(nèi)相對濕度為100％，溫度在22℃－52℃之間變化， 每個(gè)循環(huán)為3小時(shí)，共計(jì)224循環(huán)(見圖3、圖4)。[att]65][/att]
 

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    2.3　紫外線照射試驗(yàn)在暴露在紫外線的條件下，中空玻璃內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系成分(如密封膠)可能釋放出揮發(fā)氣體，當(dāng)氣體冷凝在冷玻璃表面時(shí)，就可能形成一層影響玻璃可視度的薄薄的油膜。在揮發(fā)霧化試驗(yàn)中，送檢的中空玻璃受紫外線太陽燈的照射為時(shí)7天，溫度保持在60℃(見圖5)。試驗(yàn)中，揮發(fā)物集中在中空玻璃與冷盤接觸的一面。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，中空玻璃放到觀測箱內(nèi)觀測是否有沉淀物產(chǎn)生。
 

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    當(dāng)中空玻璃生產(chǎn)廠家生產(chǎn)中使用某種新材料包括密封膠、干燥劑或間隔條時(shí)，就須對中空玻璃進(jìn)行檢驗(yàn)。

    測定中空玻璃露點(diǎn)的溫度(按大氣循環(huán)和高濕標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)得出試驗(yàn)前后的露點(diǎn)，但此檢驗(yàn)不包括紫外線照射)對判斷中空玻璃密封膠的整體性和干燥劑吸收由生產(chǎn)密封在中空玻璃密封層內(nèi)殘余濕度的能力給出一個(gè)很好的指標(biāo)。這些試驗(yàn)本身也可用于檢驗(yàn)中空玻璃的生產(chǎn)過程，并可用來作為質(zhì)量保證的手段。

    3　惰性氣體的充氣方法

    中空玻璃的惰性氣體的充氣方法通常采用有兩種：真空箱法和氣體置換法。

    3.1　真空箱法

    使用真空箱法時(shí)，首先將中空玻璃放入箱內(nèi)里，再將箱內(nèi)氣體抽出，然后在向箱內(nèi)充回惰性氣體如氬氣。氬氣充填的多少取決于真空箱里達(dá)到的真空程度，以及充惰性氣體的時(shí)間。

    3.2　空氣置換方法

    使用空氣置換法時(shí)，在中空玻璃間隔條的同一側(cè)穿兩個(gè)孔，分別接近上下間隔條的位置。下孔用來往中空玻璃內(nèi)充如惰性氣體，上孔用來將所要置換的空氣排出。經(jīng)過若干時(shí)間后(具體時(shí)間長短取決于中空玻璃規(guī)格的大小，空氣層的寬度，以及向內(nèi)充入惰性氣體的速度)，位于排氣孔附近的惰性氣體探測器自動切斷向中空玻璃內(nèi)充氣的閥門。
    無論采用這兩種方法中的哪一種，都存在著中空玻璃內(nèi)所充氬氣不足的可能性，表現(xiàn)為所充的惰性氣體低于100％。通常在正常充氣時(shí)所充惰性氣體的水平應(yīng)達(dá)到95％到98％。但是對所充惰性氣體的中空玻璃大量取樣結(jié)果卻顯示，一些中空玻璃內(nèi)的氬氣惰性氣體僅僅達(dá)到50％甚至更低。造成所充氬氣如此低的原因有許多，諸如充氬氣的速度，排氣孔和充氣孔的位置，以及充氣的時(shí)間長短。在這些情況下，如果沒有適當(dāng)?shù)姆椒z驗(yàn)出中空玻璃內(nèi)的氬氣濃度的話，幾乎不可能查出向中空玻璃內(nèi)充氣不足。

    4　評價(jià)中空玻璃的惰性氣體泄漏或保有率的若干方法
    為保持由惰性氣體所帶來中空玻璃熱傳導(dǎo)性的改進(jìn)不變，就必須設(shè)法保證氬氣在中空玻璃壽命期間始終存在于中空玻璃內(nèi)。因此，檢驗(yàn)中空玻璃惰性氣體泄漏率的不同的方法相繼出現(xiàn)，但共同的原理是收集從中空玻璃內(nèi)跑掉的氬氣分子，或取樣中空玻璃內(nèi)稀釋的氬氣分子，然后對氣體進(jìn)行分析計(jì)算。但這些方法本身內(nèi)在具有不定性，使得所得的結(jié)果可靠性令人質(zhì)疑。另一些方法十分昂貴，因而不能在實(shí)踐中大量使用。

    本文在此對幾種有代表性的方法作一簡單介紹。

    4.1　漏氣收集箱法(德國標(biāo)準(zhǔn)）

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    將中空玻璃邊緣嵌入收集箱內(nèi)，并留出狹窄的空隙(見圖7)。然后向空隙內(nèi)充氦氣以除去空氣。將漏氣收集箱密封好并使其保持氣密4個(gè)小時(shí)。該方法的工作原理是任何從中空玻璃內(nèi)跑掉的氬氣都會被收集在密封箱的空隙層內(nèi)。然后空隙層又充入氦氣，不同的惰性氣體混合進(jìn)入空隙內(nèi)。接下來使用氣體色譜法將混合惰性氣體進(jìn)行分離分析。
    如果收集到的混合惰性氣體中有氬氣則表示中空玻璃中內(nèi)有氬氣向外泄漏。將所收集到的氬氣折算成氬氣的年平均泄漏量。該折算假定氬氣泄漏率在中空玻璃使用壽命期間內(nèi)不變。但這種假定本身就有一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)闅鍤獾男孤┞嗜Q于中空玻璃空氣層內(nèi)的氬氣與外部氬氣的局部壓強(qiáng)差，而局部壓強(qiáng)差是隨時(shí)間推移而遞減的。初期氬氣的泄漏速度較高，但隨著局部壓強(qiáng)差的減少氬氣的泄漏速度放慢。此外，如果收集箱氣密不好，任何從空氣中進(jìn)入收集箱內(nèi)的氬氣也會被當(dāng)作從中空玻璃內(nèi)泄漏出的氬氣�？梢姡摲椒▽κ占涞拿芊獬潭忍岢龊芨叩囊�，必須使其不受周圍環(huán)境的影響。為使這些可能出現(xiàn)的問題對該檢驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性影響較小，人們對漏氣收集箱法做了些改進(jìn)。

    4.2　改進(jìn)漏氣收集箱法(氣體箱法)

    使用該種方法時(shí)，將中空玻璃完全放入一個(gè)氣密箱內(nèi)。在測試開始時(shí)首先測定并記錄密封箱內(nèi)氬氣的濃度。正常情況下，空氣中的氬氣濃度為1％。如果箱內(nèi)的氬氣高出開始測定的濃度水平，都可認(rèn)定為是從中空玻璃內(nèi)跑出來的。與上述漏箱收集法類似，使用該方法測定的氬氣濃度變化后再將其折算成氬氣的年泄漏率。由于使用氣體色譜法探測出氬氣濃度的微小變化難度是相當(dāng)大，使用該方法測定的時(shí)間通常為2到4周。
　　上述兩種方法存在共同問題是試驗(yàn)時(shí)間過短。從中空玻璃內(nèi)收集到的稀釋氬氣出現(xiàn)任何誤差都要乘一個(gè)系數(shù)大約為2,000(漏箱收集法)或大約14(改進(jìn)漏箱收集法)，具體取決于測試的時(shí)間長短。因?yàn)檫@兩種方法的高度不確定性，有必要找出一種替代方法(本文后面將介紹)。

    4.3　喇曼分光鏡檢驗(yàn)法
    該種方法建立在氧氣和氮?dú)鈱舾行缘幕A(chǔ)上。當(dāng)激光的波長達(dá)到透過玻璃的非常大波長并入射到內(nèi)充氣體的中空玻璃時(shí)，空氣層內(nèi)的氮?dú)夂脱鯕夥肿颖患せ�，結(jié)果導(dǎo)致激光的頻率變化。激光的頻率變化是可測量的。信號的振幅與各種氣體的濃度成正比。雖然氬氣對喇曼不敏感，但其濃度的大小可以通過逆運(yùn)算求出。具體作法是，在加速大氣循環(huán)試驗(yàn)的前后分別測量出中空玻璃內(nèi)的氧氣和氮?dú)獾臐舛茸兓缓笸扑愠鲈摮涠栊詺怏w的中空玻璃對氬氣的保持能力。
    使用喇曼分光檢驗(yàn)法要求操作人員技術(shù)相當(dāng)熟練，環(huán)境無任何震動影響激光發(fā)射�？梢姡ㄗ鳛槌Ｒ�(guī)檢驗(yàn)法來使用成本是非常高的。此外，由于該方法不是直接測量氬氣的濃度，很可能結(jié)果是不準(zhǔn)確的。使用這種方法只檢查出氧氣和氮?dú)猓酥饪諝鈱觾?nèi)還有對喇曼法不敏感的其他氣體如氪氣和氖氣等等。

    4.4　惰性氣體提取分析法
    直接從中空玻璃的空氣層內(nèi)提取惰性氣體樣品的方法是將針頭插入中空玻璃的邊緣密封內(nèi)抽出混合惰性氣體樣品。然后對樣品用定氧分析法(但較好用氣體色譜法)進(jìn)行分析。由于用這種方法檢驗(yàn)破壞了中空玻璃邊緣密封的整體性，因此不建議使用該方法來具體檢驗(yàn)在大氣循環(huán)試驗(yàn)前后的同一中空玻璃以測定該中空玻璃的惰性氣體的損失程度。

    4.5　柱中色層分離法
    上述介紹的目前使用測定中空玻璃內(nèi)的氬氣濃度方法，不是方法復(fù)雜，就是不準(zhǔn)確或者是試驗(yàn)方法昂貴。這作為國家標(biāo)準(zhǔn)來說顯然是不行的。作為國家標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法必須同時(shí)滿足簡便、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面。
    新方法的基本原理是使用氣體色譜法(GC)來將中空玻璃空氣層內(nèi)的混合氣體分離開。例如，一個(gè)內(nèi)充氬氣的中空玻璃，其混合氣體的主要成分是氧氣、氮?dú)夂蜌鍤狻Ｊ褂迷摲椒▽⑦@些不同氣體分離開時(shí)，需使用一個(gè)10米或10米以上的長圓柱，在低于室內(nèi)溫度的條件下操作。
    選擇用于氣體色譜法的圓柱應(yīng)該考慮其用途及所要分析的混合氣體成分。如果是中空玻璃的話，則適合采用內(nèi)填充分子篩或其他多氣孔的聚合物的長柱。在實(shí)踐中人們使用市場上容易獲得的內(nèi)填充多氣孔聚合物的10米長的柱。在試驗(yàn)過程中，首先出現(xiàn)的是氮?dú)?分子量28)，接著是氧氣(分子量32)，較后出現(xiàn)的是氬氣(原子量39.9)。為能夠分離所有氣體并使結(jié)果可靠，整個(gè)分離過程是在－30℃條件下進(jìn)行的。圖9表示氬氣75％和25％空氣的混合氣體的氣體色譜圖。

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    5　結(jié)果準(zhǔn)確性的探討

    使用氣體色譜法的準(zhǔn)確性較主要取決于該方法校準(zhǔn)用的氣體及其純度。日常使用氣體色譜法來校準(zhǔn)應(yīng)采用合乎標(biāo)準(zhǔn)的高品質(zhì)的氣體。例如，當(dāng)使用純度為90％的氬氣來校準(zhǔn)時(shí)，必須保證其純度為90±0.001％。在使用兩個(gè)不同純度的氬氣(比如10％和95％)校準(zhǔn)后，再使用純度50％的氬氣用氣體色譜法來校準(zhǔn)，以確保氣體色譜法在整個(gè)測定區(qū)間的結(jié)果準(zhǔn)確性。 

    一般地說，當(dāng)氬氣的濃度在10％到95％之間，使用氣體色譜法分析所得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度在±0.1％。

    6　惰性氣體的取樣
    如前所述，從中空玻璃內(nèi)惰性氣體抽樣可使帶有用纖細(xì)針頭的氣密的針管來進(jìn)行。抽樣時(shí)主要考慮的問題是加速老化試驗(yàn)的前后分別在相同中空玻璃惰性氣體取樣如何保證不影響該中空玻璃的邊緣密封不受到任何影響。
    中空玻璃充填氬氣正常生產(chǎn)時(shí)在中空玻璃的間隔框扎穿兩個(gè)孔。通常這兩個(gè)孔要用聚合物塞堵住以保證邊緣密封。為從中空玻璃內(nèi)的惰性氣體取樣而不影響中空玻璃的密封，在已經(jīng)扎穿兩孔的間隔框中的一個(gè)孔用聚合物間隔密封塞封住(見圖10)。所使用的密封塞應(yīng)與制作中空玻璃的包括密封膠在內(nèi)的其他配件兼容。此外，該密封塞必需具有“自痊愈”的特點(diǎn)以使操作人員能反復(fù)使用而不導(dǎo)致氣體經(jīng)此途徑跑掉。密封塞的材料為熱塑橡膠是三元乙丙(EPDM)和聚乙烯的化合物。 為進(jìn)一步確保密封塞不會導(dǎo)致氣體的泄漏，還要對每一個(gè)抽樣的中空玻璃作浸熱水試驗(yàn)。將中空玻璃放入水溫保持在60℃的丙烯酸透明水漕里5分鐘，觀察在小孔附近是否有連續(xù)的水泡產(chǎn)生。

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    對150個(gè)由不同廠家提供的不同結(jié)構(gòu)的中空玻璃進(jìn)行浸熱水試驗(yàn)結(jié)果顯示任何一個(gè)“自痊愈”間隔密封塞都沒有漏氣現(xiàn)象。此外結(jié)果也顯示在加速老化試驗(yàn)后出現(xiàn)惰性氣體大量泄漏情況的一些中空玻璃在邊緣密封或插角連接處有針眼。

    7　試驗(yàn)結(jié)果
    使用大氣循環(huán)、高濕和揮發(fā)氣體(霧)試驗(yàn)對大量的中空玻璃的密封耐久性進(jìn)行測定。在試驗(yàn)前后(除紫外線試驗(yàn)外)分別對中空玻璃空氣層內(nèi)的混合氣體的露點(diǎn)溫度進(jìn)行測定。此外，還分別對試驗(yàn)前后的氬氣濃度進(jìn)行測量。
　　表1至表3列出了送檢的中空玻璃結(jié)果。這些送檢中空玻璃由不同廠家制作，盡可能地覆蓋目前行業(yè)中廣泛使用的各種密封膠和間隔條。

     8　討　論
     8.1　加速老化試驗(yàn)代表5年的使用壽命
     假定中空玻璃的加速老化試驗(yàn)代表5年的實(shí)際使用壽命。如果該假定成立的話，則試驗(yàn)后5％氬氣泄漏率是合理的(5％表示氬氣年泄漏率為1％)。再假定中空玻璃的使用壽命或保質(zhì)期為20年，1％的氬氣年泄漏率可保證中空玻璃空氣層內(nèi)填充的氬氣20年泄漏的氬氣不超過20％。

    表1至表3顯示(1) 送檢中空玻璃所填充的惰性氣體水平是不相同的；(2)初始?xì)鍤馑降图铀倮匣囼?yàn)后的氬氣濃度接近0％；(3)初始?xì)鍤馑降偷铀倮匣囼?yàn)后的氬氣水平接近初始?xì)鍤馑剑?4)不同結(jié)構(gòu)的中空玻璃試驗(yàn)后氣體的泄漏程度也是不同的。

    表1 大氣循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果 氬氣泄露率

   表2 高溫試驗(yàn)結(jié)果 氬氣泄露率

   表3 紫外線（化學(xué)霧）檢驗(yàn)結(jié)果 氬氣泄露率

    8.2　填充惰性氣體水平的差異
    假定某一廠家送檢的中空玻璃的氬氣含量是相同的。但我們從表一發(fā)現(xiàn)送檢的五組中空玻璃的初始?xì)鍤鉂舛仁怯胁顒e的，因此這種假定是不正確的，會導(dǎo)致錯(cuò)誤不準(zhǔn)確的結(jié)論。
    表中的中空玻璃氬氣氣體的含量有的高達(dá)99％，而有的卻低至31％。產(chǎn)生氬氣填充水平如此大的差異的原因可能是多種多樣的，比如控制氧氣填充速度的難度，填充過程結(jié)束時(shí)排氣閥關(guān)閉的準(zhǔn)確時(shí)間，以及排氣孔和充氣孔的位置等等。表中給出送檢中空玻璃的初始?xì)鍤夂浚骄蕉嫉陀趶S家所說的95％水平。有的組平均氬氣水平為79％，有的高達(dá)92％。高低懸殊的初始?xì)鍤馑娇梢杂杀碇薪o出的標(biāo)準(zhǔn)差看出。

     8.3　中空玻璃的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是導(dǎo)致氬氣泄漏的主要原因
     中空玻璃的初始?xì)鍤夂康涂梢哉J(rèn)為是由中空玻璃的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)導(dǎo)致大量氣體外泄造成的。操作人員不按操作規(guī)程操作容易被觀察測定出來。例如，如果初始?xì)鍤獾臐舛鹊褪怯刹僮魅藛T不認(rèn)真和草率造成的(如不打頭道密封膠、密封膠體帶有針眼或使用有缺點(diǎn)的插角等)，則當(dāng)中空玻璃到達(dá)送檢試驗(yàn)中心時(shí)，氬氣就會全部跑掉。此外，這些低初始濃度氬氣的中空玻璃在加速老化試驗(yàn)后的氬氣濃度會接近0％。這些中空玻璃為在浸熱水試驗(yàn)顯示出有結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)的那些中空玻璃。

    8.4　中空玻璃填充的氬氣水平在加速老化試驗(yàn)前后是接近的
    有些中空玻璃在加速老化試驗(yàn)后的氬氣含量與試驗(yàn)前的初始?xì)鍤夂渴墙咏?見表1至表3)。例如，一些中空玻璃在加速老化試驗(yàn)前后的氬氣含量分別為31.3％和30.8％，另一些分別為53.7％和53.1％。這表明中空玻璃的邊緣密封和間隔密封塞是好的，但氬氣充填不足。

    8.5　中空玻璃的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與氬氣泄漏的關(guān)系
    中空玻璃的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會導(dǎo)致試驗(yàn)后氬氣的大量泄漏，而與操作人員的操作無關(guān)。比如，在大氣循環(huán)試驗(yàn)條件下，采用復(fù)合鋁箔的橡膠條(又稱舒適膠條)單道密封的中空玻璃會出現(xiàn)大量氬氣泄漏(試驗(yàn)中的平均氬氣泄漏率為33.66％)，這是由于用于舒適膠條的丁基膠是一種工作溫度區(qū)間有限的熱塑橡膠，在高低溫條件下會出現(xiàn)蠕變或因變硬變脆而喪失黏性。相比之下，采用硅酮膠的雙道密封的中空玻璃的氬氣泄漏率較低(平均為2.38％)，這是因?yàn)楣柰z是作為結(jié)構(gòu)膠其耐候性質(zhì)優(yōu)異的緣故。
    在高濕試驗(yàn)條件下，采用舒適膠條的單道密封中空玻璃對氬氣的保持能力在所送檢中空玻璃中表現(xiàn)卻是較優(yōu)的(平均為0.90％)，這是因?yàn)槭孢m膠條的主要組成部分丁基膠的水氣透過率較低的緣故。相比之下，采用硅酮膠的雙道密封的中空玻璃的氧氣在試驗(yàn)后泄漏卻是較高的(平均為18.07％),這是因?yàn)楣柰z的水氣透過率非常大的緣故。
    由表1、表2和我們的上述討論不難得出這樣的結(jié)論，舒適膠條在溫度較溫暖且年溫差不大或濕度大的地方較適用，而在年溫差非常大的地方(如我國的北方特別是東北地區(qū))，更適用的中空玻璃結(jié)構(gòu)應(yīng)該是雙道密封結(jié)構(gòu)。
    特別值得注意的是，使用硅酮微孔間隔條(即超級間隔條)的雙道密封的中空玻璃無論在大氣循環(huán)試驗(yàn)還是在高濕試驗(yàn)中對氬氣的保持能力表現(xiàn)都是十分優(yōu)異的。使用超級間隔條的雙道密封結(jié)構(gòu)的中空玻璃在大氣循環(huán)后氬氣的泄漏率為0.93％，在高濕試驗(yàn)后氬氣泄漏率為1.07％。換句話說，在送檢的不同結(jié)構(gòu)的中空玻璃中，只有超級間隔條在這兩項(xiàng)試驗(yàn)中表現(xiàn)的都好。這是與中空玻璃采用了逆向雙道密封結(jié)構(gòu)(頭道結(jié)構(gòu)第二道密封)設(shè)計(jì)有直接關(guān)系。如果說加速老化試驗(yàn)代表5年的實(shí)際使用壽命的話，則0.93％的氬氣泄漏率就表示氬氣年泄漏率為0.19％。