捷阳门窗硬核科普：氩气在节能门窗中的使用
门窗优劣的唯一表征就是它的性能指标，回顾过去10~15年节能门窗的发展，其变化是惊人的。
整体双层中空玻璃的热阻值在这一较短时间内，改进了2～4倍。
这一性能提高的主要原因来自于三个方面：低辐射镀膜玻璃的使用；在中空玻璃内腔充氩气；暖边技术的使用。
01.
中空玻璃热性能
＊粗略统计，国外中空玻璃应用情况为30%使用低辐射镀膜玻璃，30%为充氩气，35%采用了暖边结构，有5%为普通中空玻璃。
＊中国内中空玻璃应用情况为55%为普通中空玻璃，30%使用低辐射镀膜玻璃，10%为充氩气，有5%采用暖边结构。
在中空玻璃热性能改进方面，贡献最大的为使用低辐射镀膜玻璃，它提高中空玻璃热工性能约为33%。
其次为充氩气，可提高13%，暖边技术可提高6%，见表1。
在这三种提高中空玻璃性能的方法中，引起争论最多的是在中空玻璃中空腔内充填氩气。
它可以提高中空玻璃性能达到13%。但如何长期保留氩气在中空玻璃内腔是一个问题。
表2示出了低辐射Low-E镀膜中空玻璃与低辐射Low-E镀膜充氩气中空玻璃的u值及相互对比关系。
比较辐射率E=0.1和E=0.05的两种Low-E玻璃，发现中空玻璃u值从0.32降到0.30，即Δu为0.02。
u值改进了6%；对整窗的u值改进为0.01，整窗性能提高3%。
如果对辐射率为0.1的中空玻璃中空腔内充填氩气，那么玻璃的U值从0.32降到0.27，或者说Δu=0.05，相当于性能提高了15%。
从表2中最下面一行可以看出，充填氩气对整窗性能的提高是降低Low-E镀膜辐射率从0.1到0.05的2倍。
也就是说填充氩气的作用明显大于镀膜降低辐射率的作用。
氩气能改进中空玻璃的热阻特性是简单明了的。就是因为氩气同空气相比是热的较低的传导介质，或者说是热的绝缘体。
当然还有其他气体是热的不良传导体，例如氦气。但由于氩气有价廉、无色、无味、安全和易得等特性，被广发应用。
02.
中空玻璃内腔的气体传导特性
几种气体的热传导系数见表3。
热传导系数越低，气体对热的绝缘性能越好。
最关键的是能生产出不让氩气等填充气体溢出，从而保持中空玻璃良好热绝缘性的中空玻璃来。
一旦充填气体溢出，那么中空玻璃性能也随之失去。
保持氩气留在中空玻璃内腔，决定于以下3项因素：
所使用的密封材料
密封方式和间隔框设计
保持密封的整体性
充填气体泄漏率最大值为每年1%。
这是根据德国DIN1286标准和中空玻璃中国国家标准GB／T11944-2012的规定，如果按此泄漏率和初始充气百分率要求，那么这种氩气中空玻璃的服役年限可达20年，即20年以后仍有80%的氩气含量。
一旦中空玻璃内腔氩气含量低于80%，那么中空玻璃的性能将极大地下降。要维持上面所述要求，通过合适的方法制造，选取密封性能好的材料是可以达到的。
03.
密封材料
密封材料影响气体保持能力的关键物理特性是该密封材料的防渗透能力。
渗透能力就是气体通过材料的移动难易的能力。许多种材料用作中空玻璃的密封用途，但防渗透能力差别很大。表4列出了常用材料及防渗透特性。
从表4可看出，在相同条件下，氩气在双组份硅胶密封的中空玻璃中的泄漏是聚异丁烯的3000倍，单组份硅胶的泄漏率甚至还要高。
03.
密封设计
通常中空玻璃的结构设计如图1。
图1空玻璃密封结构示意
在双道密封的中空玻璃组件中，第一道密封(通常是聚异丁烯)是保持氩气的最主要途径。
从上面的表4中，我们发现，聚异丁烯是最好的防渗透材料。
图1结构也是确保氩气保持的最好结构设计，用下面公式来表示气体通过密封材料的流量：
Q：流量
α：材料渗透性
Δp：中空腔内外压力分压差
A：密封区域的断面积
L：密封路径的长度
从泄漏率公式可以得出：假设分压恒定，那么要减少泄漏，可以通过最小化密封区域面积，选用最小渗透率的材料，将密封路径的长度最大化来得到。
在中空玻璃整个工作过程中，由于受温度、气压、风负荷和热负荷变化等作用，密封材料受到泵吸作用，因此很快会变形，那么断面区域A增加，同时缩短路径L，这将导致氩气泄漏增加。
在某种程度上，确保聚异丁烯保持原形是由第二道密封材料来抵抗变形保证的。它会由于温度、气压、风荷载、热荷载的变化而变化。更深层次来讲，也可以通过间隔框的设计来控制在聚异丁烯的应力。
在中空玻璃内部压力变化周期内，中空玻璃边部趋向于转动，如果间隔框为箱型设计，且相对刚性那么几乎所有运动都会变成在聚异丁烯内的应力，并使聚异丁烯变形，最终将在聚异丁烯内产生空洞。
如果间隔框柔性，玻璃边部转动将由间隔框来抵消，那么聚异丁烯的变形也会变小。这种间隔框柔性设计将会使氩气在中空玻璃内会更长。
如果间隔框为刚性设计，那么最好使用分子模量相对大的第二道密封材料，例如聚硫胶或聚氨酯来保证聚异丁烯不变形。
而低模量胶，例如硅胶将使聚异丁烯变形严重，结果是较高的氩气泄漏。
图2表示氩气泄漏路径和柔性间隔框设计减少聚异丁烯应力。
图2
表5示出了在相同聚异丁烯作第一道密封而使用不同材料用作第二道密封时的氩气泄漏率(根据中国国家标准)。
氩气泄漏会产生什么后果呢？
很显然，一旦氩气泄漏，氧气和氮气自然就会进入到中空玻璃腔内部，因氩气泄漏同氧气和氮气进入的速率是不同的，结果就是中空内部和外界存在压差，玻璃会变形。
要了解氩气和氧气、氮气进人速率不同的问题，需要弄清楚气体分压和不同气体对同种密封材料泄漏率不同的问题。
所谓分压，就是引起气体从一处(即从中空玻璃内腔)到另一处(中空玻璃外界)的驱动力。
在充满100%氩气的中空玻璃构件中，在大气状态下的氩分压是14.7，外界空气中氩含量<1%，因此其分压为14.7×1%=0.147，即氩分压差为14.6PSI。
从外界空气到充满氩气的中空腔内的氧气分压差是3.1PS-0.0PSI=3.1PSI。
氮气的分压差是11.5PS-0.0PSI=11.5PSI。
而密封材料渗透力(泄漏率)是指气体通过密封材料的难易程度。
密封材料对不同气体渗透力是不同的，假设一种密封材料对氮气的泄漏率为1，那么对氩气和氧气的泄漏率分别为4.1倍和4.2倍。
按此假设并结合泄漏率公式，在相同路径和相同断面区域情况下，可以得到如下表达式：
氩气向外泄漏=4.1×14.6=59.9
氧气向内渗透=4.2×3.1=13.0
氮气向内渗透=1.0×11.5=11.5
从上面的表达式中，可看出氩气向外泄露是氮气和氧气向内渗透的2.4倍(59.9+(13+11.5)=2.4)。
这种气体流动的不平衡使得中空玻璃内压低，中空玻璃构件塌陷。
这将会引起中空玻璃质量问题，例如光学变形，热性能下降，在中部的低辐射膜相互摩擦，密封失效，玻璃破损。
因此，正确使用氩气是非常重要的。
(1)首先，充氩气是非常有益的，同提高镀膜性能来降低热传导效果来比，用充氩气来降低热传递的效果更好。
(2)因充氩气泄漏而导致中空玻璃失效时有发生，这主要是在密封材料选用不当或者边部密封结构不当引起的。
(3)用充氩气而达到节能的效果是明显的，氩气保留在中空腔内，而让它长期有效取决于设计合理，制作良好，密封材料使用得当。
氩气在中空玻璃中自然泄漏机理是众所周知的，所以没有必要担心使用充氩气中空玻璃会引起中空玻璃的失效。
事实上，随着客户需求的不断增长，使用成本的节约，充氩气中空玻璃的使用正得到快速增加。
（文章来源：捷阳门窗公众号，侵删）
