干燥劑在中空玻璃中的作用

一、干燥劑的概念

　　干燥劑是一種與水具有高度親合性的材料，能夠吸附周圍其他材料中的水分。

　　固體干燥劑是吸附劑類的一部分。中空玻璃使用的固體吸附劑包括分子篩與氧化硅膠(即二氧化硅)兩種，通過吸附作用的物理方法除去空氣層內(nèi)的水分子。

　　吸附現(xiàn)象。水相分子或氣相分子聚集在固體的表面上，由分子間的相互作用結(jié)合在一起。因?yàn)槲绞欠肿颖砻娆F(xiàn)象，生產(chǎn)固體吸附劑必須內(nèi)表面積特別大才行。一般說，1克分子篩的內(nèi)表面積等于750平方米。形象地說：一杯分子篩的表面積都張開的話相當(dāng)于40個(gè)足球場(chǎng)的面積大�！�

　　二、使用干燥劑的目的

　　1.使用干燥劑的目的有三

　　(1)吸附掉生產(chǎn)時(shí)密封于中空玻璃空氣層內(nèi)的水分；

　　(2)在中空玻璃壽命期內(nèi)連續(xù)吸附進(jìn)入空氣層內(nèi)的水分，以保持中空玻璃內(nèi)的低露點(diǎn)(－40℃)。窗戶安裝后，水分進(jìn)入空氣層內(nèi)的原因是：

　　 a、鋁框插角處理不當(dāng)；

　　 b、密封膠施工欠妥；

　　 c、氣溫變化導(dǎo)致中空窗玻璃的撓曲增加；

　　 d、密封膠的濕氣透過率。

　　(3)吸附掉生產(chǎn)時(shí)密封于空氣層內(nèi)的揮發(fā)性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系溶質(zhì)，以及中空玻璃壽命期內(nèi)進(jìn)入空氣層內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系溶質(zhì)。

　　2.中空玻璃用的干燥劑種類及工作原理

　　干燥劑種類：主要有分子篩和氧化硅膠(即二氧化硅)

　　(1)分子篩

　　分子篩是硅和氧化鋁合成的微孔晶體材料。為保持晶體凈放電為零，帶陽離子的原子定位于晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)。在這些合成晶體中，通常采用的陽離子為鈉。

　　中空玻璃行業(yè)廣泛使用的分子篩有兩類：A類和X類。分子篩是在嚴(yán)格控制的生產(chǎn)條件下合成，成型和激活的�？刂坪铣蛇^程可保證三維微孔孔徑的一致性。3A分子篩的孔徑為3埃，4A分子篩的孔徑為4埃；13X分子篩的孔徑為8.5埃(1=100，000，000)。

　　分子篩的工作原理。分子篩通過物理吸引力將分子吸附在晶體的表面積上。由于分子篩表面積的95％位于孔徑內(nèi)，需要通過篩選來甄別鄰近分子的大小，只有小分子才能通過晶體的孔徑開口進(jìn)入分子篩的內(nèi)吸附面，這種有選擇的吸附現(xiàn)象被稱為分子篩效應(yīng)。

　　分子篩的吸附能力與電荷密度(較性)進(jìn)而與所吸附的分子有關(guān)。分子篩要進(jìn)一步區(qū)分混合分子中哪些可以吸附，并確定在多大程度上電荷密度可使分子吸附在晶體上。水分子特別小(2.6埃)，是高度的較性分子(很強(qiáng)的正負(fù)電子密度)，很容易被分子篩吸附，即使在濕氣相當(dāng)?shù)偷那闆r下也是如此，水分子一旦被吸附就會(huì)牢牢地固定在晶體上。



　　(2)氧化硅膠

　　氧化硅膠是非晶體的二氧化硅，其孔徑的范圍為20�！�300埃。氧化硅膠的表面積也非常大，每克氧化硅膠的表面積為300～800平方米。由于微孔的孔徑范圍大，因而不具有分子篩效應(yīng)。

　　氧化硅膠吸附汽相的工作原理稱為毛細(xì)凝縮現(xiàn)象。水汽分子沿著分子篩的孔徑由大向小前進(jìn)，直到達(dá)到與其直徑大小相同處停下，黏附在分子篩壁上，保持半液體狀態(tài)。如果達(dá)到水汽－液態(tài)溫度(即沸點(diǎn))，氧化硅膠的吸附能力增加。





因?yàn)檠趸枘z吸附濕氣分子的能力隨溫度升高而增加。所以，如果中空窗在正常室溫條件下長(zhǎng)時(shí)間接觸高濕度，用氧化硅膠作為干燥劑是較理想的選擇。但是，恰恰是同一性質(zhì)，使氧化硅膠很難在低濕度條件(即低露點(diǎn)條件)下在中空玻璃的密封系統(tǒng)內(nèi)起保護(hù)作用。

　　圖一用來表示我們上面所討論的內(nèi)容。X軸表示露點(diǎn)水平，也可以用壓強(qiáng)單位(局部水汽壓強(qiáng))表示。Y軸表示在某一露點(diǎn)(局部壓強(qiáng))處多少克水分子被吸附在干燥上。從圖可見，每100克分子篩在－70°F露點(diǎn)處都具有吸附至少8克水分子的能力(0.0121Hg或1.61Pa)。表一列出中空玻璃空氣層中常見的四種分子篩，其孔徑大小，及進(jìn)入微孔內(nèi)被吸附各種常見分子。



表1





干燥劑類型 孔徑（埃） 被吸附物 非吸附物

3A分子篩 3 H2O 其他一切

4A分子篩 4 H2O、空氣、氬氣、氪氣 SF6溶質(zhì)

13X分子篩 8.5 所有 無

氧化硅膠 20-300 所有 無



三、干燥劑性質(zhì)

　　如何選擇正確的干燥劑，或按照正確的比例混合干燥劑，取決于上述分子篩的性質(zhì)，及中空玻璃的構(gòu)造。

　　中空玻璃里的干燥劑的主要作用是吸附空氣層內(nèi)的濕氣。這包括中空玻璃合片時(shí)密封在空氣層內(nèi)的濕氣以及在中空玻璃整個(gè)壽命期內(nèi)進(jìn)入空氣層的濕氣。中空玻璃內(nèi)使用干燥劑的第二個(gè)目的是吸附空氣層內(nèi)的溶質(zhì)。這些溶質(zhì)是生產(chǎn)中空玻璃時(shí)由某些密封膠，油漆或機(jī)械油所帶來的。使用干燥劑所考慮的第三個(gè)問題是干燥劑吸附空氣層內(nèi)的氣體(空氣或惰性氣體)的能力。充填惰性氣體如氬氣或氪氣可降低中空玻璃的熱傳導(dǎo)性，充填六氟化硫可減少噪音降低熱傳導(dǎo)性。

　　為使干燥劑起到吸附水和溶質(zhì)的作用，在選擇干燥劑時(shí)，必須同時(shí)考慮干燥劑溫度與人們所要達(dá)到露點(diǎn)的溫度。例如，圖二給出溫度為21℃結(jié)露點(diǎn)為－40℃條件下，四種干燥劑的水吸附能力。在這些條件下，13X的水吸附能力較高，每100克干燥劑可吸附水16克，4A第二，3A第三(每100克干燥劑吸附水13.5克)，氧化硅膠較差，在低露點(diǎn)條件下每100克所吸附的水不足1克，空氣層內(nèi)殘余水量=1.0％。





中空玻璃生產(chǎn)中常見的溶質(zhì)有甲苯和丁酮(MEK)，即使在低露點(diǎn)條件下也必須吸附掉，以避免在中空玻璃的玻璃之間出現(xiàn)化學(xué)霧。圖三給出中空玻璃干燥劑對(duì)溶質(zhì)的吸附能力，條件：溫度21℃，露點(diǎn)－34℃�？梢�，干燥劑13X的吸附能力是較高的，每100克干燥劑可吸附溶質(zhì)23克。相同條件下，氧化硅膠次之，每100克的吸附能力為12.5克。該圖可以說明分子篩效應(yīng)。甲苯和丁酮的分子直徑大于3A和4A的孔徑。由于它們不能進(jìn)入晶體的內(nèi)部面積，分子篩對(duì)它們的吸附能力幾乎為零。

　　干燥劑對(duì)水和溶質(zhì)的吸附能力隨溫度變化而變化。溫度升高，干燥劑的吸附能力下降，反之亦然。干燥劑對(duì)水和溶質(zhì)的吸附能力隨所要求的露點(diǎn)減少而減少，這是由于這些分子的局部壓強(qiáng)較低的緣故。





　四、氣體吸附與中空玻璃的撓曲

　　中空玻璃干燥劑對(duì)氣體吸附和解析付直接影響玻璃的撓曲(或撓度)。因此，理解它們的特點(diǎn)對(duì)盡可能避免或減少玻璃的撓曲，是十分重要的。玻璃的撓度指中空玻璃片非直線平行地向內(nèi)或向外撓曲。圖四表示玻璃撓度情況。生產(chǎn)中空玻璃時(shí)，中空玻璃內(nèi)密封的空氣具有與中空玻璃生產(chǎn)室內(nèi)相同的大氣壓和濕度條件。如果窗戶安裝處的緯度較生產(chǎn)環(huán)境的緯度高，中空玻璃內(nèi)的氣壓就比周圍的氣壓高，玻璃向外撓曲。反之，如果環(huán)境氣壓比密封中空玻璃內(nèi)的氣壓高，則玻璃就會(huì)向內(nèi)撓曲。



溫度的改變也會(huì)影響中空玻璃內(nèi)的空氣層。隨著空氣溫度的降低，中空玻璃內(nèi)的氣體體積也縮小，反之亦然。18世紀(jì)后半葉，查理爵士發(fā)現(xiàn)了氣壓，溫度與氣體體積之間的關(guān)系，并用數(shù)學(xué)公式來表示。他觀察到固定體積氣體的氣壓隨著溫度變化而變化。用數(shù)學(xué)公式表示如下：

P★=P[460+T2]/[460+T1]或簡(jiǎn)化為P★=P*T2/T1

式中：

　　P=生產(chǎn)車間的環(huán)境氣壓

　　P★=窗戶安裝現(xiàn)場(chǎng)的氣壓

　　T1=生產(chǎn)車間的溫度

　　T2=窗戶安裝現(xiàn)場(chǎng)的溫度

　　無論中空玻璃是如何構(gòu)造的，它的氣壓都會(huì)隨溫度變化而變化。中空玻璃內(nèi)的氣體體積膨脹(導(dǎo)致玻璃向外撓曲)或收縮(玻璃向內(nèi)撓曲)是不可避免的。因此，為減輕中空玻璃所受的壓力，所有的中空玻璃的構(gòu)造都不是100％的剛性，中空玻璃常用的分子篩影響窗戶的撓曲。干燥劑周圍的溫度下降時(shí)，除3A分子篩外的所有干燥劑都吸附空氣的分子。該吸附過程從空氣層吸附更多的氣體，使已撓曲的玻璃(由較低溫度導(dǎo)致)進(jìn)一步向內(nèi)撓曲。這種干燥劑在溫度升高時(shí)，也會(huì)向空氣層內(nèi)解吸附氣體，引起窗戶向外撓曲。



　　圖五表示幾種干燥劑在兩個(gè)不同溫度下的空氣吸附和解吸附現(xiàn)象。吸附數(shù)據(jù)取得的方式，將室溫下試管內(nèi)的干燥劑用干冰冷卻到0℃，將體積變化值(立方厘米)除以試管中的吸附劑的重量求出氣體吸附值。解吸附數(shù)據(jù)的取得與上述方法類似。將試管內(nèi)的干燥劑放在熱水槽內(nèi)升溫到60℃后獲得。就空氣吸附來說：分子篩13X吸附空氣較高，4A次之，二氧化硅更低些，3A較低，3A被認(rèn)為是“低撓曲”干燥劑。

　　與僅僅由氣溫變化對(duì)空氣層收縮的影響相比，低撓曲干燥劑的空氣吸附對(duì)中空玻璃撓曲影響是相當(dāng)小的。中空玻璃40英寸×66英寸厚5/8英寸，用索爾瓦森公式來求得兩種情況下的撓度。表二給出向內(nèi)撓曲玻璃中點(diǎn)的應(yīng)力和破損概率的計(jì)算結(jié)果。







表2 O0F條件下空氣間隔距離



無干燥劑 3A充兩長(zhǎng)邊 3A+13X充兩長(zhǎng)邊 13X充兩長(zhǎng)邊

初始?jí)簭?qiáng)（PSIA） 14.7 14.7 14.7 14.7

無撓度壓強(qiáng)（PSI0） 1.89 1.92 2.04 2.60

中點(diǎn)撓度（英寸） 0.089 0.090 0.096 0.122

中點(diǎn)玻璃壓強(qiáng)（PSI） 596 603 643 818

破損概率（片/1000） 0 0 0 0

玻璃中點(diǎn)空氣間隔減少% 14 14.5 15 19.5









　 圖六給出空氣間隔減少百分比的幾種情況�？壳皸l形表示非干燥劑引起的撓曲情況。第二條形表示中空玻璃的兩個(gè)長(zhǎng)邊充3A引起的撓曲情況。第三條形與第四分別表示充3A和13X混合干燥劑和13X引起撓曲情況。索爾瓦森方程僅適于對(duì)自由邊緣或定位邊緣條件的計(jì)算。上述計(jì)算使用的自由邊緣與實(shí)際情況較接近。

　　五、充惰性氣體所需考慮的問題

　　使用惰性氣體(氬氣和氪氣)可以提高中空窗的節(jié)能效果。與空氣的主要構(gòu)成部分氮?dú)庀啾�，惰性氣體被吸附性較弱。盡管如此，仍然能被某些干燥劑(13X和二氧化硅)吸附。為獲得減少噪音及改善熱傳導(dǎo)效果而使用六氟化硫替代空氣時(shí)，也需考慮空氣吸附的問題。在考慮空氣吸附時(shí)，3A是較好的吸附劑，13X和二氧化硅較差，應(yīng)避免使用。



在充惰性氣體的中空玻璃內(nèi)使何種干燥劑也會(huì)影響中空玻璃內(nèi)較終氣體構(gòu)成，而后者又取決于向中空玻璃內(nèi)充填惰性氣體的方式。如果充惰性氣體的方法為置換法，那么，在充惰性氣體(氬氣)之前，任何具有空氣吸附性能的干燥劑都會(huì)吸附了一定量的空氣。密封后，這些空氣將與氬氣不斷交換，直到達(dá)到某種均衡狀態(tài)為止。其結(jié)果在一定程度上降低中空玻璃內(nèi)的氬氣濃度，這種現(xiàn)象只有用13X和二氧化硅作為干燥劑時(shí)可以測(cè)量出來。如果使用(惰性氣體)氬氣，采取先真空后充氣的方法，可減輕這種現(xiàn)象。

　　六、干燥劑的選擇要考慮其綜合性質(zhì)

　　掌握前面闡述的干燥劑的性質(zhì)是十分必要的。對(duì)廠家來說，生產(chǎn)中空玻璃之前必須確定使用何種干燥劑。而選擇干燥劑，必須考慮干燥劑的綜合性質(zhì)。在我們綜合這些性質(zhì)前，必須首先考慮生產(chǎn)所要采用哪種密封系統(tǒng)，以及在中空玻璃內(nèi)還使用哪些其他材料。

　　熱融丁基膠、聚安酯、硅酮膠以及其他與聚異丁烯膠的其他密封膠，即使在天氣非常惡劣的情況下，也不會(huì)向空氣層內(nèi)釋放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系溶質(zhì)氣體。在這種情況下，3A干燥劑是較好的選擇。某些聚硫膠單道密封系統(tǒng)及聚硫膠、聚異丁烯膠的雙道密封系統(tǒng)。可能空氣層內(nèi)釋放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系溶質(zhì)氣體，所以建議使用3A與13X(或二氧化硅)的混合物。表三列出干燥劑與密封膠正確搭配的幾種情況。



表3 干燥劑的選擇—密封膠



密封膠 建議使用的干燥劑

熱融丁基膠 3A

聚胺酯 3A

聚硫膠 單道密封 3A/13X

聚硫膠/聚異丁烯膠 3A或3A/13X

其他密封膠/聚異丁烯膠 3A



在使用裝飾條或LOW－E玻璃時(shí)，應(yīng)該謹(jǐn)慎。雖然LOW－E鍍膜本身不會(huì)減少中空玻璃的空氣間隔，但是化學(xué)霧卻更明顯。目前，使用裝飾條越來越多。按照廠家的具體操作指南及建議，安裝裝飾條不會(huì)產(chǎn)生任何問題。不妥當(dāng)?shù)厥褂媚撤N油漆和切割油是導(dǎo)致兩片玻璃內(nèi)污染源之一。這時(shí)，如僅僅使用3A而沒按一定比例與非常大孔徑的干燥劑(13X)混合使用，化學(xué)霧就會(huì)產(chǎn)生。

　　表四列出四種主要干燥劑及需要考慮的四個(gè)相應(yīng)性質(zhì)。表內(nèi)符號(hào)的含義，一個(gè)對(duì)號(hào)表示相對(duì)某一性質(zhì)干燥劑是好的，兩個(gè)對(duì)號(hào)表示更好，三個(gè)對(duì)號(hào)表示較好。類似的，一個(gè)X好表示相對(duì)某一性質(zhì)使用干燥劑是差的，兩個(gè)X號(hào)表示更差，三個(gè)X號(hào)表示較差。沒有任何一種干燥劑對(duì)三種性質(zhì)都同時(shí)帶有對(duì)號(hào)。例如，如果農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系溶質(zhì)沒有可能進(jìn)入空氣層時(shí)，干燥劑3A是較佳選擇。干燥劑13X吸附水和溶質(zhì)的能力非常大，但也吸附了較多的空氣(和惰性氣體氬氣和氪氣)，4A吸附水的能力第二大，但對(duì)溶質(zhì)的吸附能力為零，并仍然吸附空氣(和氬氣/氪氣)。二氧化硅吸附溶質(zhì)的能力好，空氣吸附能力也不大，但是它吸附水的能力較差，特別是在低露點(diǎn)的條件下。

　　當(dāng)需要干燥劑同時(shí)具有吸附水和溶質(zhì)的能力時(shí)，廠家應(yīng)使用3A和13X的混合干燥劑或3A與二氧化硅的混合物。



表4 干燥劑的選擇—需綜合性質(zhì)



吸附水的能力 吸附溶質(zhì)的能力 吸附空氣的能力 吸附氬氣/氪氣的能力

3A分子篩 √ ××× √√√ √√

4A分子篩 √√ ××× ×× ××

13X分子篩 √√√ √√ ××× ×××

二氧化硅 ××× √ × ××



七、干燥劑的數(shù)量——使用多少?

　　確定干燥劑使用量的方法有三：

　　(1)經(jīng)驗(yàn)法；

　　(2)濕度平衡法；

　　(3)等量法。

　　經(jīng)驗(yàn)法簡(jiǎn)單易行。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)廠家只充兩個(gè)長(zhǎng)邊或一個(gè)長(zhǎng)邊加一個(gè)短邊。使用經(jīng)驗(yàn)法可為中空窗的壽命期提供足夠的干燥劑。

　　溫度平行法。盡管濕度平衡法是一種較科學(xué)的方法，但仍要求好的加工質(zhì)量來保證你的假設(shè)成立。首先，你需要足夠的干燥劑來除去生產(chǎn)中殘余在中空玻璃內(nèi)的水汽(和溶質(zhì))。然后，你需要有根據(jù)地推測(cè)一下，在中空玻璃壽命期間進(jìn)入中空玻璃內(nèi)的水分會(huì)有多少。初始干燥所需分子篩量很少。例如，規(guī)格為30×30×1/2英寸的中空玻璃在溫度21℃相對(duì)濕度80％條件下，空氣層內(nèi)所含水分僅為0.1克。如果窗的兩邊充3A干燥劑，大約可裝90克。在這90克干燥劑中，用來干燥露點(diǎn)－40℃時(shí)的空氣(或氣體)需要的干燥劑不超過1克，但使用二氧化硅達(dá)到該露點(diǎn)卻需要10克干燥劑。

　　在相對(duì)濕度驅(qū)動(dòng)力作用下，當(dāng)中空窗外的相對(duì)濕度較空氣層內(nèi)的相對(duì)濕度高時(shí)，會(huì)有更多的濕氣進(jìn)入中空窗內(nèi)。用濕度平行法可計(jì)算求出在窗戶壽命期內(nèi)吸附進(jìn)入中窗內(nèi)水分所需的干燥劑量。計(jì)算時(shí)，必需知道水進(jìn)入窗內(nèi)的速度或濕氣透過率(MVTR)，窗戶的設(shè)計(jì)壽命及其壽命期內(nèi)的較

低露點(diǎn)。ASTME398規(guī)定了測(cè)量中空窗密封膠濕氣透過率的步驟。濕氣透過率與下列因數(shù)有關(guān)。

　　1.使用的密封膠種類；

　　2.中空玻璃的構(gòu)造方法；

　　3.濕氣透過路線的面積及路線長(zhǎng)度；

　　4.加工質(zhì)量。

　　事實(shí)上，加工質(zhì)量是影響濕氣透過率的較重要因素，因?yàn)闈駳饨?jīng)過的路線以及透過的面積都取決于加工質(zhì)量。此外，中空窗的構(gòu)造方法主要指隔條拐角的設(shè)計(jì)，也影響濕氣透過率的大小。

　　較常用的方法是等量法。等量法是指按照美國(guó)檢驗(yàn)要求(ASTME－773和E－774)，符合此標(biāo)準(zhǔn)的中空玻璃廠家，在生產(chǎn)中使用的干燥劑與送檢樣品使用的干燥劑必須等量或更多。例如，如果送檢窗(四邊充填分子篩)通過CBA等級(jí)，那么該送檢窗則使用了0.6克干燥劑/英寸。因此，正式生產(chǎn)的中空窗所充填的干燥劑也必須達(dá)到0.6克/英寸。一個(gè)規(guī)格30×40英寸的中空窗的周長(zhǎng)是140英寸，需要至少84克的干燥劑(0.6×140)。表五給出其他幾種情況。



表5 代表性的中空玻璃均衡例子 140*20*1/4檢驗(yàn)窗戶



檢驗(yàn)窗充的邊 干燥劑（克） 周長(zhǎng)（英寸） 干燥劑使用（克/英寸）

4邊 41 68 0.6

兩長(zhǎng)邊 27 68 0.4

一長(zhǎng)邊一短邊 20 68 0.3

一長(zhǎng)邊 14 68 0.2



八、結(jié)　論

　　干燥劑從中空玻璃內(nèi)吸附濕氣和溶質(zhì)的能力是影響中空窗性能的關(guān)鍵。本文所述的干燥劑的基本原理適用于所有中空窗的組裝，而無論這些窗采用的是傳統(tǒng)的間隔條，還是U型條，超級(jí)間條，或者其他冷橋隔條系統(tǒng)。