干燥剂在中空玻璃中的作用

干燥剂在中空玻璃中的作用 点击：5792次作者：加拿大联合太平洋有限公司王铁华一、干燥剂的概念干燥剂是一种与水具有高度亲合性的材料，能够吸附周围其他材料中的水分。固体干燥剂是吸附剂类的一部分。中空玻璃使用的固体吸附剂包括分子筛与氧化硅胶(即二氧化硅)两种，通过吸附作用的物理方法除去空气层内的水分子。吸附现象。水相分子或气相分子聚集在固体的表面上，由分子间的相互作用结合在一起。因为吸附是分子表面现象，生产固体吸附剂必须内表面积特别大才行。一般说，1克分子筛的内表面积等于750平方米。形象地说：一杯分子筛的表面积都张开的话相当于40个足球场的面积大。二、使用干燥剂的目的使用干燥剂的目的有三吸附掉生产时密封于中空玻璃空气层内的水分；在中空玻璃寿命期内连续吸附进入空气层内的水分，以保持中空玻璃内的低露点(一40°C)。窗户安装后，水分进入空气层内的原因是：a、 铝框插角处理不当；b、 密封胶施工欠妥；c、 气温变化导致中空窗玻璃的挠曲增加；d、 密封胶的湿气透过率。吸附掉生产时密封于空气层内的挥发性有机溶质，以及中空玻璃寿命期内进入空气层内的有机溶质。中空玻璃用的干燥剂种类及工作原理干燥剂种类：主要有分子筛和氧化硅胶(即二氧化硅)分子筛分子筛是硅和氧化铝合成的微孔晶体材料。为保持晶体净放电为零，带阳离子的原子定位于晶体结构内。在这些合成晶体中，通常采用的阳离子为钠。中空玻璃行业广泛使用的分子筛有两类：A类和X类。分子筛是在严格控制的生产条件下合成，成型和激活的。控制合成过程可保证三维微孔孔径的一致性。3A分子筛的孔径为3埃，4A分子筛的孔径为4埃;13X分子筛的孔径为8.5埃(1=100,000，000)。分子筛的工作原理。分子筛通过物理吸引力将分子吸附在晶体的表面积上。由于分子筛表面积的95％位于孔径内，需要通过筛选来甄别邻近分子的大小，只有小分子才能通过晶体的孔径开口进入分子筛的内吸附面，这种有选择的吸附现象被称为分子筛效应。分子筛的吸附能力与电荷密度(极性)进而与所吸附的分子有关。分子筛要进一步区分混合分子中哪些可以吸附，并确定在多大程度上电荷密度可使分子吸附在晶体上。水分子特别小(2.6埃)，是高度的极性分子(很强的正负电子密度)，很容易被分子筛吸附，即使在湿气相当低的情况下也是如此，水分子一旦被吸附就会牢牢地固定在晶体上。氧化硅胶氧化硅胶是非晶体的二氧化硅，其孔径的范围为20埃〜300埃。氧化硅胶的表面积也非常大，每克氧化硅胶的表面积为300〜800平方米。由于微孔的孔径范围大，因而不具有分子筛效应。氧化硅胶吸附汽相的工作原理称为毛细凝缩现象。水汽分子沿着分子筛的孔径由大向小前进，直到达到与其直径大小相同处停下，黏附在分子筛壁上，保持半液体状态。如果达到水汽－液态温度（即沸点），氧化硅胶的吸附能力增加。因为氧化硅胶吸附湿气分子的能力随温度升高而增加。所以，如果中空窗在正常室温条件下长时间接触高湿度，用氧化硅胶作为干燥剂是最理想的选择。但是，恰恰是同一性质，使氧化硅胶很难在低湿度条件（即低露点条件）下在中空玻璃的密封系统内起保护作用。图片附件:t1.jpg7.96K图一用来表示我们上面所讨论的内容。X轴表示露点水平，也可以用压强单位（局部水汽压强）表示。Y轴表示在某一露点（局部压强）处多少克水分子被吸附在干燥上。从图可见，每100克分子筛在一70°F露点处都具有吸附至少8克水分子的能力（0.0121Hg或1.61Pa）。表一列出中空玻璃空气层中常见的四种分子筛，其孔径大小，及进入微孔内被吸附各种常见分子。表1干燥剂类型孔径（埃）被吸附物非吸附物3A分子筛3H2O其他一切4A分子筛4 H2O、空气、氩气、氪气SF6溶质13X分子筛8.5所有无氧化硅胶20-300所有无三、干燥剂性质如何选择正确的干燥剂，或按照正确的比例混合干燥剂，取决于上述分子筛的性质，及中空玻璃的构造。中空玻璃里的干燥剂的主要作用是吸附空气层内的湿气。这包括中空玻璃合片时密封在空气层内的湿气以及在中空玻璃整个寿命期内进入空气层的湿气。中空玻璃内使用干燥剂的第二个目的是吸附空气层内的溶质。这些溶质是生产中空玻璃时由某些密封胶，油漆或机械油所带来的。使用干燥剂所考虑的第三个问题是干燥剂吸附空气层内的气体（空气或惰性气体）的能力。充填惰性气体如氩气或氪气可降低中空玻璃的热传导性，充填六氟化硫可减少噪音降低热传导性。图片附件:t2.jpg10.59K为使干燥剂起到吸附水和溶质的作用，在选择干燥剂时，必须同时考虑干燥剂温度与人们所要达到露点的温度。例如，图二给出温度为21°C结露点为一40°C条件下，四种干燥剂的水吸附能力。在这些条件下，13X的水吸附能力最高，每100克干燥剂可吸附水16克,4A第二，3A第三（每100克干燥剂吸附水13.5克），氧化硅胶最差，在低露点条件下每100克所吸附的水不足1克，空气层内残余水量=1.0％。图片附件:t3.jpg11.03K中空玻璃生产中常见的溶质有甲苯和丁酮（MEK）,即使在低露点条件下也必须吸附掉，以避免在中空玻璃的玻璃之间出现化学雾。图三给出中空玻璃干燥剂对溶质的吸附能力条件：温度21C，露点一34C。可见，干燥剂13X的吸附能力是最高的，每100克干燥剂可吸附溶质23克。相同条件下，氧化硅胶次之，每100克的吸附能力为12.5克。该图可以说明分子筛效应。甲苯和丁酮的分子直径大于3A和4A的孔径。由于它们不能进入晶体的内部面积，分子筛对它们的吸附能力几乎为零。干燥剂对水和溶质的吸附能力随温度变化而变化。温度升高，干燥剂的吸附能力下降，反之亦然。干燥剂对水和溶质的吸附能力随所要求的露点减少而减少，这是由于这些分子的局部压强较低的缘故。四、气体吸附与中空玻璃的挠曲图片附件:t4.jpg9.57K中空玻璃干燥剂对气体吸附和解析付直接影响玻璃的挠曲（或挠度）。因此，理解它们的特点对尽可能避免或减少玻璃的挠曲，是十分重要的。玻璃的挠度指中空玻璃片非直线平行地向内或向外挠曲。图四表示玻璃挠度情况。生产中空玻璃时，中空玻璃内密封的空气具有与中空玻璃生产室内相同的大气压和湿度条件。如果窗户安装处的纬度较生产环境的纬度高，中空玻璃内的气压就比周围的气压高，玻璃向外挠曲。反之，如果环境气压比密封中空玻璃内的气压高，则玻璃就会向内挠曲。温度的改变也会影响中空玻璃内的空气层。随着空气温度的降低，中空玻璃内的气体体积也缩小，反之亦然。18世纪后半叶，查理爵士发现了气压，温度与气体体积之间的关系，并用数学公式来表示。他观察到固定体积气体的气压随着绝对温度变化而变化。用数学公式表示如下：P*=P[460+T2]/[460+T1]或简化为P*=P*T2/T1式中：P=生产车间的环境气压P^=窗户安装现场的气压T1=生产车间的温度T2=窗户安装现场的温度无论中空玻璃是如何构造的，它的气压都会随温度变化而变化。中空玻璃内的气体体积膨胀（导致玻璃向外挠曲）或收缩（玻璃向内挠曲）是不可避免的。因此，为减轻中空玻璃所受的压力，所有的中空玻璃的构造都不是100％的刚性，中空玻璃常用的分子筛影响窗户的挠曲。干燥剂周围的温度下降时，除3A分子筛外的所有干燥剂都吸附空气的分子。该吸附过程从空气层吸附更多的气体，使已挠曲的玻璃（由较低温度导致）进一步向内挠曲。这种干燥剂在温度升高时，也会向空气层内解吸附气体，引起窗户向外挠曲。图片附件:t5.jpg10.76K图五表示几种干燥剂在两个不同温度下的空气吸附和解吸附现象。吸附数据取得的方式，将室温下试管内的干燥剂用干冰冷却到0°C,将体积变化值（立方厘米）除以试管中的吸附剂的重量求出气体吸附值。解吸附数据的取得与上述方法类似。将试管内的干燥剂放在热水槽内升温到60C后获得。就空气吸附来说：分子筛13X吸附空气最高，4A次之，二氧化硅更低些，3A最低，3A被认为是“低挠曲”干燥剂。与仅仅由气温变化对空气层收缩的影响相比，低挠曲干燥剂的空气吸附对中空玻璃挠曲影响是相当小的。中空玻璃40英寸X66英寸厚5/8英寸，用索尔瓦森公式来求得两种情况下的挠度。表二给出向内挠曲玻璃中央的应力和破损概率的计算结果。表2O0F条件下空气间隔距离无干燥剂 3A充两长边3A+13X充两长边13X充两长边初始压强（PSIA）14.714.714.714.7无挠度压强（PSI0） 1.891.922.042.60中央挠度（英寸）0.089 0.090 0.096 0.122中央玻璃压强（PSI） 596603643818破损概率（片/1000）0000玻璃中央空气间隔减少% 14 14.515 19.5图六给出空气间隔减少百分比的几种情况。第一条形表示非干燥剂引起的挠曲情况。第二条形表示中空玻璃的两个长边充3A引起的挠曲情况。第三条形与第四分别表示充3A和13X混合干燥剂和13X引起挠曲情况。索尔瓦森方程仅适于对自由边缘或定位边缘条件的计算。上述计算使用的自由边缘与实际情况最接近。图片附件:t6.jpg15.1K五、 充惰性气体所需考虑的问题使用惰性气体（氩气和氪气）可以提高中空窗的节能效果。与空气的主要构成部分氮气相比，惰性气体被吸附性较弱。尽管如此，仍然能被某些干燥剂（13X和二氧化硅）吸附。为获得减少噪音及改善热传导效果而使用六氟化硫替代空气时，也需考虑空气吸附的问题。在考虑空气吸附时，3A是最好的吸附剂，13X和二氧化硅最差，应避免使用。在充惰性气体的中空玻璃内使何种干燥剂也会影响中空玻璃内最终气体构成，而后者又取决于向中空玻璃内充填惰性气体的方式。如果充惰性气体的方法为置换法，那么，在充惰性气体（氩气）之前，任何具有空气吸附性能的干燥剂都会吸附了一定量的空气。密封后，这些空气将与氩气不断交换，直到达到某种均衡状态为止。其结果在一定程度上降低中空玻璃内的氩气浓度，这种现象只有用13X和二氧化硅作为干燥剂时可以测量出来。如果使用（惰性气体）氩气，采取先真空后充气的方法，可减轻这种现象。六、 干燥剂的选择要考虑其综合性质掌握前面阐述的干燥剂的性质是十分必要的。对厂家来说，生产中空玻璃之前必须确定使用何种干燥剂。而选择干燥剂，必须考虑干燥剂的综合性质。在我们综合这些性质前，必须首先考虑生产所要采用哪种密封系统，以及在中空玻璃内还使用哪些其他材料。热融丁基胶、聚安酯、硅酮胶以及其他与聚异丁烯胶的其他密封胶，即使在天气非常恶劣的情况下，也不会向空气层内释放有机溶质气体。在这种情况下，3A干燥剂是最好的选择。某些聚硫胶单道密封系统及聚硫胶、聚异丁烯胶的双道密封系统。可能空气层内释放有机溶质气体，所以建议使用3A与13X（或二氧化硅）的混合物。表三列出干燥剂与密封胶正确搭配的几种情况。表3干燥剂的选择—密封胶密封胶建议使用的干燥剂热融丁基胶3A聚胺酯3A聚硫胶单道密封3A/13X聚硫胶/聚异丁烯胶3A或3A/13X其他密封胶/聚异丁烯胶3A在使用装饰条或LOW—E玻璃时，应该谨慎。虽然LOW—E镀膜本身不会减少中空玻璃的空气间隔，但是化学雾却更明显。目前，使用装饰条越来越多。按照厂家的具体操作指南及建议，安装装饰条不会产生任何问题。不妥当地使用某种油漆和切割油是导致两片玻璃内污染源之一。这时，如仅仅使用3A而没按一定比例与较大孔径的干燥剂（13X）混合使用，化学雾就会产生。表四列出四种主要干燥剂及需要考虑的四个相应性质。表内符号的含义，一个对号表示相对某一性质干燥剂是好的，两个对号表示更好，三个对号表示最好。类似的，一个X好表示相对某一性质使用干燥剂是差的，两个X号表示更差，三个X号表示最差。没有任何一种干燥剂对三种性质都同时带有对号。例如，如果有机溶质没有可能进入空气层时，干燥剂3A是最佳选择。干燥剂13X吸附水和溶质的能力最大，但也吸附了最多的空气（和惰性气体氩气和氪气），4A吸附水的能力第二大，但对溶质的吸附能力为零，并仍然吸附空气（和氩气/氪气）。二氧化硅吸附溶质的能力好，空气吸附能力也不大，但是它吸附水的能力最差，特别是在低露点的条件下。当需要干燥剂同时具有吸附水和溶质的能力时，厂家应使用3A和13X的混合干燥剂或3A与二氧化硅的混合物。表4干燥剂的选择一需综合性质吸附水的能力吸附溶质的能力吸附空气的能力吸附氩气/氪气的能力3A分子筛VXXXVVVVVTOC\o"1-5"\h\z4A分子筛 VV XXX XX XX13X分子筛 VVV VV XXX XXX二氧化硅 XXX VX XX七、干燥剂的数量一一使用多少?确定干燥剂使用量的方法有三：（1）经验法；（2）湿度平衡法；（3）等量法。经验法简单易行。根据经验，大多数厂家只充两个长边或一个长边加一个短边。使用经验法可为中空窗的寿命期提供足够的干燥剂。温度平行法。尽管湿度平衡法是一种较科学的方法，但仍要求好的加工质量来保证你的假设成立。首先，你需要足够的干燥剂来除去生产中残余在中空玻璃内的水汽（和溶质）。然后，你需要有根据地推测一下，在中空玻璃寿命期间进入中空玻璃内的水分会有多少。初始干燥所需分子筛量很少。例如，规格为30X30X1/2英寸的中空玻璃在温度21°C相对湿度80%条件下，空气层内所含水分仅为0.1克。如果窗的两边充3A干燥剂，大约可装90克。在这90克干燥剂中，用来干燥露点一40C时的空气（或气体）需要的干燥剂不超过1克，但使用二氧化硅达到该露点却需要10克干燥剂。相对湿度驱动力作用下，当中空窗外的相对湿度较空气层内的相对湿度高时，会有更多的湿气进入中空窗内。用湿度平行法可计算求出在窗户寿命期内吸附进入中窗内水分所需的干燥剂量。计算时，必需知道水进入窗内的速度