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中空玻璃干燥剂对中空玻璃寿命的影响
2014/5/24 13:46:25    来源:淄博绿能化工有限公司

  1. 引言

  中空玻璃作为门窗节能玻璃的必选玻璃,其使用寿命成为公众日益关心的问题。目前中空玻璃行业的最大问题是,市场上约80%以上的中空玻璃使用寿命太短,其平均寿命不会超过十年。大部分中空玻璃会在七、八年的时间达到使用寿命而需要更换。如到期不更换,不但起不到任何节能效果,由于中空玻璃腔内水汽的反复冷凝与蒸发,还会加速散热,形成更大的能源浪费。过多的水汽冷凝还会使中空玻璃阻碍视线。当全国大部分建筑的门窗每到七、八年就要更换一次的话,随着中空玻璃的普及,全国每年就要花掉上百亿资金来更换中空玻璃,这种巨大的浪费将严重拖累国家节能战略的发展。所以,为了避免更大的浪费,实现国家节能战略目标,保护广大消费者的利益,有必要深入探讨影响中空玻璃寿命的因素,从而大大提高中空玻璃使用寿命。干燥剂作为中空玻璃辅材当中最核心的材料,其对中空玻璃寿命起着主导性的影响作用。

  2. 各类干燥剂对中空玻璃寿命的影响

  2.1 外观形状改变型干燥剂对中空玻璃寿命的影响原理

  众所周知,密封胶的密封效果直接影响中空玻璃的寿命,而干燥剂对中空玻璃寿命的影响程度比密封胶更为持久。

  影响中空玻璃寿命的三大要素是:

  1. 合格的中空玻璃干燥剂

  2. 合格的中空玻璃密封胶

  3. 正确的加工方法

  在此三者的关系中,对中空玻璃节能效果起直接作用的就是干燥剂,它使空气保持干燥,从而使中空玻璃具有透明保温作用,而密封胶的使命就是对干燥剂起保护作用,使其尽量少的吸收环境水份。正确的加工方法可降低干燥剂的吸水负担与密封胶的密封负担,使两者的作用得到充分的保护,从而延长中空玻璃的使用寿命。

  中空玻璃到底需要什么样的干燥剂呢?一句话,中空玻璃需要物理与化学性质稳定的,具有强大的深度吸附能力的干燥剂。

  市场上的中空玻璃干燥剂,从外观看都非常类似,都是乳白色或黄褐色的小颗粒,这些干燥剂都是粘土(一般为凹凸棒土)与一种或几种其他成分的干燥剂的混合物,粘土所起的作用主要是粘合及载体作用,其它干燥剂成分较难鉴别,其鉴别方法在本文3.3中会提到。学会鉴别之前,了解各种干燥剂对中空玻璃寿命的影响无疑是非常重要的。

  所有的固态干燥剂中,大致分两种类型:一种是吸水后其外观物理性状发生变化的,一种是吸水后外观物理性状不发生变化的。吸水后外在物理性状发生变化的一般是一种化学反应,其生成物一般带有一定的腐蚀性,他们吸水后形成强酸、强碱、盐类结晶或者是溶液;吸水后物理性状不发生变化的这种也分两种情况,一种是化学反应,另外一种是物理吸附,化学反应一般会形成一种内结晶盐、酸或碱,但在外观上并没有任何变化,也不具备腐蚀性。下表1是常见的各种干燥剂特征。

  所有的干燥剂在一定的温度下会与外界环境达到吸附平衡,如果温度发生变化,干燥剂会进一步释放或吸收水分,从而达到新的吸附平衡,通常情况下,温度升高,干燥剂会放出水分,温度降低,干燥剂会吸收水分。在中空玻璃中,当温度发生变化的时候,中空玻璃干燥剂也会相应的放出与吸收水份,对于深度干燥能力为中弱型的干燥剂来说,吸附平衡随着温度的变化较大,对于深度干燥能力很强的干燥剂(如分子筛)这种吸附平衡随温度的变化就非常不明显。

  干燥剂吸附平衡易于变化的这种特点会导致吸水后性状变化的这类干燥剂的粉化与迁移。外观物理性状发生变化的这类干燥剂,当温度变化时,由于其在吸水以后通常是体积增大,形成结晶或大分子,干燥剂离子(或分子)之间距离拉大,当环境温度升高使一部分水份失去后,干燥剂离子(或分子)之间距离不可能再恢复到原来的距离。从宏观上看,会使成型后的干燥剂颗粒破碎或掉皮,环境温度的再一次周期性变化,会导致水份在干燥剂颗粒不确定的方向上反复结晶与失水,结果是干燥剂不断的脱落、扩散,形成了干燥剂的一次又一次迁移、破碎。对于中空玻璃来说这种干燥剂就会慢慢的扩散到铝条上,或是穿过铝条气孔,扩散到密封胶的表面上或玻璃表面上。在这种情况下,具有腐蚀作用的干燥剂对中空玻璃铝条与密封胶,或者是对功能玻璃表面会产生极大的腐蚀作用。

  其腐蚀原理如下:铝,是两性金属,既能与酸反应,又能与碱反应,其氧化物也是如此,同时铝金属表面微量离子的出现会催化金属铝的被氧化过程,虽然由于相对干燥的气体,这种催化作用进展缓慢,但是,微量水分中的极高的离子浓度,会不可逆转的导致金属铝表面氧化膜的破坏:

  如果干燥剂是氯化钙,将会有如下电离反应发生:

  这样,随着时间的推移,铝条表面的氧化膜就被彻底破坏,新的致密氧化保护膜由于有离子的存在而无法形成,这样铝条就会慢慢被腐蚀,形成盐渍,最后形成缝隙与空洞,导致中空玻璃失效。

  铝为两性金属,无论干燥剂具有碱性或酸性特征,它都可以与之反应而被腐蚀掉,因为氧化钙吸水后形成氢氧化钙,五氧化二磷吸水后形成焦磷酸。

  从另一个方面讲,由于酸、碱或盐类干燥剂对密封胶的持续接触,中空玻璃密封胶将被加速老化与氧化,由于腐蚀性干燥剂对中空玻璃的腐蚀作用随着此类干燥剂吸水的增多而变得更加强烈,对中空玻璃间隔条及密封胶的腐蚀作用也不断增加。

  综上所述,物理性状发生变化的干燥剂有两个致命的缺点:一是因迁移作用而造成的干燥剂的破碎与粉化;二是随着时间的推移而产生的不断增强的腐蚀作用。所以,物理性状发生变化的干燥剂是不能使用在中空玻璃上面的。

  2.2 吸附深度不同的干燥剂对中空玻璃的影响

  因此,中空玻璃只能选择吸水后物理形状不发生变化的干燥剂,下图是几种干燥剂在 25℃时,不同相对湿度时的平衡吸附量:

  在相对湿度较低的情况下,分子筛的平均吸附能力远远大于硅胶与氧化铝,因为目前中空玻璃普遍认可的标准是测试干燥剂在25℃时相对湿度为10%的空气环境下的吸附能力,此时空气中的绝对湿度用露点表示为-8℃。也就是说,对干燥剂的考察标准,就是考察他保持露点低于-8℃的能力。这样就对干燥剂要求的标准比较合理,因为我们国家一年中大部分时间气温是在-8℃以上,合格的中空玻璃在-8℃以上时是不会结露的。从图中可以看到,在相对湿度是10%的条件下,分子筛的吸附量是硅胶或氧化铝的4倍左右,(粘土类由于其深度吸附能力特别低,我们就不做讨论了)从上图中,我们选择沸石分子筛作为中空玻璃干燥剂的最佳选择,那么,分子筛对露点的控制力到底如何呢?请看下图

  此图是纯净分子筛原粉在相对湿度极低情况下的吸附容量,实际制成的可使用的3A分子筛经过离子交换与成型处理,其实际吸附量值为图中数值的65%左右,图中显示,当空气中的含水量达到 1ppm的时候,分子筛仍然可以吸附到自身重量5%的水分,当达到100ppm的时候,分子筛可以吸附到自身重量的17%,当达到1000ppm(相当于0.1%的含水)的时候,分子筛的平衡吸附容量趋向于饱和值。此时空气中的露点约为-40℃.

  所以从理论上讲,分子筛对水分子的亲和力非常大,只有在相对湿度非常低的情况下,才会对分子筛的吸附量产生明显的影响,也就是说,分子筛保持低露点的能力非常的强大,正常的中空玻璃装上分子筛后,用一般的露点测试仪,是测不到中空玻璃的露点的,而且在正常使用的十几年内都测不到露点。

  所以分子筛成为中空玻璃干燥剂的必选产品。根据有关资料,弯角式中空玻璃每年的透水率是每平方米年0.27g。根据下表分析的数据,弯角式中空玻璃保持-40℃露点的时间是48年,如果按照-10℃的露点标准计算,弯角式中空玻璃的使用寿命达到50年是没有问题的。

  2.3 有呼吸作用的分子筛对中空玻璃使用寿命的影响

  由于分子筛的种类很多,并不是所有的分子筛都适合中空玻璃,实践证明只有不吸附空气的3A型分子筛干燥剂才适合于中空玻璃。

  由于分子筛是一种网状的结晶硅铝酸盐,他的孔道非常的均匀,其孔道的大小正好适合小分子物质通过,由于分子筛的规格型号不同,其通道大小也不同.对中空玻璃来讲,因为他要求吸收水分,所以进入他的孔道的,只能是水分子,而不能让空气成分的其他分子通过。水分子为2.8埃(1微米=10000埃),空气中的氮气,氧气,氩气为4埃左右,目前只有3A型分子筛可以采用,其他任何类型的分子筛均不适合,4A型的分子筛孔道为4.3埃,所以4A型的分子筛可以吸收空气中的氮气与氧气。在空气的成分中,除了水分之外,4A分子筛更偏向于吸附极性较大的氮气,所以,对分子筛吸气量的监测主要是以监测氮气吸气量为准,由于目前3A型的分子筛是由4A分子筛经过离子交换而来的,所以4A型分子筛始终比3A型分子筛便宜,这也是4A分子筛经常用来冒充3A分子筛的原因,对于非分子筛类的干燥剂,由于他们没有类似分子筛似的网状结晶结构,所以对包含水在内的极性的分子也没有太高的亲和力,也就不存在吸气量问题。

  中空玻璃干燥剂的呼吸作用会对中空玻璃寿命产生如何的影响呢?

  作为4A分子筛,他的吸气量为每克约7ml左右,3A分子筛每克会小于0.5ml,4A分子筛吸进去的氮气在常温条件下对温度的微小变化非常敏感。例如,250ml4A分子筛从常温上升到70℃时可以放出700ml以上的气体。而3A分子筛的放气量会低于50ml。

  在加工中空玻璃时,我们一般是在室温条件下装填分子筛。如果分子筛是4A型的,当温度降低时,分子筛会将大量的中空玻璃腔内的空气吸附,导致玻璃内压力降低;相反当温度升高时,分子筛会将内部已经吸附的空气大量的释放,使玻璃内压力上升。装有4A分子筛的中空玻璃合片以后,由于昼夜更迭与季节交替,4A型分子筛因温度变化而吸气放气,就像呼吸一样,玻璃会不断的承受向内向外的压力。这种有时向内有时向外的压力大大缩减了中空玻璃的使用寿命,特别是那种隐框玻璃,两片玻璃之间完全靠密封胶的粘合力,对其来自内部气压的密封能力相当有限。玻璃随时会密封失效。经验显示,用了4A分子筛的中空玻璃,其使用寿命只有3A分子筛的四分之一。更危险的是:如果使用的4A分子筛较多,中空玻璃过薄或没有钢化,玻璃有可能突然爆炸破碎,或玻璃整片掉下,如果这种玻璃安装在高层建筑上,就极可能发生重大的伤亡事故,后果非常可怕。

  那么,分子筛的吸气量到底是多少呢?这方面国家已有标准。中空玻璃行业操作规程中也有要求,但是这种方法不易检测。目前国外普遍采用的一种方法:用250ml分子筛,从常温将其加热到70℃,恒温四个小时,用排水法看排出的气量是多少,一般要求排气量在50ml以下。

  2.4 干燥剂配方的沿革

  中空玻璃早期在美国被广泛采用的时间,当时所用的干燥剂并不是分子筛,而是硅胶,后来发现硅胶干燥剂在寒冷地区仍然出现结露现象,寿命较短,所以在60年代采用4A型用分子筛,采用4A型分子筛的时间很短,很快发现了4A分子筛的问题,经过改进,便使用3A与13X分子筛混合品,用13X分子筛的目的就是为了吸附中空玻璃中的有机物,13X虽然用的少,但是仍然有呼吸作用。因为硅胶也有着良好的有机物吸附能力,但没有呼吸作用,所以就改为3A分子筛与硅胶的混合物,用来吸附水与有机挥发物。随着制胶工艺的改进,有机挥发物越来越少,同时大家发现做为分子筛原粉粘合剂的凹凸棒土,同样有着优良的有机物吸附作用,所以分子筛中就不再掺合有硅胶粉,而是分子筛与凹凸棒土的混合物。

  3. 分子筛中空玻璃干燥剂的指标对中空玻璃寿命的影响

  3.1 分子筛吸附量的衡量条件与对中空玻璃寿命的影响

  中空玻璃干燥剂的吸附量应该以相对湿度为10%时的吸附能力为标准,相对湿度偏高时的吸附能力无法作为检测干燥剂露点控制能力的标准,所以只有相对湿度是10%时干燥剂的吸附能力才能反映分子筛能保证中空玻璃的使用寿命能达到多少年。有的干燥剂说明书只提吸附量,不讲测试条件,实际上是没有任何意义的。例如,与分子筛比,硅胶的深度吸附能力较低,但其浅吸附能力很大,例如C型硅胶在30℃相对湿度90%时,可以吸附自身重量的3倍,这是同等条件下的分子筛所无法比的。但这么高的吸附容量对于中空玻璃来说又有什么意义呢?因为在这种条件下温度一旦降低一点,中空玻璃内就充满了水汽,所以相对湿度10%时的吸附能力才是中空玻璃寿命所需要衡量的最核心指标,其它高相对湿度下的吸附能力无法衡量干燥剂在中空玻璃内腔干燥环境下的露点控制能力。

  3.2 烧失量含义与实际意义

  干燥剂的烧失量,重点是控制干燥剂的初始水含量,同时也可以保证干燥剂的相对惰性特征,干燥剂的初始水含量过高,意味着干燥剂可能已经过度吸水,这时干燥剂的露点控制能力大大降低,装填了这种干燥剂的中空玻璃的初始露点也会上升,这样会相应的减少中空玻璃的使用寿命;另外,烧失量太高还可能是另外一个问题,就是该干燥剂可能含有氯化物或易分解的无机物,如亚硝酸盐、酸类、碱类物质或是含有不稳定的有机物,所以烧失量过高,有含有不稳定化学物质之嫌,此类物质具有腐蚀作用,严重影响中空玻璃的使用寿命,前面第一章中已经分析过。

  3.3 温升的含义与测试方法

  温升,严格的讲,它不是一个技术指标,而是一个商业化指标。吸水后温度升高是分子筛的一个重要特征,但不是分子筛的独有特征。如果一种干燥剂温升高,说明他有可能是分子筛、氯化钙、氧化钙或强酸强碱干燥剂。这样,就可以测试它的水溶液是否具有腐蚀性来判断。即使我们排除掉了其他的腐蚀性干燥剂,我们仍然无法区分3A分子筛与4A分子筛,所以必须有测试吸气量的仪器来测试3A或4A型的分子筛才可以最后下定论。所以单独用温升法来判断中空玻璃干燥剂的质量好坏没有太大实际意义,必须与测试水溶液的酸碱度及刺激性特征(腐蚀性)及测试干燥剂的放气量三方面才能判断干燥剂质量的好坏。在没有腐蚀性,放气量合格的前提下,温升越高,干燥剂的质量越好,其确保中空玻璃露点寿命的时间越长。

  但是温升的检测必须有科学的标准的方法,不科学的方法无法衡量干燥剂质量的好坏。

  首先,不能用体积法测量温升,干燥剂的吸附量是按照重量来计算的,温升是一种间接的粗略的测试干燥剂吸水能力的一种方法,如果按照一定体积的干燥剂与一定量的水混合来进行测试温升,密度越大的干燥剂,温升越高。因为体积相同,密度大质量就多,同样吸附能力的分子筛干燥剂,密度大的温升高,密度小的温升低。所以测试温升应该用重量法测试比较合理。

  其次,不能用先加水后加分子筛的方法来测试温升,分子筛的堆积密度比水小,密度越小的分子筛,其在水面上漂浮的时间越长,从水面上落下的速度也越慢,整个散热时间拉长,而不能像密度大的分子筛那样散热时间比较集中,所以如果用先加水后加分子筛的方法测温升,同样吸附能力的分子筛,密度偏小的分子筛温升低。所以测试温升应该用先加分子筛后加水的方法测试。

  再次,温升大小还与以下因素有关:1.分子筛粒度越小,温升越高;2.4A分子筛比3A分子筛温升要高;3.测试容器保温性越好温度越高;4.容器材质与形状不一样影响温升结果;5.水温影响温升;6.测试点位置不一样影响温升;7.温度计敏感度不一样影响温升;8.分子筛与水的量不同影响温升(即使比例一样)。

  最后,测试温升的高低还与个人的测试手法不同有关。所以要使温升的测试具有意义,必须采用统一的正确的方法进行测试。否则,温升的高低,特别是微弱的高低就没有任何意义。

  要使温升的测量具有参考价值必须确保:1.全部都是3A分子筛;2.粒度大小接近;3.采用同一温升测试仪;4.采用正确的方法进行测试。只有在这些前提下,温升越高的干燥剂才越好,越有利于提高中空玻璃的使用寿命。

  4. 中空玻璃寿命的严峻性,与选择合格中空玻璃干燥剂的迫切性

  目前,我国每天有100万平方米的不合格中空玻璃正被安装在我们的各种各样建筑门窗中。中空玻璃寿命的短暂,将吃掉我们因为节能而节省下来的资源。目前中空玻璃刚刚大面积推广,社会对其寿命的短暂性危害还没有认识到,按照这种玻璃的寿命为七年来算,估计这种情况的大面积出现将从2013年左右开始,全社会都要为这种低劣的中空玻璃付出高昂的代价。提高中空玻璃的使用寿命,成为迫在眉睫的节能战略性问题。

  此问题如果不能及时解决,老百姓会慢慢的因为中空玻璃质量问题的大面积出现而对中空玻璃失去信心。这样拒绝使用中空玻璃的情况将会越来越多,将导致整个中空玻璃行业的发展陷入尴尬的局面。这种局面将严重制约着行业的发展,也制约着每一个中空玻璃企业的发展,所以,保证中空玻璃寿命的意义重大,对于干燥剂的选择的意义也就特别重大。