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钢化和非钢化、一步法与两步法……真空玻璃“四大问题”杂谈

来源:中国建材报|

发表时间:2019-05-17

点击:4360

中国建筑材料科学研究总院玻璃院 李要辉

真空玻璃,是时下挺热门的一款玻璃深加工产品,作为目前节能效果较好的玻璃产品,其性能和应用优势是明显的,这也吸引了越来越多的企业参与到真空玻璃的研发和工业化开发中。从市场预期收益看,相比钢化、中空玻璃等玻璃深加工产品,真空玻璃亦可算作高附加值产品。真空玻璃在国内经过20多年的研究发展,已经逐步开展了稳定的批量化制备和应用,并得到了产品性能和寿命的验证。

纵观真空玻璃20年的进展,国内已经完成了以下工作进程:由真空玻璃理论、实验室制备扩展到工业化生产,并进行诸多案例的应用;在国内开创了钢化真空玻璃、夹胶真空玻璃的升级型产品,有效提升了真空玻璃的安全性;探索并实施真空玻璃的金属化封接工艺,我国真空玻璃技术水平继续领跑全球。

尽管如此,真空玻璃由于产能、成本及固有缺点等原因,仍未迈入真正的规模化生产和应用阶段。材料是所有工业生产的基础,真空玻璃中涉及的低温封接焊料、金属钎焊料、支撑物材料甚至是高质量的原片玻璃及镀膜玻璃,尤其是封接材料的选择决定了封接工艺的路线。在确定的路线下才能开发、选择最有效的装备和生产线配置。在生产工艺和技术装备确定的条件下,最重要的就是工艺控制和产品质量保障。所以,看似简单的一块真空玻璃,却涉及到很多材料、热工、机械、检测各方面的内容。由于真空玻璃工序多,且前一工序与后续工序及产品质量有密切的关系,因此,在真空玻璃生产中工艺细节的控制对质量是至关重要的。工艺细节控制提升带来的直接效益是成品率的提升,综合成品率能控制在90%以上,这也成为降低成本的一个前提支撑。提到真空玻璃成本,尤其是在节能建筑中的大规模应用,价格成为迈不过去的一道坎,500元、400元……甚至以更低的终端售价来迎合市场的需求。从理论成本核算来看,这是可以实现的,但是真空玻璃目前的生产制造、市场推广还存在一些问题。

问题一:钢化和非钢化之争

真空玻璃的钢化和非钢化之争同样也关系到其安全性,国内很多时候把钢化玻璃等同为安全玻璃。安全问题永远是大问题,建筑玻璃的安全性非常重要。

不可否认的是,真空玻璃支撑点应力集中作为真空玻璃结构本身的固有特点,是其不可回避的劣势,这也是其在落球冲击、摆锤测试、散弹冲击等力学性能考核中不能比肩现有单片钢化、钢化中空、夹胶玻璃产品的主要原因。由此,在科学合理地使用真空玻璃的认识上就出现了分歧:其一是对真空玻璃安全使用持犹豫态度;其二是代表真空玻璃生产企业的声音过度强调真空玻璃的安全性。笔者认为这两种认识都不是对真空玻璃全面客观的理解。《建筑玻璃应用技术规程》对玻璃安全性做了明确的规定,即安装在易于受到人体或物体碰撞位置的建筑玻璃,如落地窗、玻璃门、玻璃隔断等,除采用安全玻璃外,还应采取保护措施,如警示、护栏等。如果要给安全玻璃下个定义,笔者觉得“安全玻璃是一类经剧烈振动或撞击不破碎,即使破碎也不易伤人的玻璃”这一通俗的概括是很恰当的。因此,在涉及真空玻璃的问题上,除了提高真空玻璃自身性能外,也要改进、优化其使用方式,应在相关规范允许的范围内发挥其最大的节能、隔音优势。

作为真空玻璃从业人员,笔者还是要再肯定一下“钢化真空玻璃”的性能优势。利用钢化玻璃原片制备真空玻璃,在制备完成后如果原片玻璃仍能够保持较大的表面压应力,即维持物理钢化的特性,我们暂且可以称其为“钢化真空玻璃”。由于物理钢化玻璃与普通原片玻璃相比,强度、抗冲击性能大幅度提升,所以“钢化真空玻璃”在一定程度上也大幅提高了真空玻璃的整体抗冲击强度,抗风压、抗弯曲、抗冷热冲击性能,同时还具备破碎安全性。此外,在真空玻璃力学结构设计中,也可以适当地增大支撑物间距,对真空玻璃的隔热性能和视觉效果起到优化作用。

所以,即便“钢化真空玻璃”还存在争议,还存在一些瑕疵,在技术和生产条件允许的情况下,仍是未来真空玻璃产品应该坚持的方向。

问题二:性能与质量的误区

真空玻璃最大的特点是隔热隔音,所以常被关注的性能指标是中心热导值(U值)和计权隔声量。众所周知,真空玻璃优异的隔热隔音性能都得益于两片玻璃中间的真空狭缝,较高的真空状态有效地减少了传热、传声,这是很容易理解的。根据真空玻璃热导的组成,已有研究结果显示,当真空腔内的真空度达到10-1Pa后,残余气体的热导降低到临界水平;而当真空度超过10Pa时,气体热导则占据主要因素,真空玻璃失去本身意义。因此,我们可以10-2Pa作为真空玻璃性能保证的一个达标真空度,而以10Pa作为真空玻璃完全失效的一个临界真空度(备注说明:当然在实际生产中,为了获得狭缝内10-2Pa高真空度,对真空泵、真空管路或者真空釜体的要求还是很高的,获得10-4Pa真空度是需要保障的。)。

在真空度一定的前提下,真空玻璃传热主要取决于选用Low-E玻璃的类型和支撑物材质及布放。根据经验,普通白玻做成的真空玻璃,其U值还在2.0W/m2·K以上,当采用Low-E玻璃后,尤其是采用高性能的离线单银、双银Low-E玻璃后,真空玻璃的U值可轻松降低至1.0W/m2·K以下,通过结构设计的优化甚至可以降低到0.5W/m2·K。在这里需要特别指出的是,根据我国现有大宗普通Low-E玻璃的性能指标,采用单银产品制备的真空玻璃的U值介于0.6W/m2·K~0.8W/m2·K之间是一个正常可信的水平,而这种水平的产品已基本满足我国绝大多数高端节能建筑门窗的需求。

近期有很多真空玻璃的检测报告和宣传材料,或多或少地都过分强调了真空玻璃的传热系数,很多玻璃样品的U值都做到了0.5W/m2·K以下甚至更低,这当然是很好的。但是从目前已有的真空玻璃产业化和应用经验教训看,真空玻璃的质量控制、真空寿命、力学寿命等问题更值得关注。真空玻璃的质量问题已经谈到过很多,质量指标应包括热工性能、力学性能、外观、寿命及产品性能、质量的一致性、稳定性,这反倒是生产使用中最难做到的。上述这些问题其实涉及了真空玻璃生产的所有环节,包括原材料选择、工艺步骤、设备精度、检验程序等。比如,关于周边封接材料,不论是传统的低温玻璃封接还是创新的金属封接,封接材料本身的强度、气体渗透率、界面结构等是要满足真空玻璃要求的;支撑物的材料、微结构、布放要符合真空玻璃力学和玻璃自身抗载荷能力的要求,尤其不能盲目增大支撑间距,不能在固有的应力集中缺点上增加更多的风险;不论是何种封口方式或者无封口方式,为减少封离状态时的真空度损失、确保真空腔体内的有效真空度和后期玻璃表面的气体释放量,都应该严格遵循真空玻璃的工艺规范;出厂检验和安装检验要严格,按照目前水平,应该做到真空玻璃出厂100%全覆盖定性检测和5%以上产品的U值抽检。由于在安装过程中也会造成玻璃的失效和破损,在工程现场的检验也是必不可少的。

总而言之,性能指标高低不代表质量好坏,样品的优秀更不能代表产品的稳定。未来的真空玻璃发展不应该盲目地追求过低U值、过高的钢化度(表面应力),而是产品质量、产品寿命为王,真空玻璃自身要重视这一问题。

问题三:一步法与两步法的路线之争

说到路线之争或者结构之争,其实就是材料或者工艺路线的不同而已。基础材料是我国工业技术进步的基石,对于真空玻璃来说,封边材料的选择尤其关键,不同的材料可能会对应不同的工艺,也会需要不同的装备和生产流程。这里的“步”主要是指边部封接步骤和抽真空封口步骤的工序,如果是分别在两台设备中依次封边、抽气、封口,即通常说的两步法。一步法的典型代表工艺是预先合片的玻璃在真空腔体内完成边部封接,同步获得内部的高真空状态。因此,真空玻璃早期采用的单体炉(封边抽气一体炉)及后来改进的连续式生产线(如在辊道式、隧道式窑炉封边后直接进入真空腔体进行真空排气、封口)虽然在同一设备和生产线中完成真空玻璃制作,但也都经历了高温封边、中温抽真空、封口三个步骤,也算是两步法的改进和优化。从另一个角度讲,一步法和两步法在真空玻璃外观的最大体现可能是有、无抽气口的差异。两步法不论抽气口的位置、结构、形式如何变化,都是存在抽气口的,而一步法生产的无抽气口真空玻璃在外观上的确略胜一筹。

从结果上看,似乎一步法和两步法并无本质区别,但笔者认为还是有优劣之差的,目前有几个问题不能回避。

一是现有低温玻璃类封接材料在真空环境下焊接的气孔问题。在真空环境下,玻璃二次软化熔融一定会有气体的挥发,只是挥发量大小的区别。这样就会造成边部封接带的气孔率提高,甚至影响气密性和粘接强度。或许金属封接材料在真空状态下的表现要优异很多,但是其浸润性、界面性质也会不同于大气氛围下的表现。

二是从目前真空玻璃较多的文献数据看,玻璃表面的脱附排气还是以加热为主,较好的烘烤温度在300℃左右,因此在工艺可行的情况下,应该选用合适的低温金属钎焊料。

三是真空下的很多操作不同于常压状态,较差的可视性容易造成真空玻璃传动、加压、配重错误,尤其是真空下加热时缺少必要的热对流和热传导,给边部封接的加热效率、加热均匀性和一致性都带来困难。当然,随着现在自动化、控制技术及真空技术的进步,这些问题会得到逐步的解决。

在前期玻璃冷加工及真空玻璃准备工序,一步法和两步法是相同的,甚至一步法需要更多的预处理工作。反过来,两步法目前已经有很多优化的改型,如单体炉、多体炉、连续线、自动线等多种生产设备,管封、侧封口、平封口等多种封口形式。与一步法相比,如果采用完全分离的封边和抽气装置,涉及到玻璃两次升降温的过程,造成能耗稍高和效率较低;另外,采用真空泵管路通过排气罩或者排气孔进行真空排气,由于受到真空狭缝中分子扩散的影响,需要较长的时间来获得合格的真空度,这也是目前制约真空玻璃生产效率的一个关键问题。正如前面所述,随着各种技术进步和工艺装备改型,两步法会越来越成熟,当批量化、连续化得到实现后,效率和成本问题也会随之解决。

一步法和两步法并没有本质区别,至少目前不应论好坏优劣,而是各自都需要进步,这需要靠实践来实现。对于企业或投资方来讲,选择好自己的技术,分析清楚自己的技术优势,评估好未来的投资规模,清晰定位产品方向,不管是一步法还是两步法都好。

问题四:发展阶段与瓶颈问题

记得在真空玻璃研讨会上,有专家提出了玻璃产品的产业生命周期理论。产业生命周期理论是在产品生命周期理论基础上发展而来的,属于经济学意义上的一个研究范畴,受到经济学和管理学研究者的极大关注。其典型的代表就是产业生命周期曲线,该曲线通过市场增长率、需求增长潜力、产品品种数量、竞争者数量、市场占有率状况、进入壁垒、技术革新及用户购买行为等指标,划分出产业生命周期所处的阶段。

从这个标准衡量,真空玻璃真的很年轻,笔者认为还处在初创期和成长期之间的转折时期(具体可参考不同阶段的典型特征来判定)。在初创阶段,公司总是试图吸引客户对其产品的注意力,当产业进入到增长阶段,潜在的竞争者被吸引并进入该产品市场,市场竞争加剧了。真空玻璃在国内经过了20多年的发展,基础理论、基础工艺、产品结构、应用领域都已经基本成熟,但是目前只有为数不多的公司在经营这个新兴产业,同时较高的产品成本和价格与较小的市场需求还使这些创业公司面临很大的投资风险。另外,在初创阶段,企业还可能因财务困难而引发破产。因此,这类企业更适合投机者而非投资者。这一时期的市场增长率较高,需求增长较快,技术变动较大,产业中各行业的用户主要致力于开辟新用户、占领市场。但由于此时在技术上还有很大的不确定性;企业对行业特点、行业竞争状况、用户特点等方面的信息掌握不多,在产品、市场、服务等策略上有很大的不确定性,因此企业进入壁垒较低。在初创阶段后期,随着行业生产技术的提高、生产成本的降低和市场需求的扩大,新行业便逐步由高风险、低收益的初创期转向高风险、高收益的成长期。

产业生命周期理论对于企业决策和政府制定产业政策的作用非常重大,一个企业只有明确产业所处的生命周期阶段,企业在产业价值中所处的地位,才能做出明确的企业战略定位。对政府决策来讲,只有懂得产业生命发展周期,才能了解产业发展规律,并针对产业生命周期每个阶段的特征进行产业规划、制定产业政策。能否抓住产业生命周期规律是一国经济能否稳定快速发展的关键,当然也是企业能否发展壮大的关键。

影响一个行业、一个产业、一个产品发展的因素是复杂的,笔者认为,真空玻璃目前面临的自身问题还是要大于外部的问题,这些都是制约真空玻璃发展壮大的瓶颈。

从技术工艺角度看,几种技术路线需要尽快定型,提高成熟度;配套装备和生产线在提升产能效率的同时,是否能够形成普适的标准化生产线,将是未来真空玻璃普及推广的关键点。

从市场应用看,成本是个坎,这需要真空玻璃企业自身技术进步和经营管理能力的提升,并开发适应普通建筑、节能建筑及光伏、家电行业的细分真空玻璃产品,实现成本、利润平衡的稳定经营模式。

从整个行业来看,真空玻璃太小、太弱,不论是在技术上,还是在市场竞争中,企业间都应该开放协作,共谋发展。积极、开放、规范的交流合作及产学研开发,都是改变目前真空玻璃僵局的突破口。

最后,还有国内建筑门窗领域的标准化问题。笔者曾经接到一个64块玻璃的订单,竟然有22个尺寸规格,讲起来实在是令人咋舌,如果始终是这样的市场需求,那真是真空玻璃的灾难了。


本文封面图来源于图虫创意

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