中空玻璃内层结露原因分析及控制措施
引言
我国的建筑能耗约占全国能源消耗总量30%, 目前我国建筑单位面积能耗仍是气候相近的发达国家的2 ～ 3倍左右。北方寒冷地区建筑采暖能耗已占当地能耗总量20%以上, 而与此同时却是全国由南及北空调逐步热起来的浪潮。对于整幢建筑来说, 门窗（词条“门窗”由行业大百科提供）的面积占建筑面积的比例超过20%,玻璃在其中约占70%以上, 而从节能角度来讲, 整个建筑的能耗中, 通过门窗散热能耗约占50%, 比例很高, 特别是村镇建筑中门窗的传热与气密性是整个外围护结构最薄弱的环节。因而, 降低建筑门窗的能耗, 提高建筑门窗保温隔热性、气密性是我们面临的紧迫任务。随着建筑节能工作的深入, 大量不节能的村镇建筑外门窗也将采用中空玻璃, 市场潜力巨大, 这其中, 中空玻璃使用量的日益增加, 提高中空玻璃的保温性、耐久性, 避免其功能失效对建筑节能行业意义重大。
据国内对使用两年后的中空玻璃进行调查, 中空玻璃的失效率为3% ～ 5%, 造成失效的原因一是中空玻璃空气层内露点上升, 内部结露(见图2), 占63%;二是中空玻璃炸裂, 占26%, 这两种原因构成了总失效的89%, 其余的只占11%。从图1中可以看出, 中空玻璃空气层内部结露问题突出, 不仅影响其透湿度, 并降低中空玻璃的隔热效果, 必须引起高度重视, 分析原因, 采取一定的控制措施。
1 中空玻璃内部结露原因分析
结露的定义是表面温度低于附近空气露点温度时, 结构表面出现冷凝水（词条“冷凝水”由行业大百科提供）的现象。结露的关键是湿空气露点温度, 中空玻璃的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, 当面层温度低于该温度时, 空气层中的水汽便会在玻璃内表面结露或结霜(玻璃内表面温度高于0℃时为结露, 低于0℃时为结霜)。露点与空气中的含湿量和相对湿度（词条“相对湿度”由行业大百科提供）有一一对应关系, 含湿量越高, 露点的温度也越高。见表1。
国家标准GB11944-2002《中空玻璃》规定中空玻璃的露点为-40℃, 按照此规定, 建筑用塑钢中空玻璃窗在日常使用中应不会出现内层结露或结霜问题, 出现这种现象的原因可归结为内层空气层露点上升。而中空玻璃空气层露点上升的原因主要是由于外界的水分进入空气层而又不被干燥剂吸收所造成的。具体来说, 有以下三种原因可导致中空玻璃露点上升。
1.1 密封胶挤压不实或含有机械杂质
中空玻璃与铝管间隔体之间用两道弹性密封胶粘结, 第一道采用丁基橡胶密封, 第二道采用结构硅酮胶密封。实际生产过程中, 如果密封胶中存在机械杂质或涂胶过程中挤压不实, 致使胶体内部存在毛细管, 并在间隔层内外压差或湿度差的作用下, 空气中的水分进入空气层, 使中空玻璃间隔层中含水量增加。
1.2 水汽通过密封胶进入间隔空气层
密封胶一般为均匀高分子聚合物（词条“聚合物”由行业大百科提供）, 而聚合物又不是绝对不透气的, 其两侧由于逸度差(压差或浓度差)的存在, 成了聚合物做等温扩散的驱动力。对于中空玻璃的密封胶而言, 主要扩散物就是空气中的水分, 水分的扩散遵循以下关系式
J=P/L·Δp (1)
式中，J——扩散速率, 指单位时间单位面积上气体通过一定厚度的聚合物的扩散量;
L——聚合物厚度;
P——气体渗透系数, 是材料固有的一种物理性质;
Δp——聚合物两侧的气体分压差。
从式(1)可知, 影响水蒸气扩散的因素主要是聚合物的气体渗透系数(气密性);胶层厚度和空气内外的水汽分压差。水份扩散是中空玻璃失效的最主要原因。
1.3 干燥剂的有效吸附能力低
对干燥剂的要求是不但要吸附掉中空玻璃密封单元在组装过程中密封于空气中的水分, 使得中空玻璃有合格的初始露点, 还要不断地吸附通过胶层扩散到空气层中的水分, 继续保持符合使用要求的露点。如果干燥剂的吸附能力差, 不能有效地吸附通过扩散进入空气层中的水份, 就会导致水份在空气中聚集, 水分压提高, 中空玻璃的露点上升。
2 避免内层结露的措施
要想延长中空玻璃的使用寿命, 必须严格控制中空玻璃露点上升, 需从各个环节加以控制。
2.1 严格控制生产环境的湿度
生产环境的湿度主要是影响干燥剂的有效吸附能力的剩余吸附能力。剩余吸附能力是指中空玻璃密封后, 干燥剂吸收空气层的水份, 使之初始露点达到要求, 干燥剂还具有吸附能力, 这部分吸附能力称之为剩余吸附能力或剩余吸附量。剩余吸附量的作用是不断地吸附从周边扩散到空气层中的水份。剩余吸附量的大小决定着对中空玻璃在使用过程中, 通过扩散进入空气层的水份吸附量的大小, 也就决定着水份在空气层中聚集速度的快慢, 从而决定着中空玻璃有效使用时间的长短。那么, 中空玻璃生产车间相对湿度控制到多少比较合适呢? 根据上述观点和国外生产试验得出的初步数据来分析, 采用湿度平衡法比较科学合理。首先要确定用足够干燥剂来除去生产中进入中空玻璃空气隔热层内的水分, 以及在中空玻璃使用寿命期内, 进入中空玻璃隔热层内的水分。根据分析和国外相关资料表明, 相对湿度在50% ～ 55%(20 ±1℃)为宜。
2.2 减少水分通过密封胶的扩散
选择低渗透系数的密封胶。由式(1)可知, 水分通过密封胶的扩散量与气体渗透系数成正比, 因此, 选择气体渗透系数低的中空玻璃密封胶是减少气体扩散速度的有效措施之一。中空玻璃生产常用的密封胶有:丁基橡胶（词条“橡胶”由行业大百科提供）、聚硫橡胶和硅橡胶等。它们的气体渗透系数为:丁基橡胶1 ～ 1.5 g/m2·d·cm,聚硫橡胶7～8 g/m2·d·cm, 硅橡胶10～15 g/m2·d·cm。可见丁基橡胶的气体渗透系数最小, 所以双道密封玻璃由于使用了丁基橡胶, 其有效使用期要好于单道密封的中空玻璃。单道密封的中空玻璃的密封胶要采用聚硫胶而不宜采用硅橡胶。
合理确定胶层厚度。从式(1)中可知, 气体通过聚合物扩散的量与胶层厚度成反比。胶层越厚其扩散量越小, 所以GB11944-2002 中规定:使用双道密封胶时, 胶层厚度为5～7mm, 使用单层密封胶时, 胶层厚度为8±2mm, 保证胶层厚度也是减少水汽扩散的重要一环。
减少中空玻璃胶层的内外湿度差。从式(1)中可知, 减小中空玻璃内外的水汽分压差可以减少水汽通过胶层的扩散量, 作为中空玻璃其空气层的湿度(水汽分压)越低越好, 要减少Δp, 只有减小外部环境的湿度(或水汽分压), 这可以采用在安装框架上开排水孔, 使沿玻璃表面流到框架内部的积水能迅速排出, 从而保持玻璃周边干燥, 以延长中空玻璃的有效使用时间。
2.3 减少干燥剂与大气接触时间
缩短生产工艺时间, 尽量减少干燥剂与大气接触时间, 提高干燥剂的剩余吸附能力。
2.4 合理控制间隔的导气缝隙
干燥剂一般都是在密封的情况下灌注到间隔框中的, 吸附大气中的水是通过导气缝隙进行的, 导气缝隙越大, 干爆剂的吸水速率越快, 有效吸附能力的损失也就越多, 因此要求中空玻璃间隔框的导气缝隙尽量小些, 但要确保中空玻璃符合标准要求的初始露点。
2.5 选择适当吸附速率的干燥剂
适当选择干燥剂的吸附速率, 合理的包装运输,较小玻璃的破损等都是一些很有效的措施。另外, 需要着重指出的是, 目前市场上存在以双层玻璃顶替中空玻璃的现象, 甲方使用时发现有内层结露失效现象, 双层玻璃内层结露的原因与上述中空玻璃内层结露原因不同。双层玻璃一般采用双面贴或其它方法, 将两片预先划裁好的玻璃间隔一定距离, 然后进行粘结固定, 后进行二道胶密封, 构成双层玻璃窗。这种窗内层结露的原因是由于双层玻璃内层没有干燥剂吸附水分, 致使密封于玻璃内层的空气相对湿度与生产车间的相对湿度相同, 湿度较高, 露点较高, 极易结露。若双层玻璃密封严实, 则双层玻璃内层空气的露点温度与生产车间的温湿度一一对应(见表2)。
由表2可以看出, 同一相对湿度下, 双层玻璃内层空气露点温度随着使用环境温度的升高而升高;同一温度下, 双层玻璃内层空气露点温度随着生产车间相对湿度的增大而升高, 且生产车间相对湿度的变化对内层空气露点影响很大。因此, 即使生产双层玻璃也应该严格控制生产车间的温湿度。若双层玻璃露点温度若双层玻璃生产车间温度为25℃, 相对湿度60%, 则玻璃内层空气的露点温度16.7℃, 此类窗户使用过程中, 当环境温度变化时, 夹层空气被密封且没有干燥剂吸附水分, 也就是说, 当环境温度低于16.7℃时, 双层玻璃内层玻璃上就会出现结露现象。而16.7℃这一温度在我国北方地区春、秋季节都比较常见, 更不用说冬季,因此此类窗户若在我国北方地区使用, 将会大面积出现内层结露现象。鉴于上述原因, 国家建设部早在2001年就禁止非中空玻璃单框双玻门窗(659号公告)用于民用建筑工程。
3 结论
建筑物门窗、外墙、屋面、地面等外围护结构构件中, 门窗的保温性能最差, 通过门窗的耗热最多,是建筑节能的最薄弱环节, 所以, 改善门窗的绝热性能是抓好建筑节能的重点。而中空玻璃作为公共建筑50%节能、居住建筑65%节能的主推产品, 提高其质量更是当今建筑节能技术的重中之重。因此,通过选料、加工制造、工艺环境等各个环节加以控制, 能够防止中空玻璃结露失效, 延长其使用时间,减少维修费用, 这不仅能带来经济效益, 同时可以获得更好的社会效益。
