充氣中空玻璃惰性氣體泄漏率影響因素分析

閆冉 李俊杰

（中國國檢測試控股集團(tuán)股份有限公司 北京 100024）

0 引言

中空玻璃是指兩片或多片玻璃以有效支撐均勻隔開并周邊粘接密封，使玻璃層間形成有干燥氣體空間的玻璃制品［1］。充氣中空玻璃是通過用惰性氣體來替代中空腔體內(nèi)的干燥空氣，惰性氣體相對(duì)于空氣而言，密度大、導(dǎo)熱系數(shù)小，可以減少中空腔內(nèi)的熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，進(jìn)而降低了中空玻璃的傳熱系數(shù)，使中空玻璃的保溫性能和節(jié)能效果更加顯著，最終達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

近些年來，隨著政府的節(jié)能意識(shí)不斷提高，政府對(duì)各項(xiàng)節(jié)能政策都加大了扶持力度，使充氣中空玻璃受到了各方各面的重視，在市場上也不斷被大眾熟知?，F(xiàn)如今，越來越多的項(xiàng)目開始使用充氣中空玻璃，在一定時(shí)間內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)充氣中空玻璃主導(dǎo)現(xiàn)代建筑的發(fā)展趨勢。

在中空玻璃構(gòu)件中，間隔條、干燥劑、密封膠與玻璃形成了中空玻璃的邊部密封系統(tǒng)。邊部密封系統(tǒng)的質(zhì)量決定了中空玻璃的使用壽命。對(duì)于普通中空玻璃而言，腔體內(nèi)有目視可見的水汽產(chǎn)生，即中空玻璃失效［1］。對(duì)于充氣中空玻璃而言，除了普通中空玻璃的檢測項(xiàng)目外，氣體泄漏率的檢測是評(píng)價(jià)充氣中空玻璃質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，氣體泄漏率大小直接關(guān)系到充氣中空玻璃的使用壽命，氣體泄漏率越低，充氣中空玻璃質(zhì)量越好，使用壽命也就越長。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為泄露率測量裝置。在設(shè)備使用過程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控各參數(shù)的示值，保證實(shí)驗(yàn)過程的安全性及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 泄漏率測量裝置

不同規(guī)格樣品框可裝載種類不同的充氣中空玻璃（單腔中空玻璃、雙腔中空玻璃等）。樣品框的體積與充氣中空玻璃的外部體積差距越小，最終得出的泄漏率值越準(zhǔn)確［2］。為了保證較好的密封性能以及最終數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，樣品框的體積是固定不變的，所以在玻璃檢測過程中，如果樣品框中的自由體積過大，可以往樣品框中加入單片玻璃，減小自由空間從而增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

整個(gè)中空玻璃氣體泄漏率測試系統(tǒng)使用了氣體色譜分析儀（GC）作為自動(dòng)取樣器，如圖2所示。工作原理主要是將中空玻璃樣品放入樣品框后，在中空玻璃和樣品框之間仍留有一定的空間，若空間允許，將尺寸合適的單片玻璃放入框架中，以減少自由空間的體積。然后用一個(gè)帶O形環(huán)的蓋子密封樣品框。

圖2 氣體泄漏率測試系統(tǒng)示意圖

放入中空玻璃后，關(guān)閉樣品框，用±100 mL/min的氦氣流沖洗樣品框約1 h［3］。沖洗結(jié)束后，連接樣品框的入口閥門和出口閥門將關(guān)閉，樣品框內(nèi)就可保持一定的大氣壓。此時(shí)，立即從樣品框中提取氣體樣品，并通過GC分析初始?xì)怏w濃度。同時(shí)，靜置時(shí)間開始。中空玻璃中的氬氣將泄漏/滲透到樣品框中，并增加樣品框中的氬氣含量。

在一定的靜置時(shí)間（8～10 h）后，從樣品框架中再次提取氣體樣本并由GC分析最終氣體濃度。通過測量的氣體濃度、靜止時(shí)間和樣品框內(nèi)的氣體體積，可計(jì)算出從中空玻璃中泄漏的氬氣含量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，降低框架內(nèi)的自由氣體體積，增加靜置時(shí)間，會(huì)增加泄漏的氬氣濃度，降低測量不確定度。

2 試驗(yàn)原理

依據(jù)EN1279-3:2018［2］，建立檢測中空玻璃惰性氣體濃度及泄漏率的方法為氣相色譜法。

氣相色譜儀是用于分析中空玻璃氣體層中惰性氣體成分濃度的設(shè)備，氣相色譜法的原理是利用不同物質(zhì)在兩相間具有不同的分配系數(shù)對(duì)混合氣體進(jìn)行分離，當(dāng)兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，試樣的各組分就在量相中經(jīng)反復(fù)多次的分配，使得原來分配系數(shù)只有微小差別的各組分產(chǎn)生很大的分離效果，從而將各相組分分離開來［3］，然后再進(jìn)入檢測器對(duì)各組分進(jìn)行鑒定。

根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN1279-3:2018《建筑用玻璃——中空玻璃第3部分：氣體泄漏率和氣體濃度的長期試驗(yàn)方法和要求》可知：氣體泄漏率是指每年從中空玻璃中間氣體層中泄漏出氣體的體積百分比，即指定時(shí)間內(nèi)，通過收集并分析密閉容器里中空玻璃泄漏的惰性氣體來測量中空玻璃氣體泄漏率。惰性氣體年氣體泄漏率應(yīng)不大于1%［2］。本文探討的充氣中空玻璃為充氬氣中空玻璃，計(jì)算公式為：

式中：Li——?dú)怏w年泄漏率，%/a；

mi——規(guī)定時(shí)間內(nèi)從中空玻璃腔體內(nèi)泄漏的氣體質(zhì)量，mg/h；

ci——初始?xì)怏w體積濃度百分比，%；

T0——標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的溫度，273 K；

P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的壓強(qiáng)，1014 hPa；

ro,i——標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的i氣體密度，mg/mm3；

T——中空玻璃合片時(shí)的環(huán)境溫度，K；

P——中空玻璃合片時(shí)的環(huán)境壓強(qiáng)，hPa；

Vint——中空玻璃的內(nèi)腔體積，mm3。

由以上計(jì)算公式便可得出充氣中空玻璃的氣體泄漏率。

計(jì)算氣體泄漏率必須要知道規(guī)定時(shí)間內(nèi)從中空玻璃腔體內(nèi)泄漏的氣體質(zhì)量，泄漏的氬氣質(zhì)量mAr通過式（2）表示：

式中：VAr——規(guī)定時(shí)間內(nèi)從中空玻璃腔體內(nèi)泄漏的氬氣體積，mm3；

ro,Ar——標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的氬氣密度，mg/mm3；

t0——?dú)怏w泄漏所需的時(shí)間，h；

Tm——實(shí)驗(yàn)室的溫度，K；

Pm——實(shí)驗(yàn)室的壓強(qiáng)，hPa；

T0——標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的溫度，K；

P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的壓強(qiáng)，hPa。

規(guī)定時(shí)間內(nèi)從中空玻璃腔體內(nèi)泄漏的氬氣體積VAr可表示為：

式中，Vfree為裝有玻璃的密封容器（樣品框架）中除去玻璃以外的氣體自由流動(dòng)的空間, 可表示為：

式中：Vb—— 密閉箱體（樣品框架）的體積，為固定值；

Vext——玻璃的外部體積，即為玻璃的外長、外寬、外高的乘積。

Vext可表示為：

式中：d4，d5，d6——中空玻璃的外長、外寬、外高。

將式（4）、式（5）代入公式（3），VAr可表示為：

CAr是通過氣相色譜法得出的，可通過圖1求得。

圖4中校準(zhǔn)氣體為含有20×10-6和 50×10-6氬氣的氦氣源，通過這兩種校準(zhǔn)氣體對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，即可得出校準(zhǔn)曲線。校準(zhǔn)氣體濃度與峰位面積之間的直線圖給出了標(biāo)定線。該線用于根據(jù)Ar峰位面積確定氣體樣品中Ar氣體濃度，即CAr。此方法適用于充氣中空玻璃腔體內(nèi)充有氬氣的樣品。若檢測充有其他惰性氣體的的充氣中空玻璃氣體泄漏率，需要更換校準(zhǔn)氣體，重新制作校準(zhǔn)曲線。復(fù)雜的因素是空氣中含有1%的氬氣，當(dāng)測試氬氣含量較少的中空玻璃時(shí)，空氣中的氬氣含量會(huì)對(duì)氣體泄漏測試系統(tǒng)產(chǎn)生影響。所以氬氣泄漏測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是基于空氣樣本中的氬氣、氧氣和氮?dú)庾V峰面積決定的。為了保證最終結(jié)果的準(zhǔn)確性與客觀性，此校準(zhǔn)曲線需要每6個(gè)月重新做一次。

標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：

式中：y——峰面積；

k——標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率；

CAr——?dú)鍤庑孤┑臐舛?，?0-6；

b——標(biāo)準(zhǔn)曲線截距。

經(jīng)線性最小二乘法擬合后得到的回歸方程為：

y＝984.35CAr＋438.37（R2＝0.9993）

通過氣相色譜法可得出泄漏的惰性氣體的峰面積，經(jīng)過此校準(zhǔn)曲線即可計(jì)算出規(guī)定時(shí)間內(nèi)泄漏的氬氣濃度CAr。將通過校準(zhǔn)曲線計(jì)算的氬氣濃度帶入公式（6），即可得出規(guī)定時(shí)間內(nèi)從中空玻璃腔體內(nèi)泄漏的氬氣體積。

中空玻璃的內(nèi)腔體積Vint為：

式中：d1，d2，d3——中空玻璃內(nèi)腔的長、寬、高。

將式（2）、式（6）、式（8）帶入公式（1）可得：

從此公式可得出：中空玻璃腔體內(nèi)惰性氣體泄漏率與標(biāo)準(zhǔn)大氣下惰性氣體的密度并沒有直接的關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)室溫度與壓強(qiáng)有直接關(guān)系，所以在實(shí)驗(yàn)過程中，一定要嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)室溫度，不能超出EN1279-3:2018《建筑用玻璃——中空玻璃第3部分：氣體泄漏率和氣體濃度的長期試驗(yàn)方法和要求》所規(guī)定的的溫度范圍，否則會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有直接的影響。另外生產(chǎn)廠商在合片過程中一定要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度、壓強(qiáng)進(jìn)行合片，并對(duì)第三方檢測提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，否則會(huì)進(jìn)一步影響數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度。

3 結(jié)語

通過對(duì)EN 1279-3:2018標(biāo)準(zhǔn)的分析，詳細(xì)研究了氣體泄漏率的公式，主要得出以下結(jié)論:

（1）氣體泄漏率與玻璃的合片溫度和壓強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)室的溫度和壓強(qiáng)都有緊密的關(guān)系，所以對(duì)于廠方在充氣中空玻璃合片時(shí)一定要按照標(biāo)準(zhǔn)要求的溫度和壓強(qiáng)進(jìn)行合片，對(duì)于檢測方在檢測充氣中空玻璃氣體泄漏率時(shí)也要按照標(biāo)準(zhǔn)要求的溫度和壓強(qiáng)進(jìn)行試驗(yàn)，否則會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（2）氣體泄漏率的最終推導(dǎo)公式與惰性氣體的密度沒有實(shí)質(zhì)的相關(guān)性，若充氣中空玻璃中充有除了氬氣以外的其他惰性氣體，只需要將校準(zhǔn)氣體換成相對(duì)應(yīng)惰性氣體的氦氣源即可通過一系列公式推導(dǎo)出其他惰性氣體的泄漏率。

（3）在中空玻璃檢測過程中，靜置時(shí)間越長，最終數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，準(zhǔn)確度越高，所以在實(shí)驗(yàn)過程中可以適當(dāng)加長靜止時(shí)間［3］。