中空玻璃薄型化及發(fā)展趨勢(shì)

劉成雄

（1.秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001；2.河北省玻璃節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新中心 秦皇島 066001；3.河北省企業(yè)技術(shù)中心 秦皇島 066001）

0 引言

在現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11944—2012 《中空玻璃》中，中空玻璃定義為兩片或多片玻璃以有效支撐均勻隔開(kāi)并周邊粘接密封，使玻璃層間形成有干燥氣體空間的玻璃制品。中空玻璃具有傳熱系數(shù)低、隔音性能高、節(jié)能效果顯著和美觀適用等特征，隨著新型節(jié)能低碳建筑的發(fā)展，中空玻璃薄型化趨勢(shì)明顯，以達(dá)到新型建筑物門(mén)窗輕量化和節(jié)能降碳的目的。

1 中空玻璃的發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 中空玻璃的發(fā)展

1865年8月，美國(guó)人T·D·Stofson 最早獲得了發(fā)明中空玻璃的專(zhuān)利。經(jīng)過(guò)近100年的發(fā)展，到上世紀(jì)50年代在全世界得到了廣泛使用，在歐洲、北美、日本、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家及地區(qū)應(yīng)用更為普遍，其制造工藝為金屬框架有機(jī)粘接法。1940年美國(guó)利比-歐文思-福特公司（LOF公司）發(fā)明金屬焊接法，它是把銅噴鍍?cè)诓ＡУ乃闹?，再以鉛合金的框子把兩片玻璃焊接起來(lái)，然后再用干燥空氣把內(nèi)部空氣置換出來(lái)。1978年美國(guó)化學(xué)博士Tom Greenlee發(fā)明膠條型有機(jī)粘接法，膠條法與金屬框架法的生產(chǎn)工藝及其設(shè)備基本相同，只是干燥劑在制作膠條時(shí)已經(jīng)預(yù)先放入其中了。

我國(guó)中空玻璃生產(chǎn)工藝研究起步較晚，1964年開(kāi)始用手工方法小批量生產(chǎn)，上世紀(jì)70年代初，在沈陽(yáng)玻璃廠試制成功半機(jī)械生產(chǎn)中空玻璃的生產(chǎn)線(xiàn)，并開(kāi)始推廣應(yīng)用，其后一段時(shí)間發(fā)展基本處于停滯狀態(tài)。直到上世紀(jì)80年代中期，廣東深圳從國(guó)外引進(jìn)首條全自動(dòng)化中空玻璃裝備生產(chǎn)線(xiàn)后，我國(guó)中空玻璃制造才得以發(fā)展。1997年我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的輥壓式中空玻璃生產(chǎn)線(xiàn)投放市場(chǎng)，1999年秦皇島耀華工業(yè)技術(shù)玻璃廠又引進(jìn)了具有當(dāng)今國(guó)際先進(jìn)水平的，可充入惰性氣體的全自動(dòng)中空玻璃生產(chǎn)線(xiàn)。目前，我國(guó)已形成了從中空玻璃生產(chǎn)到設(shè)備制造的科研、開(kāi)發(fā)的完整體系。

1.2 我國(guó)中空玻璃的生產(chǎn)及消費(fèi)情況

按國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和國(guó)家海關(guān)的統(tǒng)計(jì)口徑，2022年我國(guó)中空玻璃產(chǎn)量為1.44億m2，同比減少9.3%；表觀消費(fèi)量為1.39億m2，同比減少9.7%。出口量515.6萬(wàn)m2，同比增長(zhǎng)1.9%，進(jìn)口量2.0萬(wàn)m2，同比減少28.6%，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)中空玻璃生產(chǎn)及消費(fèi)變化情況

2 中空玻璃的新興發(fā)展趨勢(shì)

中空玻璃的主要特點(diǎn)是隔音和節(jié)能，所以提高其能源效率是業(yè)內(nèi)不斷追尋的方向，其發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面。

Low-E涂層應(yīng)用于玻璃表面，以減少進(jìn)入建筑物的熱量和紫外線(xiàn)輻射，同時(shí)允許可見(jiàn)光通過(guò)， 有助于保持室內(nèi)溫度更加穩(wěn)定，并減少建筑物供暖或制冷所需的能量，可以顯著提高建筑物的能源效率和舒適度。目前Low-E中空玻璃已廣泛應(yīng)用于建筑及其他領(lǐng)域，是新型建筑和既有建筑改造的首選門(mén)窗材料，但提高建筑業(yè)Low-E中空玻璃普及率仍是當(dāng)前的課題。

2.2 智能中空玻璃

所謂智能中空玻璃，是使用調(diào)光玻璃或電致變色玻璃作為中空玻璃的組成原片，根據(jù)熱、光或電流等外部刺激改變其透明度、不透明度和顏色的中空玻璃。智能中空玻璃可以手動(dòng)或自動(dòng)控制，提供更大的靈活性并控制進(jìn)入建筑物的光和熱量。智能中空玻璃還可以與其他智能家居技術(shù)集成，如照明和暖通空調(diào)系統(tǒng)，以?xún)?yōu)化能源消耗并提高舒適度。

2.3 薄型化中空玻璃

薄玻璃是一種比傳統(tǒng)玻璃更薄的玻璃，具有更輕、更柔韌的特性。薄玻璃可用于生產(chǎn)薄型中空玻璃，從而提高熱性能和能源效率，還可以生產(chǎn)可用于建筑特殊位置的彎曲或柔性中空玻璃。從節(jié)約材料、節(jié)能降碳角度來(lái)說(shuō)，薄型化中空玻璃將是當(dāng)期和未來(lái)的主要門(mén)窗材料。

2.4 三層或多層中空玻璃

三層或多層中空玻璃，是使用由兩個(gè)或多個(gè)密封氣體空間隔開(kāi)的三片或多片玻璃板組成的中空玻璃，比雙層玻璃具有更好的隔熱性能，使其成為極冷氣候下建筑物的理想選擇。三層或多層中空玻璃還提供更好的隔音效果和更高的安全性。

2.5 多元化的功能中空玻璃

中空玻璃生產(chǎn)的其他新興趨勢(shì)是使用不同功能的玻璃作為中空玻璃的組成原片，以生產(chǎn)適應(yīng)不同場(chǎng)合的獨(dú)特功能的中空玻璃，主要包括真空中空玻璃（VIG）、自清潔中空玻璃、能量收集中空玻璃、高隔音中空玻璃、防火中空玻璃以及納米玻璃、柔性玻璃與智能家居技術(shù)集成的中空玻璃等。

3 中空玻璃薄型化定義及可行性

3.1 薄型中空玻璃的定義

薄型中空玻璃的“薄型”，是指中空玻璃組成原片的厚度還是整個(gè)中空玻璃的厚度，目前尚未有統(tǒng)一的規(guī)定和認(rèn)知。在現(xiàn)行國(guó)標(biāo)GB/T 11944—2012 《中空玻璃》中，組成中空玻璃的原片可采用平板玻璃、鍍膜玻璃、夾層玻璃、鋼化玻璃、防火玻璃、半鋼化玻璃和壓花玻璃等，所用玻璃應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求?，F(xiàn)行國(guó)標(biāo)GB 11614—2022 《平板玻璃》中，平板玻璃的常用厚度規(guī)格為2mm、3 mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10 mm、12 mm、15 mm、19 mm、22 mm、25 mm。

根據(jù)中空玻璃生產(chǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)，并參考世界各大公司產(chǎn)品情況，暫且以中空玻璃組成原片的厚度來(lái)定義“薄型”。即中空玻璃組成原片3 mm（含）以下厚度的為薄型中空玻璃，厚度4～10 mm（含）為常規(guī)型中空玻璃，厚度10～19 mm（含）為加厚型中空玻璃，厚度19 mm以上為特厚型中空玻璃。

如板硝子公司的薄型中空玻璃產(chǎn)品就是以中空玻璃組成原片厚度定義的，見(jiàn)表2。

表2 板硝子公司部分薄型中空玻璃產(chǎn)品

3.2 薄型中空玻璃符合節(jié)能降碳要求

理論上，中空玻璃的傳熱系數(shù)與玻璃的熱阻和玻璃厚度的乘積有著直接的聯(lián)系。當(dāng)增加玻璃厚度時(shí)，必然會(huì)增大該片玻璃對(duì)熱量傳遞的阻擋能力，從而降低整個(gè)中空玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)。但從表3中可以看出，增加玻璃厚度對(duì)降低中空玻璃U值的作用并沒(méi)有那么明顯，如對(duì)具有12 mm空氣間隔層的普通中空玻璃來(lái)說(shuō)，兩片玻璃都為5 mm白玻組成的中空玻璃的U值僅比3 mm白玻的中空玻璃U值降低0.04 W/m2·K。所以，中空玻璃原片薄型化發(fā)展從節(jié)能降碳效果上講是可行的。

表3 不同玻璃原片厚度的中空玻璃U 值

4 薄型中空玻璃的發(fā)展方向

薄型中空玻璃不僅要符合節(jié)能降碳的需要，而且也要滿(mǎn)足既有建筑門(mén)窗更換玻璃的需要，即保證門(mén)窗框體不變，更加輕量化。

4.1 薄型中空玻璃整體更薄

要使薄型中空玻璃整體更薄，僅減小中空玻璃組成原片的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，同時(shí)也需要減少中間氣體層的厚度。許多關(guān)于薄型中空玻璃的專(zhuān)利，其中間氣體層的厚度是很小的。如日本JPH0960433A號(hào)專(zhuān)利“薄中空玻璃”，使用厚度為2.5～3.0 mm的平板玻璃，玻璃間隔為2.0 mm，制作成厚度為7.0～7.5 mm的中空玻璃。日本中央硝子公司產(chǎn)品目錄中的薄型中空玻璃產(chǎn)品均為特殊氣體層，厚度為2.5 mm，見(jiàn)表4。

表4 中央硝子部分薄型中空玻璃產(chǎn)品厚度

所謂特殊氣體層，主要是指在玻璃板之間的間隙中填充惰性氣體，如氬氣、SF6或碳氟化合物等，通過(guò)充入導(dǎo)熱系數(shù)比空氣低的惰性氣體，可進(jìn)一步提高中空玻璃的隔熱性能，使中空玻璃整體更薄。

4.2 薄型三層中空玻璃

薄型三層中空玻璃由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室附屬斯蒂芬·塞爾科維茨顧問(wèn)公司的史蒂夫·塞爾科維茨（Selkowitz）在20世紀(jì)80年代末發(fā)明，并于1991年獲得發(fā)明注冊(cè)。鑒于當(dāng)時(shí)的消費(fèi)理念及技術(shù)情況，既沒(méi)有薄玻璃產(chǎn)品，也沒(méi)有市場(chǎng)需求，薄玻璃是在2000年后，隨著智能手機(jī)和平板電視的出現(xiàn)和快速增長(zhǎng)才得以快速發(fā)展的。

2018年美國(guó)高性能產(chǎn)品公司開(kāi)始與美國(guó)能源部合作開(kāi)發(fā)商用薄玻璃三層中空玻璃。到2019年，經(jīng)過(guò)廣泛的測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，該公司將其作為產(chǎn)品推出。到2023年中期，該公司預(yù)計(jì)將向商業(yè)和住宅應(yīng)用市場(chǎng)銷(xiāo)售9.29萬(wàn)m2的薄玻璃中空玻璃產(chǎn)品。

德國(guó)、比利時(shí)等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家隨著隔熱法律要求變得越來(lái)越嚴(yán)格（如德國(guó)節(jié)能法規(guī)EnEV），使用三層中空玻璃的趨勢(shì)明顯。如結(jié)構(gòu)為4 mm浮法玻璃板（外側(cè)）＋空氣層＋2 mm鋼化玻璃＋氬氣層＋3 mm浮法玻璃板（內(nèi)側(cè)），其質(zhì)量?jī)H為22.5 kg/m2時(shí)，Ug值為0.6 W/m2·K，透光率為73%，熱效能明顯提高。德國(guó)聯(lián)邦平板玻璃協(xié)會(huì)公布的三層中空玻璃的典型U值見(jiàn)表5。

表5 三層中空玻璃的典型U 值

當(dāng)然，三層中空玻璃的中間玻璃可使用比兩外側(cè)更薄的玻璃，以達(dá)到在不增加太多重量的情況下大幅提高熱性能。另外，薄型三層中空玻璃應(yīng)比傳統(tǒng)的三層中空玻璃薄得多，以便輕松地容納在既有建筑外窗系統(tǒng)中。

5 結(jié)語(yǔ)

2023年11月初，中國(guó)建材總院新增4個(gè)“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，“薄型中空玻璃及節(jié)能外窗系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目列在其中。說(shuō)明目前我國(guó)薄型中空玻璃發(fā)展尚有欠缺，在滿(mǎn)足建筑外窗系統(tǒng)節(jié)能和節(jié)材雙重需求方面尚不完備，需要通過(guò)大力開(kāi)發(fā)既有建筑外窗改造用高效節(jié)能薄型中空玻璃及其替換技術(shù)，構(gòu)建建筑用節(jié)材薄型中空玻璃與外窗系統(tǒng)，建立薄型中空玻璃和外窗系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)體系，才能有效推動(dòng)輕量化薄型中空玻璃的應(yīng)用，從而大幅度提高建筑等領(lǐng)域的節(jié)能降碳效果。