“新型真空玻璃”项目中试方案的研究
张瑞宏1,马承伟1,孔德军1,戴国筠2,朱顺华2,吴丽丽2
X
(1.中国农业大学,北京 100083; 2.扬州大学工学院,江苏 扬州 225009)
摘要:随着我国经济的迅速发展,人们对新建住宅的装饰要求越来越高,目前窗户用的普通平板
玻璃已满足不了人们对现代住宅隔热、隔音的要求。同时我国温室大棚采用的半透明有机材料由于透光性较差,易老化,影响了反季节蔬菜的口味,解决目前温室保温和透光性问题也成了当务之急。因此开发价质比适中的真空玻璃是我国建筑用窗户玻璃和温室用玻璃的发展趋势。本文在真空玻璃取得实验室制样成功的基础上,对新型真空玻璃的中试工艺进行了可行性的研究。关键词:玻璃;真空玻璃;中试
中图分类号:TQ171.72+7 文献标识码:B 文章编号:1000-2871(2003)06-0037-03
ResearchonMiddleTestof“NewTypeof
VacuumPlateGlass”
ZHANGRuinhong1,MAChengnwei1,KONGDenjun1,
DAIGuonjun2,ZHUShunnhua2,WULinli2
中国农业大学农业生物环境与能源工程实验室与扬州大学工学院真空绝热实验室经过3年的努力,已完成了真空玻璃的实验室制样工作,这一项目的成熟度已经达到科技成果级水平。在实验制样取得了比较良好的技术经济指标基础上,进行了中试工艺方案的研究,已经取得了初步的成果。
1 真空玻璃实验室制样取得的成果
1.1 技术创新的独特之处
⑴本项目首次提出采用三层叠合双真空腔红外反射膜平板玻璃结构(双腔连通),该结构对比现有两层单真空腔结构在增加一层3mm厚玻璃的情况下,使隔热、隔音效果达到两层真空玻璃的效果。本项目结构的创新提出在增加很少生产成本的情况下,使产品的隔热、隔音性能提高近1倍。
⑵本项目在工艺上创新地提出中间支撑柱整板放置方案:即先将支撑柱放在一模板上,由模板一次性整组放置在玻璃面上,同时用摄像头监控支撑柱的缺少情况,这一工艺将大大减少中间支撑柱安放困难,减少工艺难度。
⑶本项目创新地提出了立式多块玻璃真空腔内高频加热封头方案,这比现有面封头方案提高效率几十倍,可大大节省加工成本。1.2 新型真空玻璃主要技术、经济指标(见表1)
注:对比日本产品的技术指标⑴总厚度:10mm;⑵结构特征:双层平板玻璃单真空腔;
X收稿日期:2003-06-23
⑶导热系数:0.7～0.9W/(m2・K);
⑷隔音性能:不同频段衰减积分平均值31dB。
表1 新型真空玻璃主要技术经济指标
序 号
[1**********]
技术项目总厚度中空夹层厚度结构特征中间支撑柱直径中间支撑柱排列封边工艺封头工艺中心传热系数中心隔音性能透光率
技术指标
9～10mm0.1～0.5mm
三层平板玻璃组成双真空腔结构
0.1～0.5mm
有规律点阵排列高频加热封边高频加热封头≤0.7W/(m2・K)
不同频段衰减积分平均值≥40dB
≥80%
2 中试方案的可行性分析
2.1 本项目的市场前景
据我国十五发展规划,全国城市建设面积为20亿m2,农村为80亿m2,总量为100亿m2,每年新建20亿m2,窗户面积一般为建筑面积的25%,即窗户面积大约为5亿m2。如果全部使用真空玻璃则每年为生产厂
家提供5000万m2,折合人民币75亿元的市场。
近年来温室种植规模正在迅猛发展,我国拥有温室面积150万公顷,它也是我国三高农业的主要工程措施和重要标志。我国加入WTO以后,精细农业、劳动密集型和科技密集型农业是我国现代化农业发展方向。如果80%的温室用上真空玻璃,则每年节省标准煤9000万t,节省人民币200亿元,每年可以提供12亿m2,折合约1800亿元的市场需求量。2.2 本项目的经济效益
美国SERI的研究报告指出,本项目产品在民用建筑方面应用,每平方米窗户每年可节约700MJ的能量,相当于每平方米窗户每年节约200kWh电,则每年每平方米窗户可节约100元,1～2年可以收回追加的投资。在温室种植方面,现在的复合PET、PE、PVC等材料每平方米约为120～140元,传热系数为3～4W/(m2・K),而本项目的真空玻璃连同塑钢窗架在内,综合售价可降低为160～180元/m2,比PET、PE、PVC复合材料
投资增加20%～30%,但其绝热效率则提高4倍。
3 中试工艺方案的研究
具体工艺方案如下:
⑴玻璃的切割 由划玻机完成,采用液压双缸双向划玻工艺。
⑵清洗烘干 由自动清洗机烘干机一次性完成离子水发生、离子水冲洗玻璃表面、自动擦干和烘干4项作业。⑶摆放支撑柱 清洗后的玻璃一片进行镀膜,一片进行打孔(放置消气片),先将制成的支柱置于设计的模板内,由摄像头监控缺柱情况,再将模板移至玻璃表面之上1cm左右,打开模板粒孔开关,则支撑柱靠重力落到玻璃表面,第2腔的支撑柱放置重复上述,3层以塔形叠置。⑷焊接 先将低熔点玻璃基焊料拉成Φ2～3mm的条,其中包括直条和直角条,3层叠合的玻璃置于工作台之上,高频加热设备置于液压升降台上,由高频加热圈完成焊接工艺。
⑸真空排气烘烤封头 先将焊后的玻璃竖叠于工作车之上,放好封口焊料,推入排气箱中,其排气口与高频加热板吻合,开动排气装置排气,10Pa时由碘钨灯加热工作。10-3～10-4Pa时开动高频加热器加热
封头。
⑹激活消气剂 用高频加热激活消气剂,由红外测温监控。⑺涂塑保护层 由涂塑枪将玻璃封边处用热塑法进行保护,涂保护层既起到运输减震的作用,又起到保护封边层作用。
⑻检验 采用抽样目测法和蒸汽恒温槽检热工作台进行传热系数检测,即真空玻璃一边通蒸汽,另一边用红外测温仪测表面温度是否超标。
⑼包装 在每一块真空玻璃上贴上防伪商标,要求正反面的商标正好盖住消气片。
4 生产成本核算
4.1 原料及加工成本
表2 原料及加工成本
序号
[***********]4
工序名称原材料划玻璃清洗烘干支撑柱摆放光学镀膜玻璃打孔焊剂摆放焊接真空排气烘烤激活消气剂保护层涂塑检验包装合计
班生产量(m2)成本(元/m2)
42.9
1260325
0.080.460.43
[***********]0600600
40.080.2540.40.180.340.180.1753.47
4.2 外协外购件成本与管理费
表3 外协外购件成本与管理费
序号
123456
外协外购项目名称
支柱消气片焊料(含封塑料)
商标包装合计
成本(元/m2)
10180.1120.1
管理费项目名称设备折旧费厂房折旧费产品废品损耗费
管理费贷款利息合计
成本(元/m2)
10.55.1316.941.525.07
真空玻璃的生产成本=原材料+加工成本+外协外购件成本+管理费=98.64元/m2
5 中试工艺的总体目标
从隔热、隔音的性能来看,目前真空红外反射膜玻璃是最优越的。日本生产的真空玻璃导热系数可达到0.7～0.9W/(m2・K),但成本很高,目前在日本售价为2万日元/m2,约合人民币1500元/m2。日本的真空
(下转第25页)
4 结论
(1)制备了比纯TiO2自洁玻璃光催化活性更高的
掺杂Fe3+的TiO2自洁玻璃。
(2)Fe3+掺杂TiO2自洁玻璃的光催化活性开始随
着Fe3+掺杂量的增加而逐渐升高,但过量加入光催化活性反而降低,Fe3+的最佳掺杂量为Fe3+/TiO2=1.5%。
(3)适量的Fe3+掺杂到TiO2中后(Fe3+/TiO2=1.5%),不仅可以提高TiO2对光的吸收强度,而且使吸收范围发生红移,可以拓展太阳光的利用范围。
(4)Fe3+掺杂TiO2自洁玻璃制备时的最佳灼烧温度为450℃,最佳灼烧时间为1h。参考文献:
[1]M.R.Hoffman,S.T.Martin,W.Choi,etal.EnvironmentalApplicationsofSemiconductorPhotocatalysis[J].Chem.Rev.,1995,95:69-96.
[2]A.Fujishima,T.N.Rao.RecentAdvancesinHeterogeneousTiO2Photocatalysis[J].Proc.IndianAcad.Sci.(Chem.Sci.),1997,109(6):471-486.[3]李越湘,吕功煊,李树本.半导体光催化分解水研究进展[J].分子催化,2001,15(1):72-80.
[4]康志敏,郝彦忠,王庆飞,等.固态TiO2纳米太阳电池研究进展[J].化学研究与应用,2003,15(1):31-36.[5]王传义,刘春艳,沈涛.半导体光催化剂的表面修饰[J].高等学校化学学报,1998,19(12):2013-2019.
[6]W.Choi,A.Termit,M.R.Hoffman.TheRoleofMetalIonDopantsinQuantum-SizedTiO2:CorrelationbetweenPhotoreactivityandChargeCarrierRecombinationDynamics[J].J.Phys.Chem.,1994,98(51):13669-13679.
[7]王艳芹,张莉,程虎民,等.掺杂过渡金属离子的TiO2复合纳米粒子光催化剂-罗丹明B的光催化降解[J].高等学校化学学报,2000,21(6):958-960.
[8]Y.Paz,A.Heller.Photo-oxidativelySelf-cleaningTransparentTitaniumDioxideFilmonSodaLimeGlass:TheDeleteriousEffectofSodiumContaminationandItsPrevent[J].J.Mater.Res.,1997,12(10):2759-2766.
图6 TiO2膜层中未掺铁和掺铁1.5%的
玻璃样品的紫外-可见吸收光谱
(上接第39页)
平板玻璃为双层结构,镀红外反射膜,不同频率衰减积分平均值为31dB。本项目研制出的真空玻璃为三层双真空腔结构,镀3～4层红外反射膜,传热系数不大于0.7W/(m2・K),不同频率衰减积分平均值不小于40dB,在国内、国际市场上将有很强的竞争力。该项技术可应用于真空玻璃的批量生产,其结构和性能将优于日本真空玻璃结构及工艺,达到国际上这一领域的领先水平。
表4 中试总体目标
序号
123456
项目设备总投资生产厂房面积生产人员年产量实现年产值中试周期
实现目标
100万元1000m2
35(其中管理人员3人)
2.4万m2360万元6个月
“新型真空玻璃”项目中试方案的研究
张瑞宏1,马承伟1,孔德军1,戴国筠2,朱顺华2,吴丽丽2
X
(1.中国农业大学,北京 100083; 2.扬州大学工学院,江苏 扬州 225009)
摘要:随着我国经济的迅速发展,人们对新建住宅的装饰要求越来越高,目前窗户用的普通平板
玻璃已满足不了人们对现代住宅隔热、隔音的要求。同时我国温室大棚采用的半透明有机材料由于透光性较差,易老化,影响了反季节蔬菜的口味,解决目前温室保温和透光性问题也成了当务之急。因此开发价质比适中的真空玻璃是我国建筑用窗户玻璃和温室用玻璃的发展趋势。本文在真空玻璃取得实验室制样成功的基础上,对新型真空玻璃的中试工艺进行了可行性的研究。关键词:玻璃;真空玻璃;中试
中图分类号:TQ171.72+7 文献标识码:B 文章编号:1000-2871(2003)06-0037-03
ResearchonMiddleTestof“NewTypeof
VacuumPlateGlass”
ZHANGRuinhong1,MAChengnwei1,KONGDenjun1,
DAIGuonjun2,ZHUShunnhua2,WULinli2
中国农业大学农业生物环境与能源工程实验室与扬州大学工学院真空绝热实验室经过3年的努力,已完成了真空玻璃的实验室制样工作,这一项目的成熟度已经达到科技成果级水平。在实验制样取得了比较良好的技术经济指标基础上,进行了中试工艺方案的研究,已经取得了初步的成果。
1 真空玻璃实验室制样取得的成果
1.1 技术创新的独特之处
⑴本项目首次提出采用三层叠合双真空腔红外反射膜平板玻璃结构(双腔连通),该结构对比现有两层单真空腔结构在增加一层3mm厚玻璃的情况下,使隔热、隔音效果达到两层真空玻璃的效果。本项目结构的创新提出在增加很少生产成本的情况下,使产品的隔热、隔音性能提高近1倍。
⑵本项目在工艺上创新地提出中间支撑柱整板放置方案:即先将支撑柱放在一模板上,由模板一次性整组放置在玻璃面上,同时用摄像头监控支撑柱的缺少情况,这一工艺将大大减少中间支撑柱安放困难,减少工艺难度。
⑶本项目创新地提出了立式多块玻璃真空腔内高频加热封头方案,这比现有面封头方案提高效率几十倍,可大大节省加工成本。1.2 新型真空玻璃主要技术、经济指标(见表1)
注:对比日本产品的技术指标⑴总厚度:10mm;⑵结构特征:双层平板玻璃单真空腔;
X收稿日期:2003-06-23
⑶导热系数:0.7～0.9W/(m2・K);
⑷隔音性能:不同频段衰减积分平均值31dB。
表1 新型真空玻璃主要技术经济指标
序 号
[1**********]
技术项目总厚度中空夹层厚度结构特征中间支撑柱直径中间支撑柱排列封边工艺封头工艺中心传热系数中心隔音性能透光率
技术指标
9～10mm0.1～0.5mm
三层平板玻璃组成双真空腔结构
0.1～0.5mm
有规律点阵排列高频加热封边高频加热封头≤0.7W/(m2・K)
不同频段衰减积分平均值≥40dB
≥80%
2 中试方案的可行性分析
2.1 本项目的市场前景
据我国十五发展规划,全国城市建设面积为20亿m2,农村为80亿m2,总量为100亿m2,每年新建20亿m2,窗户面积一般为建筑面积的25%,即窗户面积大约为5亿m2。如果全部使用真空玻璃则每年为生产厂
家提供5000万m2,折合人民币75亿元的市场。
近年来温室种植规模正在迅猛发展,我国拥有温室面积150万公顷,它也是我国三高农业的主要工程措施和重要标志。我国加入WTO以后,精细农业、劳动密集型和科技密集型农业是我国现代化农业发展方向。如果80%的温室用上真空玻璃,则每年节省标准煤9000万t,节省人民币200亿元,每年可以提供12亿m2,折合约1800亿元的市场需求量。2.2 本项目的经济效益
美国SERI的研究报告指出,本项目产品在民用建筑方面应用,每平方米窗户每年可节约700MJ的能量,相当于每平方米窗户每年节约200kWh电,则每年每平方米窗户可节约100元,1～2年可以收回追加的投资。在温室种植方面,现在的复合PET、PE、PVC等材料每平方米约为120～140元,传热系数为3～4W/(m2・K),而本项目的真空玻璃连同塑钢窗架在内,综合售价可降低为160～180元/m2,比PET、PE、PVC复合材料
投资增加20%～30%,但其绝热效率则提高4倍。
3 中试工艺方案的研究
具体工艺方案如下:
⑴玻璃的切割 由划玻机完成,采用液压双缸双向划玻工艺。
⑵清洗烘干 由自动清洗机烘干机一次性完成离子水发生、离子水冲洗玻璃表面、自动擦干和烘干4项作业。⑶摆放支撑柱 清洗后的玻璃一片进行镀膜,一片进行打孔(放置消气片),先将制成的支柱置于设计的模板内,由摄像头监控缺柱情况,再将模板移至玻璃表面之上1cm左右,打开模板粒孔开关,则支撑柱靠重力落到玻璃表面,第2腔的支撑柱放置重复上述,3层以塔形叠置。⑷焊接 先将低熔点玻璃基焊料拉成Φ2～3mm的条,其中包括直条和直角条,3层叠合的玻璃置于工作台之上,高频加热设备置于液压升降台上,由高频加热圈完成焊接工艺。
⑸真空排气烘烤封头 先将焊后的玻璃竖叠于工作车之上,放好封口焊料,推入排气箱中,其排气口与高频加热板吻合,开动排气装置排气,10Pa时由碘钨灯加热工作。10-3～10-4Pa时开动高频加热器加热
封头。
⑹激活消气剂 用高频加热激活消气剂,由红外测温监控。⑺涂塑保护层 由涂塑枪将玻璃封边处用热塑法进行保护,涂保护层既起到运输减震的作用,又起到保护封边层作用。
⑻检验 采用抽样目测法和蒸汽恒温槽检热工作台进行传热系数检测,即真空玻璃一边通蒸汽,另一边用红外测温仪测表面温度是否超标。
⑼包装 在每一块真空玻璃上贴上防伪商标,要求正反面的商标正好盖住消气片。
4 生产成本核算
4.1 原料及加工成本
表2 原料及加工成本
序号
[***********]4
工序名称原材料划玻璃清洗烘干支撑柱摆放光学镀膜玻璃打孔焊剂摆放焊接真空排气烘烤激活消气剂保护层涂塑检验包装合计
班生产量(m2)成本(元/m2)
42.9
1260325
0.080.460.43
[***********]0600600
40.080.2540.40.180.340.180.1753.47
4.2 外协外购件成本与管理费
表3 外协外购件成本与管理费
序号
123456
外协外购项目名称
支柱消气片焊料(含封塑料)
商标包装合计
成本(元/m2)
10180.1120.1
管理费项目名称设备折旧费厂房折旧费产品废品损耗费
管理费贷款利息合计
成本(元/m2)
10.55.1316.941.525.07
真空玻璃的生产成本=原材料+加工成本+外协外购件成本+管理费=98.64元/m2
5 中试工艺的总体目标
从隔热、隔音的性能来看,目前真空红外反射膜玻璃是最优越的。日本生产的真空玻璃导热系数可达到0.7～0.9W/(m2・K),但成本很高,目前在日本售价为2万日元/m2,约合人民币1500元/m2。日本的真空
(下转第25页)
4 结论
(1)制备了比纯TiO2自洁玻璃光催化活性更高的
掺杂Fe3+的TiO2自洁玻璃。
(2)Fe3+掺杂TiO2自洁玻璃的光催化活性开始随
着Fe3+掺杂量的增加而逐渐升高,但过量加入光催化活性反而降低,Fe3+的最佳掺杂量为Fe3+/TiO2=1.5%。
(3)适量的Fe3+掺杂到TiO2中后(Fe3+/TiO2=1.5%),不仅可以提高TiO2对光的吸收强度,而且使吸收范围发生红移,可以拓展太阳光的利用范围。
(4)Fe3+掺杂TiO2自洁玻璃制备时的最佳灼烧温度为450℃,最佳灼烧时间为1h。参考文献:
[1]M.R.Hoffman,S.T.Martin,W.Choi,etal.EnvironmentalApplicationsofSemiconductorPhotocatalysis[J].Chem.Rev.,1995,95:69-96.
[2]A.Fujishima,T.N.Rao.RecentAdvancesinHeterogeneousTiO2Photocatalysis[J].Proc.IndianAcad.Sci.(Chem.Sci.),1997,109(6):471-486.[3]李越湘,吕功煊,李树本.半导体光催化分解水研究进展[J].分子催化,2001,15(1):72-80.
[4]康志敏,郝彦忠,王庆飞,等.固态TiO2纳米太阳电池研究进展[J].化学研究与应用,2003,15(1):31-36.[5]王传义,刘春艳,沈涛.半导体光催化剂的表面修饰[J].高等学校化学学报,1998,19(12):2013-2019.
[6]W.Choi,A.Termit,M.R.Hoffman.TheRoleofMetalIonDopantsinQuantum-SizedTiO2:CorrelationbetweenPhotoreactivityandChargeCarrierRecombinationDynamics[J].J.Phys.Chem.,1994,98(51):13669-13679.
[7]王艳芹,张莉,程虎民,等.掺杂过渡金属离子的TiO2复合纳米粒子光催化剂-罗丹明B的光催化降解[J].高等学校化学学报,2000,21(6):958-960.
[8]Y.Paz,A.Heller.Photo-oxidativelySelf-cleaningTransparentTitaniumDioxideFilmonSodaLimeGlass:TheDeleteriousEffectofSodiumContaminationandItsPrevent[J].J.Mater.Res.,1997,12(10):2759-2766.
图6 TiO2膜层中未掺铁和掺铁1.5%的
玻璃样品的紫外-可见吸收光谱
(上接第39页)
平板玻璃为双层结构,镀红外反射膜,不同频率衰减积分平均值为31dB。本项目研制出的真空玻璃为三层双真空腔结构,镀3～4层红外反射膜,传热系数不大于0.7W/(m2・K),不同频率衰减积分平均值不小于40dB,在国内、国际市场上将有很强的竞争力。该项技术可应用于真空玻璃的批量生产,其结构和性能将优于日本真空玻璃结构及工艺,达到国际上这一领域的领先水平。
表4 中试总体目标
序号
123456
项目设备总投资生产厂房面积生产人员年产量实现年产值中试周期
实现目标
100万元1000m2
35(其中管理人员3人)
2.4万m2360万元6个月