中空玻璃的充氣控制和低輻射鍍膜探測

　　4.2為什么驗(yàn)證中空玻璃內(nèi)惰性氣體含量是一項(xiàng)重要的工作?

　　與其它不一樣的是，影響中空玻璃的氣體滲透性的諸多因素都很重要，如密封膠的彈性和牢固度，密封膠的老化，干燥劑材料，密封膠涂布的厚度和寬度，透過間隔條和密封膠的擴(kuò)散速度等。當(dāng)談及到生產(chǎn)流程，設(shè)計(jì)，作工和充氣技術(shù)時(shí)，都應(yīng)該盡可能地控制。

　　中空玻璃的性能一方面受潮氣擴(kuò)散進(jìn)入其單元的影響，另一方面受惰性氣體擴(kuò)散出其單元的影響。這些擴(kuò)散過程是由于周邊氣體存在差異以及惰性氣體趨于穩(wěn)定而引起的。這可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)壓進(jìn)入中空玻璃單元，此外還會(huì)引起玻璃變形。惰性氣體泄露將引起可見的扭曲，客戶也將能夠探測到氣體泄露，因?yàn)橹锌詹Ａ��?huì)開始出現(xiàn)向內(nèi)爆裂現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)要求我們采取必要的措施，如減小玻璃片間的空間，強(qiáng)調(diào)密封膠/玻璃表面壓力和隨時(shí)間推移降低熱工性能。同樣的客戶還能夠用當(dāng)今先進(jìn)的儀器檢測到潛在的爆裂和中空玻璃的內(nèi)在氣體含量。這樣，在沒有發(fā)生保修索賠前，制造企業(yè)將有時(shí)間做適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有良好氬氣保持力的高品質(zhì)中空玻璃產(chǎn)品。

　　對(duì)中空玻璃的氬氣含量的檢查還可以讓操作者來檢查他們的充氣設(shè)備是否按常規(guī)在正常運(yùn)作。充氣過程也容易受到機(jī)械磨損而在生產(chǎn)過程發(fā)生故障。因?yàn)闅鍤獾奶匦允菬o法看到的，所以氬氣是否填充成功沒有辦法判定，除非通過檢測調(diào)整充氣線或整個(gè)流程。

　　4.3有什么實(shí)用的工具可以檢測惰性氣體含量?

　　從惰性氣體應(yīng)用之初，玻璃行業(yè)就一直在研究惰性氣體含量的檢測方法。各行業(yè)所用的不同的氧分析法已經(jīng)有相當(dāng)長一段時(shí)間了。世界各地每天都在對(duì)工業(yè)氣體中氧氣的流入進(jìn)行檢測，醫(yī)療行業(yè)和潛水對(duì)氣體的檢驗(yàn)亦是如此。

　　就此而論，中空玻璃內(nèi)氣體含量的分析方法可以分為三種：物理方法，化學(xué)方法和取樣法。這個(gè)章節(jié)將對(duì)這三種不同方法進(jìn)行驗(yàn)訖。

　　4.3.1探測惰性氣體含量的物理檢測方法

　　物理方法是基于確定的某些元素的物理性質(zhì)，氣體對(duì)于每個(gè)元素來說是獨(dú)特的。這樣的性質(zhì)是指如熱導(dǎo)率，聲速，分子的重量，分子的大小，輻射吸收系數(shù)或等離子體發(fā)射的輻射波等。

　　氣體對(duì)于電磁輻射波的吸收以及輻射的數(shù)量取決于樣片中的氣體含量。例如氣體吸收特定波長的紅外輻射。這個(gè)方法應(yīng)用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)二氧化碳的探測。但是，很難用這種方法來檢測惰性氣體含量，因?yàn)檫@個(gè)輻射波必須得穿過至少兩層玻璃，而這兩層玻璃已經(jīng)過濾掉了相關(guān)波長。

　　放射性輻射波吸收被用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以探測火災(zāi)氣體。玻璃吸收α輻射波，但它不能檢測惰性氣體，而β and ϒ輻射波用于移動(dòng)設(shè)備在生產(chǎn)條件下就不安全。

　　對(duì)電離氣體發(fā)射輻射波頻譜的研究是20世紀(jì)末在芬蘭被提出的。該技術(shù)基于激活惰性氣體的氣體原子，這樣它們就透過玻璃發(fā)射出可以被分析的光束。每種氣體都有其獨(dú)特的光譜，而這些光譜都可以被識(shí)別。樣片中氣體含量會(huì)影響輻射波的強(qiáng)度，這使得檢測中空玻璃內(nèi)的氣體含量成為可能。既有應(yīng)用里氣體的原子被高壓電火花激活。這些應(yīng)用我們是在2001年推向市場的，今天第三代技術(shù)以Gasglass為品牌在市場上銷售。

　　該技術(shù)可以準(zhǔn)確地并重復(fù)地檢測中空玻璃內(nèi)氬氣和氪氣含量，屬無損型檢測。操作者必須知道他/她檢測的氣體是氬氣還是氪氣。因?yàn)檫@個(gè)方法是基于高壓放電激活氣體原子，所以存在一些局限性。電火花必須穿透氣腔層使得測量變成可行。電火花不能跳過低輻射鍍膜玻璃或厚的夾膠片，因?yàn)檫@會(huì)使得測量變得困難。背景光對(duì)測量結(jié)果影響也比較敏感，所以在測量時(shí)，應(yīng)總是盡量在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，建議背景有一個(gè)蓋有黑布的相配支架（詞條“支架”由行業(yè)大百科提供）做支撐，或類似的背景。生產(chǎn)企業(yè)為了繞開這些局限，他們通常會(huì)分開準(zhǔn)備可測的樣片以便檢測，舉個(gè)例子：在做三玻兩腔中空時(shí)，他們會(huì)在把鍍有低輻射膜的玻璃片放在中間，這樣就可以分別測得兩個(gè)腔體的惰性氣體含量。

　　表3：Gasglass技術(shù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性

　　表3是Gasglass儀器第三代的準(zhǔn)確度和重復(fù)度。從報(bào)告中可以看出，對(duì)每一個(gè)充氣含量的準(zhǔn)確度限定以標(biāo)準(zhǔn)偏差給出，測量平均值這里指設(shè)備的重復(fù)性。可以看出，該技術(shù)的準(zhǔn)確度和重復(fù)度是基于充氣水平的。例如，當(dāng)充氣達(dá)到94.9%時(shí)，準(zhǔn)確度是非常高的，標(biāo)準(zhǔn)偏差很小。當(dāng)充氣量將到70.9%時(shí)，測量平均值下移了0.5%，標(biāo)準(zhǔn)偏差總和為2.2，盡管如此，這完全可用于惰性氣體含量檢測。從相關(guān)數(shù)字我們可以看到，每臺(tái)儀器有其獨(dú)特的校準(zhǔn)曲線。Gasglass儀器的生產(chǎn)商建議用戶對(duì)其儀器每年進(jìn)行一次校準(zhǔn)。Gasglass的校準(zhǔn)過程比較復(fù)雜，它需要有8個(gè)不同的校準(zhǔn)點(diǎn)，必須由生產(chǎn)商或通過認(rèn)證的服務(wù)提供商進(jìn)行校準(zhǔn)。迄今為止，生產(chǎn)商在全世界有三個(gè)服務(wù)中心，美國，中國和芬蘭。對(duì)每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)用的都是經(jīng)過認(rèn)證了的標(biāo)準(zhǔn)氣體。基于瞬間放電或等離子發(fā)射技術(shù)的攝譜法現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于世界各地的玻璃行業(yè)。

　　對(duì)其它惰性氣體分析的物理方法也進(jìn)行了研究。這些方法基于不同的技術(shù)，如可調(diào)諧二極管激光器，喇曼分光鏡，材料中聲速的變化或者惰性氣體中熱傳導(dǎo)率（詞條“熱傳導(dǎo)率”由行業(yè)大百科提供）的變化。不管用何種方法，當(dāng)涉及到對(duì)中空玻璃的氣體含量進(jìn)行分析時(shí)，所有的方法都有它們自己的難題或局限性，到目前還沒有辦法解決，所以它們能夠在市場上應(yīng)用。基于突破電壓的變化技術(shù)這樣的儀器，現(xiàn)在市場上也有但是不多，因?yàn)楹芏嘁蛩貙?duì)其測量結(jié)果都有影響。

　　4.3.2探測惰性氣體含量的化學(xué)方法

　　稀有氣體作為惰性氣體被使用，只有在特殊的條件下才跟其它元素形成化合物。盡管可以在充氣后通過分析留在氣腔層內(nèi)空氣的氣體成分含量來分析惰性氣體含量。在這種情況下，該方法不能驗(yàn)證惰性氣體本身，而是識(shí)別留在氣腔層內(nèi)空氣的其它氣體成分。

　　某些材料可能會(huì)因?yàn)榛旌蠚怏w中氧含量的變化而改變自身的顏色。這個(gè)就使如黏貼紙時(shí)間久了會(huì)變色一樣。這種方法可以用于如檢查中空玻璃樣片在做氣候循環(huán)之前和之后的差別。

　　4.3.3取樣分析法

　　取樣分析法為使用者在判定惰性氣體種類和含量時(shí)提供了可信賴的方法。有許多技術(shù)用取樣法對(duì)氣體進(jìn)行分析，在氣體行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)也同樣會(huì)用到。從中空玻璃中取樣總是會(huì)破壞其完整性。通常需要在間隔條上打孔，取樣可以用注射器取出后分析或者直接用測量儀器探入分析。氣體試樣根據(jù)采用的技術(shù)不同，而要求不同的量，從µL到mL。氣相色譜儀所需要的氣體試樣量極其微小，所以可以重復(fù)測量。雖然生產(chǎn)企業(yè)介紹了如何很好地去密封那個(gè)為了取樣而打的孔，但是氣體仍然容易泄漏。如果用氧分析儀來取樣的話，這個(gè)氣體試樣量相對(duì)會(huì)大，從而沒有辦法能夠進(jìn)行重復(fù)測量。

　　4.3.3.1氣象色譜分析儀

　　不同類型傳感器的氣象色譜儀在市場上已經(jīng)有一段時(shí)間了，而且一直被認(rèn)為是具有較高的準(zhǔn)確度和可信賴度。需要抽取的氣體試樣量也非常微小，大概25µL，使得操作者可以重復(fù)測量很多次。氣相色譜儀采用的是氣相色譜法，成分是氣體，適用于定性定量分析。

　　圖4：氣相色譜儀操作原理圖

　　色譜分離法是把一個(gè)復(fù)雜體系的化學(xué)成分分離。一個(gè)色譜利用一個(gè)流體相通過窄的管子，被稱之為色譜柱。樣品的成分基于它們獨(dú)特的化學(xué)和物理性質(zhì)以不同的速度通過色譜柱，在色譜柱中已知相和固定（詞條“固定”由行業(yè)大百科提供）相產(chǎn)生互動(dòng)。在化學(xué)組分脫離色譜柱時(shí)，會(huì)被不同種的電子檢測器探測到。色譜柱中的固定相應(yīng)該分離被分析氣體試樣的不同組分。同樣的，色譜柱內(nèi)的溫度和氣體試樣的流動(dòng)率是可控的。在氣相色譜儀內(nèi)有用到數(shù)個(gè)不同類型的探測器。最常見的類型是火焰離子檢測器和熱傳導(dǎo)檢測器。氣相色譜儀也可以連接到一個(gè)質(zhì)譜儀將作為探測器運(yùn)行。

　　根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，在世界各地玻璃行業(yè)的實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常把氣相色譜法作為溯源的儀器。如果把這種方法用于生產(chǎn)工廠的話，可能太過復(fù)雜，且耗時(shí)長，又非常昂貴。

　　4.3.3.2氧分析儀

　　在市場上可以找到種類繁多的氧分析。除了玻璃行業(yè)，氧分析儀被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)，還有潛水設(shè)備在檢測氧含量時(shí)也會(huì)用到。它們可以檢測氣體試樣內(nèi)氧含量，從而使得操作可以判定所測氣體的含量。而這個(gè)判定是基于對(duì)空氣中各種氣體含量進(jìn)行假定得出來的，如空氣中包含了大約78%的氮?dú)猓?1%的氧氣，0,94%的氬氣以及其它氣體。氧分析儀根據(jù)這些數(shù)據(jù)去計(jì)算氧氣在氣體試樣中的含量，并得出空氣的總量。期望最后在氣體試樣中所剩的就是氬氣(或氪氣)。

　　氧分析儀一般有很多種傳感器可以配用。普通的就是電化學(xué)電池和順磁性電池。電化學(xué)電池，也被稱為燃料電池，可以測量某種氣體或混合氣體中微量的氧含量百分比。被分析的氣體試樣通過一個(gè)氣體滲透膜進(jìn)入傳感器。氣體試樣中的氧在傳感器中與陽極和陰極接觸后在電解液中被溶解。從陰極到陽極產(chǎn)生的電子流和電流與氣體試樣中氧成正比。這些電化學(xué)電池時(shí)間久了會(huì)耗盡，因?yàn)閭鞲衅髦兴�用的鉛陽極在氧含量高的情況下比較脆弱。一旦鉛陽極被氧化了，電池就不會(huì)再產(chǎn)生輸出，除了更換一個(gè)新的鉛陽極否則就沒用了。操作者只有在儀器不再能被校準(zhǔn)或者校準(zhǔn)需要花非常長時(shí)間的時(shí)候才會(huì)注意到這個(gè)。在此，用Sensoline手持式氧分析儀舉例，它用的就是電化學(xué)電池，使用起來方便，因?yàn)樗�有一個(gè)集成泵在里面，使得操作者不需要手動(dòng)去抽取和注射氣體試樣了，因?yàn)闇y量結(jié)果可能是依賴氣體試樣流速的。操作者可以取些空氣做為氣體試樣，然后通過一個(gè)簡單的按鈕操作就可以對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)了。操作者在做校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)該注意，因?yàn)橄襁@樣的分析儀會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移。生產(chǎn)商聲明該技術(shù)從測量氧計(jì)算氬氣含量時(shí)允許的精度為0.1%。

　　順磁性電池利用氧氣的體積磁化率比一般氣體高。一個(gè)順磁性的傳感器與裝了參考?xì)怏w的兩個(gè)玻璃球合在一起，參考?xì)怏w一般為氮?dú)猓�安裝在一個(gè)懸掛的旋轉(zhuǎn)裝置上。這種裝置，俗稱啞鈴，里面是一個(gè)強(qiáng)大的磁場。當(dāng)含有氧的氣體試樣通過流程進(jìn)入這個(gè)感應(yīng)器時(shí)，氧分子就會(huì)被這兩個(gè)磁場中更強(qiáng)烈的那個(gè)所吸引。這個(gè)力偶促使啞鈴內(nèi)發(fā)生位移，然后旋轉(zhuǎn)。里面有一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)是用來測量啞鈴旋轉(zhuǎn)角度的。而反向電流的作用是讓亞鈴恢復(fù)其原始位置。那個(gè)電流和氧分壓成正比，并且可以轉(zhuǎn)變成一個(gè)有讀數(shù)的氧，這樣操作者就知道里面氧的含量了。

　　順磁性傳感器被普遍地認(rèn)為是持久的。順磁性感應(yīng)器對(duì)于震動(dòng)，擺放的位置和它的應(yīng)用都非常敏感，一般屬“獨(dú)立”類型，也就是說除了分析儀自身要在一個(gè)穩(wěn)定環(huán)境外，包括注射氣體試樣和物體。其它氣體展示出的磁化率可能會(huì)產(chǎn)生比較大尺度的測量誤差，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該提供這類氣體的詳細(xì)信息。根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)要求不同，操作者可能不得不從開關(guān)上選擇測量范圍。在操作之初，操作者應(yīng)該對(duì)空氣試樣進(jìn)行分析，以保證儀器顯示正確的數(shù)值20.9%，同樣也需要對(duì)沒有任何空氣在內(nèi)的純氬進(jìn)行分析。作為帶有順磁性傳感器的氧分析儀，除了Helantec的Helox KVSN-F，德國KIWA zemlabor GmbH公司也可以提供比之前舉例的Sensoline氧分析或多或少更近似精度的儀器。

　　市場上還有其它類型傳感器的氧分析儀，例如熱傳導(dǎo)傳感器，氧化鋯傳感器，環(huán)境溫度傳感器和極譜傳感器或者是聯(lián)合了眾多傳感器。

　　五、未來研究

　　正如我們所說，由于全球?qū)��?jié)能和大廈能源效率的要求，上到政府部門下到平民百姓對(duì)窗戶節(jié)能的解決方案越來越重視。這也使中空玻璃方案與能源效率更加緊密的聯(lián)系在一起。從很多市場的歷史我們可以看到，對(duì)中空玻璃U值的要求已經(jīng)加緊，而且在未來，對(duì)這塊的期望會(huì)更高。這些能夠通過高質(zhì)量材料，工藝以及質(zhì)量控制來達(dá)到。

　　因?yàn)橹饕�的氣體分析方法都有自身的局限性，行業(yè)需要研發(fā)出一種對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)沒有要求并且不破壞玻璃的新型檢測方法。據(jù)筆者所知唯一在線的不破壞氣體分析只有在北美的Cardinal IG公司中有，該公司在其中空玻璃生產(chǎn)線上加裝了Gasglass裝置以對(duì)氬氣進(jìn)行分析。

　　在生產(chǎn)線上加裝檢測裝置能夠使生產(chǎn)企業(yè)檢測每一個(gè)出產(chǎn)的產(chǎn)品，并且確保充氣過程的運(yùn)行正常。這也將成為生產(chǎn)企業(yè)的一個(gè)營銷優(yōu)勢，因?yàn)樗麄兛梢愿嬖V客戶他們的每一個(gè)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中都進(jìn)行了檢測，運(yùn)貨之前還進(jìn)行抽查。

　　六、結(jié)語

　　這篇文章的目的是為了讓讀者了解通過何種技術(shù)可以檢測中空玻璃上的低輻射鍍膜以及其中惰性氣體的含量。

　　我們介紹了現(xiàn)有主要的檢測低輻射鍍膜存在和位置的技術(shù)。能夠執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)的有很多不同類型的產(chǎn)品。使用者需要為自己設(shè)定一個(gè)特性需求和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　通過我們對(duì)惰性氣體的不同種分析方法介紹，希望讀者能夠了解可以用到的不同的檢測方法。現(xiàn)在在玻璃行業(yè)使用的比較多的方法主要是在實(shí)驗(yàn)室完成的抽樣分析例如氣象色譜儀和不同傳感器的氧氣分析儀。除了抽樣分析外，行業(yè)內(nèi)還常用以等離子體發(fā)射攝譜技術(shù)為基礎(chǔ)的分析儀。

　　所有的方法在檢測的過程中都有弱點(diǎn)。氣相色譜法被廣泛的認(rèn)為是最佳方案。它需要非常昂貴的機(jī)器，易損的傳感器以及非常有經(jīng)驗(yàn)的使用者。這個(gè)技術(shù)更多的使用在玻璃行業(yè)的研究實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。氧氣分析儀在行業(yè)內(nèi)也被廣泛的使用，但是也需要取樣。等離子發(fā)射攝譜測試儀也被行業(yè)內(nèi)廣泛使用并且是唯一無損型惰性氣體檢測裝備。這種技術(shù)的弱點(diǎn)就是無法穿透低輻射鍍膜的玻璃或者厚的夾膠片，需要生產(chǎn)企業(yè)另外準(zhǔn)備一些可用于測試的玻璃。所有的檢測方法都可以達(dá)到所需的準(zhǔn)確性。對(duì)于可信賴的檢測，操作者應(yīng)該熟悉自己所使用的技術(shù)，以確保檢測出來的結(jié)果是值得信賴的。而取樣測試的方法是沒有重復(fù)性的，因?yàn)闃悠穬?nèi)的惰性氣體在每次的測試后都會(huì)有比較大的成份變化。唯一有重復(fù)性的取樣測試可能是樣品尺寸為µ升的氣相色譜法。無損型等離子發(fā)射攝譜技術(shù)可以重復(fù)測試。這也給了操作者一個(gè)機(jī)會(huì)，去關(guān)注中空玻璃內(nèi)惰性氣體的泄漏率，同時(shí)可以檢查充氣機(jī)是否調(diào)整到最佳工作狀態(tài)。【完】

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