隨著國家節能政策越來越強有力的落實，建築節能要求也逐步提高。建築用玻璃也隨之出現向高效能中空玻璃升級換代的發展趨勢，除正在不斷推廣的低輻射鍍膜中空玻璃外，新出現了一種在中間層充入氬氣、氦氣等惰性氣體的充氣中空玻璃。惰性氣體相對於空氣而言，密度大，導熱係數小，故可減慢中間層的熱對流，減少氣體的導熱性，從而降低中空玻璃的傳熱係數，有助於改善中空玻璃的保溫效能和節能效果。
中間層充入惰性氣體有利於改善中空玻璃的保溫效能，但充進的惰性氣體種類、氣體濃度、濃度保持率等對保溫效能的改善程度都有影響。本文從不同惰性氣體的效能比較、氣體濃度與保溫效能的關係以及惰性氣體濃度和濃度保持率的測試等方面，對惰性氣體在中空玻璃中的應用與質量控制進行研究。
1 惰性氣體的應用
惰性氣體包括氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)，惰性氣體均為無色、無臭、無毒、氣態的單原子分子，處於週期表中零族，外層電子已達飽和，活性極小。
1.1不同種類氣體效能比較
用於中空玻璃的惰性氣體有氬氣、氪氣和氙氣。它們共同的特點是效能穩定、不活潑，並比空氣密度大、導熱小。這 3 種惰性氣體在氣溫 0℃、壓強 101.325 kPa 時密度分別是 1.78 kg/m3、2.86 kg/m3 和 4.56 kg/m3 (同樣條件下空氣密度是 1.29kg/m3)，導熱係數分別為 0.0163 W/(m·K)、0.0087 W/(m·K)、0.0052 W/(m·K)(同樣條件下空氣導熱係數為 0.0241 W/(m·K)。
三種氣體中，氬氣在空氣中含量最豐富。按體積分數計算，氬氣約佔空氣的 0.93%，是應用最廣泛也是市場上最便宜的惰性氣體之一。氬氣填充的中空玻璃具有耐紫外線的作用，同時不影響室內光線。氪氣在空氣中含量為 1.14×10-4%，其穩定性和反應性和氬氣類似，熱效能相比氬氣高1/3，但是價格較昂貴。氙氣是空氣中 5 種稀有氣體裡含量最少的一種，含量僅有 0.09×10-4%。氙氣的穩定性和反應性也與氬氣類似，熱效能比氬氣高 1/2，但自然狀態下的氙氣非常稀少，提純價格高。
三種氣體相對於空氣的物理效能比較，以及在相同充氣含量情況下對同種配置的中空玻璃傳熱係數的影響，見表1。
由以上對比可得出以下結論：
(1)氬氣、氪氣和氙氣的密度比空氣大，導熱性比空氣低，有利於大幅改善中空玻璃的傳熱效能。
(2)氪氣和氙氣比氬氣分別高 1/3 和 1/2 的熱效能，即在相同充氣含量情況下要達到相同傳熱係數要求，充氪氣和氙氣的中空玻璃中間層可僅為充氬氣的中空玻璃中間層厚度的 2/3 到 1/2。
(3)中空玻璃中間層充氬氣情況下，傳熱係數比中間層為空氣的情況下降 5.96%，充氪氣和氙氣的效果則更加明顯，傳熱係數比中間層為空氣的情況下降 7.99% 和9.26%。
以上 3 種惰性氣體都具有明顯改善中空玻璃傳熱效能的作用，其中氬氣在空氣中含量較高，充氣成本較低，以價效比高的優勢成為目前中空玻璃充氣應用最為廣泛的氣體;氪氣提取成本較氬氣相對昂貴，未在建築玻璃行業廣泛應用，僅在中空玻璃中間層厚度要求較小但傳熱效能要求又高的情況下使用;氙氣在自然狀態下的含量非常稀少，提純價格很高，因而即便對中空玻璃傳熱效能的幫助比氬氣和氪氣都好，但很少用於中空玻璃的製作。
1.2 氣體濃度與保溫效能的關係
由以上討論可知，氬氣以其突出的價效比優勢成為中空玻璃充氣應用最為廣泛的氣體。以下將透過 3 種不同配置的中空玻璃，對不同含量氬氣充氣的情況下傳熱係數的比較，討論充氣氣體濃度對中空玻璃效能的影響。不同配置的中空玻璃分別為(4 mm 白玻+12 mm 氣體層+4 mm 白玻)、(4 mm 線上 Low-E+12 mm 氣體層+4 mm 白玻)以及(4 mm 離線Low-E+12 mm 氣體層+4 mm 白玻)。每種玻璃分別在充氬氣濃度從 0～100% 、每隔 5% 遞增的情況下計算傳熱係數，所得結果見圖 1。
由以上結果可得：
(1)氬氣濃度越高，中空玻璃的傳熱係數越小，保溫效能越好。
(2)相同氬氣濃度下，充氣對鍍膜玻璃傳熱係數的改善比普通中空玻璃更明顯。 目前，建築玻璃行業內，綜合考慮充氣改善中空玻璃保溫效能的效果以及充氣中空玻璃的使用壽命，一般認為充氣中空玻璃的初始惰性氣體含量應不小於 90%。
2 充氣中空玻璃的質量評價方法
中空玻璃中間層充入惰性氣體有助於改善節能效果，惰性氣體濃度越高，改善的效果越好。充氣中空玻璃是否充入惰性氣體，氣體濃度有多少，氣體保持率為多少，是評價充氣中空玻璃質量好壞的關鍵。惰性氣體無色無味，如何透過相關檢測方法確定充氣中空玻璃的質量是所需研究的重點。目前，對惰性氣體分析檢測有 3 種方法：高壓電火花法、氧氣順磁性法以及氣相色譜法。
2.1高壓電火花法
2.1.1檢測原理
高壓電火花法是透過裝置產生的高壓火花穿透玻璃與中間氣體層，啟用惰性氣體分子的等離子體發射出輻射波，透過發射光譜學，儀器收集其中的光子進行分析。由此測定的光譜與儀器內部標準的資料進行比較而確定玻璃內部的惰性氣體濃度。
2.1.2方法應用情況
此方法為無損檢測方法，可對中空玻璃內氬氣和氪氣的含量進行重複檢測，不會對中空玻璃造成絲毫的破壞，同樣不會影響玻璃的後續使用，適用於實驗室、生產線及工程現場檢測。目前裝置主要為芬蘭斯巴萊克有限公司的Gasglass Handhel型儀器。該儀器便於攜帶、操作簡單、快捷，見圖 2。
基於高壓電火花法的原理，它也有一定侷限性。電火花不能穿過較厚的夾層玻璃以及低輻射鍍膜玻璃，因此對於雙低輻射鍍膜中空玻璃與較厚的雙夾層中空玻璃等產品，該方法就顯得束手無策。且該方法對背景光的影響較為敏感，故在測試時對背景環境的要求較高。
目前，高壓電火花法被美國標準 ASTM E 2649—2009《Standard Test Method for Determining ArgonConcentration in Sealed Insulating Glass Units Using Spark EmissionSpectroscopy》採用，但基於測試原理與方法的侷限性，標準僅針對氬氣含量不小於 70% 的中空玻璃進行測試，且只檢測中空玻璃內氬氣的初始氣體含量。
2.2 氧氣順磁性法
2.2.1檢測原理
氧氣的磁化率比一般氣體的磁化率高出數百倍，混合氣體的磁化率幾乎完全取決於所含氧的多少。該方法利用氧氣的順磁性特質，根據混合氣體磁化率的大小來確定氧的含量，從而計算出混合氣體中惰性氣體的含量。部分氣體的相對磁化率見表 2。
2.2.2方法應用情況
該方法是破壞性方法，測試樣本為中間層氣體，取樣時需先去除外層密封膠，再用注射器穿過鋁型條進入中間層抽取氣體樣本。方法僅適用於實驗室與生產線的質量檢測，不適合工程現場測試。該方法操作簡單便捷，但測試精度相對另外兩種方法稍差，且僅可測得中空玻璃中間層氣體中惰性氣體的含量，無法確定惰性氣體的種類。該方法目前被國家標準 GB/T 11944《中空玻璃》採用，標準應用此方法對中空玻璃進行初始氣體含量和氣體密封耐久效能檢測。試驗前先對惰性氣體分析儀進行校準，校準分別使用已經確定氧氣濃度的乾燥空氣和純度為 99.99% 以上的氬氣或氪氣。初始氣體含量對 3 塊中空玻璃進行測試，將注射器插入中空玻璃中間層後反覆推吸 2 次後，取 20 mL 氣體試樣注射進裝置中進行測試，3 塊試樣的初始氣體濃度不可小於 85%。氣體密封耐久效能測試的物件為 3 塊經過加速耐久性試驗的中空玻璃，試驗方法與初始氣體濃度相同，經加速耐久性試驗後中空玻璃惰性氣體含量不得小於 80%。
2.3 氣相色譜法
2.3.1檢測原理
由於被檢驗物質存在性質和結構上的差異，所以其各組分在兩相間的分配係數不同。當樣品被載氣帶入色譜柱後，組分在兩相間反覆多次分配，雖然載氣流速相同，但是固定相對各組分的吸附或溶解能力不同，導致各組分在色譜柱的執行速度不同。經過一定時間的流動後就會彼此分離，從而達到分離的效果，並按先後順序流出色譜柱進入檢測器，經過電子訊號的放大，在記錄器或色譜資料處理機上描繪出各組分的色譜峰。根據各色譜峰的保留時間和峰面積的不同就能對樣品各組分做出定性和定量分析。
2.3.2方法應用情況
該方法測試靈敏度和精度均高於其他 2 種方法，可分析納克級的樣品，但僅適用於實驗室檢測，不適用於生產質量控制和現場檢測。該方法裝置投入較大，操作較為複雜，需要有專業背景的測試人員進行測試。該方法目前被歐盟標準 EN1279-3:2002採用，對中空玻璃的氣體濃度以及氣體洩漏率進行測試。氣體洩漏率的測試要求精度極高，氣體的損失量以毫克來計算，故僅氣相色譜法能滿足測試要求。
中空玻璃的氣體洩漏率測試的整個過程非常複雜。測試樣品經過加速耐久性試驗後，放入一個“環狀容器”的密封系統內，該系統的內部尺寸僅比中空玻璃稍大一點，在玻璃周邊留下一定殘氣量，整個系統放置在恆溫的測量環境中。測試過程中始終有工作氣體(氦氣)在系統中流動，當中空玻璃由於加速耐久性試驗產生的熱機械應力的作用，使內部惰性氣體滲漏出中空玻璃時，即可由工作氣體捕獲、收集及傳遞至氣相色譜儀中，對惰性氣體含量進行精確分析測試。EN 1279-3:2002 標準規定中空玻璃每年的氣體洩漏率不得大於 1%。
3 結語
(1)充入惰性氣體的中空玻璃作為建築節能環保的新興產品已越來越受到人們的重視，目前氬氣由於較高的使用價效比成為應用最廣泛的惰性氣體。中空玻璃充入一定含量的氬氣可改善中空玻璃的保溫效能與隔聲效能。
(2)目前對中空玻璃中惰性氣體效能測試的3種檢測方法中，氣相色譜法測試精度最高，且能滿足氣體洩漏率的測試要求，但僅適用於實驗室測試;高壓電火花法裝置操作便捷，可滿足生產質量控制和工程現場測試要求，可無損檢測，但適用範圍有一定侷限性，無法滿足雙鍍膜中空、雙夾層中空等高階產品，以及氣體洩漏率的測試需求;氧氣順磁性法測試流程較簡單，適用於生產質量控制和實驗室測試，但測試精確度較低，不能對惰性氣體的種類定性。
(3)國內充氣中空玻璃的應用還處在起步階段，目前尚無已公佈的相關產品標準及方法標準對充氣中空玻璃的效能提出要求。國外已制訂了氣相色譜法的相關標準，如美標 ASTM E2269—2005 及歐標 EN 1279-3—2002 中分別對惰性氣體濃度和惰性氣體洩漏率檢測的氣相色譜法做了規定。氣體洩漏率是充氣中空玻璃極重要的效能之一，僅氣相色譜法能滿足其測試要求，故筆者認為建立惰性氣體分析的氣相色譜法對於我國充氣中空玻璃的推廣應用具有非常積極的作用。
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