依据国家标准GB/T 11944-2012《中空玻璃》,中空玻璃的使用寿命与边部材料(如间隔条、干燥剂、密封胶)的质量和中空玻璃的制作工艺有直接关系,中空玻璃内腔有目视可见的水汽产生是中空玻璃寿命到期的标志。间隔条、干燥剂、密封胶与玻璃形成了中空玻璃的边部密封系统,确保中空玻璃内腔干燥不起雾,干燥剂是保持中空玻璃内部空气层干燥,避免中空玻璃内部出现水雾的关键,对中空玻璃寿命有着重要作用。本文介绍了干燥剂的定义、分类、特点分析等,通过分析得出结论:3A分子筛是现阶段中空玻璃用干燥剂最理想的选择。

中空玻璃预期使用寿命至少15年,然而目前中空玻璃行业的最大问题是市场上约 80% 以上的中空玻璃使用寿命太短,平均寿命不会超过10年。大部分中空玻璃会在七八年的时间内达到使用寿命而需要更换。随着中空玻璃的普及,全国每年就要花掉上百亿元资金来更换中空玻璃,这种巨大的浪费将严重拖累国家节能战略的发展。市场上这么多寿命短的中空玻璃,导致寿命短的问题到底出在哪里?中空玻璃有两种材料是核心:一个是干燥剂,另一个就是密封胶,密封胶由于标准的正确引导,其质量已经大幅提高,而干燥剂的情况就完全不同了,中空玻璃干燥剂的行业标准JC/T 2072中有两种材料,A类干燥剂与B类干燥剂。

这两种干燥剂性能相差多少?对中空玻璃的寿命是否有影响?选择什么样的干燥剂作为中空玻璃的干燥剂是最合适的?在回答这个问题之前,我们首先普及一下干燥剂的基本知识。

干燥剂(Desiccant)是指能除去潮湿物质中水分的物质,常分为两类:第一类是吸水后物理状态不稳定的干燥剂,如硫酸钙和氯化钙等,通过与水结合生成水合物进行干燥;第二类是吸水后物理状态稳定的干燥剂,这类干燥剂一般含有微型孔道,如分子筛干燥剂、黏土干燥剂、硅胶与活性氧化铝等,通过物理吸附水进行干燥,其中分子筛的孔道最细,可以在晶体结构上达到分子级别的尺寸。

干燥剂是为了吸收多余水分避免中空玻璃失效。面对这么多的干燥剂产品,用什么方法才能选出我们所需要的干燥剂产品?首先就要针对中空玻璃用干燥剂的特点来选择具有相应特点的干燥剂,中空玻璃要求寿命长,结露点低(就是特别干燥),无腐蚀。在日常生活和工业制造中,常用的干燥剂有氯化钙、硅胶、粘土干燥剂(蒙脱石)、分子筛、矿物干燥剂(凹凸棒土)及复合型干燥剂等。下面我们看看常用的这些干燥剂的特性:

氯化钙干燥剂是一种高效吸附材料,没有孔道,主要成分是氯化钙。水分子与氯化钙发生化学反应形成二水氯化钙与六水氯化钙,六水氯化钙在常温下潮解成液体。而氯化钙干燥剂在相对湿度9%的环境下,静态水吸附量能达到32.4%,变成二水氯化钙,此时的物理状态会发生变化而形成晶体,由于环境湿度条件会变化,这些晶体会反复脱水结晶,时间一长就粉化扩散,污染燥物体,如果外围环境湿度再上升,就会变成六水氯化钙而潮解,在30摄氏度条件下就成为强电解质液体,具有电化学腐蚀特征。

硅胶是一种具有孔道结构的高活性吸附材料;主要成分是无定形二氧化硅,属非晶态物质,其形状透明不规则球体,其化学分子式为mSiO2·nH2O。通常是用硅酸钠和硫酸反应,并经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得。

硅胶的化学组份和物理结构,决定了它具有许多其它同类材料难以取代的特点:吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等。硅胶干燥剂的内部为极细的毛孔网状结构,这些毛细孔能够吸收水分,并通过其物理吸引力将水分保留住,作为干燥剂被广泛应用到航空部件、计算机器件、电子产品、皮革制品、医药、食品等行业的干燥防潮。即使将硅胶干燥剂全部浸入水中,它也不会软化或液化。它具有无毒、无味、无腐蚀、无污染的特性,故可以与任何物品直接接触。

粘土干燥剂,外观形状为灰色小球,最适宜在50摄氏度以下的环境中吸湿。当温度高于50摄氏度,粘土的“放水”程度便大于“吸水”程度。粘土干燥剂的显著优势在于价格便宜。

蒙脱石粘土干燥剂自20世纪80年代由德国南方化学公司发现并使用在干燥剂领域,因其低廉的价格,良好的吸附效果逐渐成为国际主流的矿物干燥剂原料之一。蒙脱石干燥剂也称膨润土干燥剂、陶土干燥剂。颜色有:紫色、灰色、紫红。其特点有:①环保性。以纯天然蒙脱石干燥剂为原料,干燥活化制成,不含任何添加剂和易溶物,是一种无腐蚀、无毒、无公害的绿色环保产品,使用后可作为一般废弃物处理,不会污染环境,可自然降解。②适应性。在各种温度的环境下,吸湿性能都能保持稳定。③防潮性。吸湿性能良好,饱和吸湿率为自身重的50%以上,是传统干燥剂的1.5倍。

凹土干燥剂,是采用纯天然矿物原料凹凸棒土经过活化处理精炼而成,绿色环保,无毒无味,对人体无损害。在室温及一般湿度下具有良好的吸附活性,可以用于静态减湿和异味去除及脱色等功效。广泛应用于不能采用油封、气相封存的产品中,诸如:光学仪器、电子产品、医学保健、食品包装及军工产品和民用产品的干燥空气封存。其特点有:①高湿下吸湿能力好;②高温下吸湿能力比蒙脱石好。

分子筛干燥剂,它是一种人工合成且对水分子有较强吸附性的干燥剂产品,结晶型铝硅酸盐化合物,其晶体结构中有规整而均匀的孔道,孔径为分子大小的数量级,它只允许直径比孔径小的分子进入,因此能将混合物中的分子按大小加以筛分,故称分子筛。其孔径大小可通过加工工艺的不同来控制,除了吸附水气,它还可以吸附其他气体。在230摄氏度以上的高温情况下,仍能很好的容纳水分子。

对于中空玻璃用干燥剂来说,它通过对中空玻璃内部密封空气层的深度干燥作用来实现其功能:吸附中空玻璃密封腔内空气中的水分;吸附后期通过密封胶向中空玻璃内部不断渗透的水分;与其他特种分子筛联合使用,吸附中空玻璃密封胶所释放的挥发物质。

4.超低的氮气吸附能力,保证中空玻璃在不同的温度变化条件下,不发生凹凸变形。

5.合格的堆积密度,保证干燥剂的灌装使用量控制在最经济、最合理的范围之内。

7.较高的抗压碎强度,减少因强度不够在灌装中破碎,形成渣、粉尘,污染玻璃。

综上所述,各种干燥剂的特点和中空玻璃干燥剂的要求都已列出,下面我们就对各种干燥剂是否适用于中空玻璃分析如下:

氯化钙干燥剂氯化钙干燥剂能在-5摄氏度至90摄氏度的环境温度下使用,其活性成分稳定性好,除水之外难以和其他物质发生反应,可以用在几乎所有的环境中。由于其化学吸附特性,吸附的水和氯化钙一般发生如下反应CaCl2+ 2H2O= CaCl2·2H2O,不过在不同温度下可以形成不同的结晶水化合物(可以1、2、3、6个结晶水)。含水氯化钙能够和中空玻璃的铝条形成电化学反应,从而腐蚀铝条,同时破坏密封胶,从而影响中空玻璃的使用寿命。因此它不适合用于中空玻璃干燥剂。

硅胶干燥剂虽然它是物理吸附,但是硅胶干燥剂最适合的吸湿环境为室温(20摄氏度至32摄氏度)、高温(60摄氏度至90摄氏度),它不能够满足中空玻璃的使用环境,而且硅胶干燥剂的吸附深度较低,达不到中空玻璃对露点的要求,因此也不适合用于中空玻璃干燥剂。

蒙脱石粘土干燥剂它也是物理吸附,有许多优良的特性,早期曾用作中空玻璃干燥剂,但由于其吸附深度达不到要求,在恶劣的环境下中空玻璃起雾,使用寿命低等原因已基本退出中空玻璃干燥剂市场。

凹凸棒土干燥剂比蒙脱石干燥剂在低吸附条件下吸附容量大,在高湿度条件下吸水较多,但在中空玻璃实际工况环境中湿度较低时,吸附量会很低,这样就会影响中空玻璃的露点,难以保证中空玻璃的使用寿命。

分子筛干燥剂它有3A、4A、5A等一些类别,但并不是每种分子筛都适合作为中空玻璃干燥剂。目前市场上有一些中空玻璃生产企业使用4A分子筛作为干燥剂,4A分子筛晶格孔道约为4埃,4A分子筛虽然对水具有很强的吸附力,但是同时也会吸附空气中部分的氮气和其他惰性气体,并且随着环境温度的升降,会对氮气进行吸附和脱附;当温度略微降低,4A分子筛会将中空玻璃内的空气吸附,导致真空状态;当温度升高时,分子筛又把空气释放到中空玻璃间隔层中,导致中空玻璃内空气膨胀。随着昼夜温差与季节更替的变换,中空玻璃极易因膨胀和收缩而扭曲破碎,寿命缩短;中空玻璃的突然破碎可能会导致重大的安全事故。因此4A分子筛是不可以作为中空玻璃干燥剂的。

我们再看看3A型分子筛,一般用3A型分子筛原粉和粘土成型为球形颗粒,经过高温焙烧做成3A型中空玻璃专用干燥剂,也就是《JC/T2072-2011中空玻璃用干燥剂》中的A类干燥剂。它的晶格孔道约为3埃(1Å=0.1nm)左右,与水的亲和力极高,只吸附水分子,不吸附大于3Å的其他分子。部分常见气体分子直径分别是:He(氦)0.26 nm,H2(氢)0.289 nm,CO2(二氧化碳)0.33 nm,Ar (氩)0.34 nm,O2(氧)0.346 nm,N2(氮)0.364 nm,CO(一氧化碳)0.376 nm,CH4(甲烷)0.38 nm,HCHO(甲醛)0.45 nm,水分子为0.28 nm。

市场上还有一种含有氯化钙干燥剂的凹土干燥剂,生产厂家认为其属于行业标准《中空玻璃用干燥剂》(JC/T 2072-2011)中的B类干燥剂。依据行业标准,根据材料和生产工艺的不同,中空玻璃用干燥剂分为两类:A类干燥剂(3A分子筛),B类干燥剂(以凹凸棒土为主体的球形干燥材料)。中空玻璃用干燥剂应符合表1要求:

B类干燥剂是以凹凸棒土为主体材料制成的球形干燥剂,作为中空玻璃用的干燥剂,凹凸棒土本身的吸水性能往往无法满足中空玻璃干燥剂的要求。因此,在制备过程中通过添加价格低廉、效果显著的氯化钙,制成凹凸棒土和氯化钙混合的复合型干燥剂,即氯化钙弥补了环境干燥时凹凸棒土的低吸水性,凹凸棒土也可以凝结氯化钙潮解时的液体,听起来这两种材料性能互补,但是凹凸棒土对潮解液体的吸附是物理吸附,根本无法改变这些液体是氯化钙电解质溶液的本质,这些粘附了氯化钙溶液的凹凸棒土仍然具有电化学腐蚀作用,但这种材料目前被很多中空玻璃厂家使用,大大削减了中空玻璃的使用寿命。为了降低氯化钙电解质的腐蚀作用可以少加氯化钙,但氯化钙太少了达不到行业标准《中空玻璃用干燥剂》中对B类干燥剂的要求,只能增加氯化钙的加入数量。这种产品虽然各项指标都能符合标准要求,但由于氯化钙的过量加入就会加重破坏丁基胶,造成丁基胶挥发,挥发物在玻璃表面上形成彩虹现象,同时会破坏中空玻璃的边部密封系统。氯化钙的过量加入还有一定的粉化迁移作用,在迁移过程中不断地粉化,从中空玻璃铝条的小孔当中渗出,对中空玻璃有腐蚀性,并污浊中空玻璃,破坏美观性。

再者,此类B类干燥剂在湿度环境较低时,吸附量会很低,这样就会影响中空玻璃的露点,使中空玻璃极易发生起雾现象。这类干燥剂虽然各项指标在检测中符合行业标准对B类干燥剂的要求,但由于有较多氯化钙的存在,在吸附中空玻璃中的水时一般发生如下反应CaCl₂+ 2H₂O= CaCl₂·2H₂O,不过在不同温度下可以形成不同的结晶水化合物(可以1、2、4、6个结晶水)。含水氯化钙能够和中空玻璃的铝条形成电化学反应,从而腐蚀铝条或其他间隔条,破坏密封胶,影响中空玻璃的使用寿命。综上所述B类干燥剂也不是中空玻璃干燥剂的优质选择。

3A型分子筛是常用分子筛当中孔道最小的,当其与空气进行接触时,只能吸收空气中气态的水分子,不能吸收空气中其他成份(空气中的氦气和氢气含量仅仅大约占比0.007%左右,可以忽略不计)。由于制作过程的特殊工艺,使它具有了中空玻璃干燥剂所需要的各种特性,能够满足中空玻璃干燥剂的八大要求(一高一强二合四低)。目前国际中空玻璃行业最先进的欧洲中空玻璃标准EN1279也是以3A分子筛为参考对象来评价干燥剂的吸附性能,并且经过国外中空玻璃行业50年的实践,已经证明选用3A分子筛作为中空玻璃的干燥剂能够为中空玻璃提供可靠的质量保证,使中空玻璃具备50年以上的长使用寿命。因此可以得出这样一个结论:3A分子筛是中空玻璃用干燥剂最理想的选择。(张坤 沈家万 邵珠峰)

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浅谈中空玻璃用干燥剂

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