2019年4月12日 星期五

玻璃專章

1959年 英國人皮爾金頓爵士發明浮式玻璃製造法,生產表面平整無波紋之平板玻璃,此為玻璃技術的一大革命。

1981年台玻引進英國浮式法製造無波紋平板玻璃。


1.浮式明版玻璃(Clear Float Glass):
浮式玻璃是完全平整而且透明的玻璃。"浮"字的使用是因為製作的方法,由英國的皮爾金頓爵士於1949年發明,至今90%之玻璃皆以此方法製造。玻璃原料經適當比例混合後送入1500度之熔爐,融化的玻璃膏進入錫槽,黏稠的玻璃膏與融錫並不相容,兩者接觸面可說完全平整。當玻璃離開錫槽後,將於徐冷槽在控制下適當的冷卻直至室溫為止。

2.浮式色板玻璃(Tinted Float Glass):
製法同浮式明版玻璃,只是在玻璃原料內調入適當色料,增加顏色之變化,同時具高吸收與再輻射之功能,能減少輻射熱穿透,節省能源。


浮式玻璃  Float Glass
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加工玻璃 Process Glass


1.反射玻璃(Reflective Glass):
於浮式玻璃表面鍍上金屬鍍膜以減少日射熱之玻璃。此種特殊之金屬鍍膜法亦有鏡面之效果,主要用於立面,可保護隱私。反射玻璃可過濾眩光、吸熱,而某些鍍膜層可再加工(如強化、熱彎等)。依製法分成離線反射玻璃與在線LVC反射玻璃。離線反射玻璃係在真空室內使用真空濺鍍法,將金屬或金屬化合物鍍在玻璃表面,使其產生一層均勻的金屬化物或金屬膜,因鍍膜的厚薄不同,即可呈現出不同的色彩解具有高性能之隔熱效能,在線LVC反射玻璃係使用特殊氣體在錫槽內使玻璃表面反應形成薄膜,是使用之原版可呈現不同的色彩。

2.低輻射玻璃(Low-E Glass):
低輻射玻璃是透明的玻璃,鍍上金屬氧化物薄膜。安裝在熱帶地區可以阻斷大量輻射熱能的穿透,僅少數的熱能進入室內,保持涼爽。安裝在寒帶地區,允許日光和熱進入室內,但防止熱量從室內散失,有效減少熱損失。製法是以真空濺射方式,將玻璃表面濺鍍多層不同材質鍍膜。其中鍍銀曾對紅外線具高反射功能,隔熱效果佳。鍍銀層下之底層鍍膜為二氧化錫(SnO2)抗反射鍍膜,用以增加透光率。鍍銀層上鍍膜為鎳鉻合金(NiCr)金屬隔離鍍膜,用以保護銀鍍層,最頂層鍍膜為二氧化錫(SnO2)抗反射鍍膜,主要功用為保護整體鍍膜層。

低輻射玻璃通常對可見光波(坡常380至780)有著高透光率,不會因為高反射引起炫光公害。太陽光也藉此高透過率進入室內,進一步減少室內照明燈具之使用,節約能源。同時低輻射玻璃對波長較長之紅外線(780至3000)有高的反射率,阻絕大量熱量進入,減少室內空調的使用,展現絕佳節能效果。低輻射雙層玻璃的效果最佳,同時也能達到現代建築外牆設計中高透光率、低反射率、高熱阻絕與環保節能之需求,是綠建築的理想建材。

3.雙層玻璃(Insulating Glass):
雙層玻璃是由雙層或多層玻璃所組成,玻璃片間密封空氣層(惰性氣體),雙層玻璃最重要的功能是防止熱損失,減少能源花費,因為在熱空氣邊減少節錄而得到的透明性,和在不增加能源支出的情況下增加開窗面積。玻璃片之間以鋁條連結,以密封劑減少水氣的滲透。整個單元由第二層封邊膠密封所組成,提供了結構上的強度。鋁條內乾燥劑保持空氣層的乾燥,雙層玻璃的單元可用手工製造或由工廠生產。雙層玻璃同時也具有良好的隔音效果。

4.強化玻璃(Tempered Glass):
將平板玻璃加熱接近軟化點時,在玻璃表面急速冷卻,使壓縮應力分布在玻璃表面,而引張力應力則在中心層。因有強大的壓縮應力,使外壓所產生的引張應力被剝離的強大壓縮應力所抵銷,增加玻璃使用的安全度,其強度為普通玻璃之五倍。另一種製法為化學強化法,所謂化學強化法,係以化學藥劑利用離子交換法改變玻璃表面的成份,使得玻璃得以產生很大的抗壓力。這種方法產生的強化玻璃其性質和熱處理法類似,較常用於需要薄且強的用途上,較少用於窗戶上。

5.熱處理增強玻璃(Heat Strengthened Glass):
熱處理增強玻璃是一種透過熱處理而強化表面或邊緣的玻璃,其適用於玻璃太薄、太小或玻璃的熱膨脹係數遠小於全強化玻璃之需求。製程大致和強化玻璃類似,但冷卻過程較長。相同厚度的熱處理增強玻璃,他的強度和溫度變化承受力約為普通玻璃的兩倍。在有些狀況下,如希望玻璃破碎後仍留在框內或減低玻璃破裂過程中碎片的能量,熱處理增強玻璃是比強化玻璃更好的選擇。太厚的玻璃無法進行熱硬化處理(厚度約以10mm為上限)。

6.膠合玻璃(Laminated Glass):
膠合玻璃有兩種製法,PVB膠合或樹脂膠合。PVB膠合玻璃是在熱和壓力之下以單層或多層強韌而具熱塑性的pvb膜把雙層或多層玻璃膠製而成。樹脂膠合玻璃是把液態樹脂倒入玻璃間空隙待樹脂凝結。玻璃中間強韌而富黏著力的膠膜,使玻璃在受衝擊時破損的玻璃不易飛散,因此安全性極高,可製成防彈、防爆玻璃。中間膜可減輕太陽光中的熱能可達省能效果,同時能隔離紫外線及聲音。這種玻璃特別適用於需要確保整片玻璃抵抗力之處,如店面、陽台、樓梯護欄及屋頂玻璃。

7.高性能隔音膠合玻璃(Sound Control Laminated Glass):
避免受到噪音影響是現代建築可量帷幕材料時的關鍵考量,尤其是靠近機場和忙碌公路的地方。膠合玻璃中如使用特殊的隔音膜已被證明在隔音上有絕佳的效果。


強化熱浸玻璃與硫化鎳(NiS)

強化玻璃表面是一層壓縮應力層,內部則有張應力層與之保持平衡狀態,當表面傷痕延伸到內部張應力層時,就會造成破裂。強化玻璃只要局部受損破裂,就會失去應力的平衡,而引起全面碎裂。在其附近的人物,可能會受到雨點般顆粒的敲打,也可能會遭受大塊碎片聚合物的撞擊,瞬間崩落的衝擊力會造成生命財產的損失。此外,對於外牆玻璃,因為直接暴露於室外環境,在日夜冷熱溫差循環的交替作用下,若玻璃含有NiS成份,也應會在使用的前期便被誘發出來,當不致於在使用數年後,才發生自爆現象。

強化玻璃破裂原因
1.外力碰撞、傷及玻璃表面或邊角部位。
2.熱應力或系統應力(帷幕)造成的破壞。
3.玻璃中偶然存在的硫化鎳(NiS)雜質引起之傷痕。

硫化鎳:
硫化鎳於常溫時為β相(菱面體結構),於380度之高溫下為α相(六角形結構),當玻璃進行強化加工而加熱至620度時,硫化鎳會由原本的β相轉為高溫的α相狀態,當玻璃急速冷卻時,α相之NiS無法轉變為原來的低溫β相狀態,高溫狀態的α相因此被封在玻璃內,因此會產生一個型變的力量存在於玻璃中,且體積因此而膨脹2%~4%,這種NiS的膨脹日後將可能造成玻璃的破裂。

硫化鎳的成因:
碎玻璃是浮式玻璃生產的重要原料之一,當碎玻璃回收時因分類不徹底或雜質摻雜其中,導致汙染發生,這些遭到汙染的碎玻璃如投入浮式窯爐,就容易在爐內與硫結合成NiS,影響玻璃品質。

解決方案:

1.選用熱處理(又稱熱硬化)增強玻璃

熱處理增強玻璃可有效降低因NiS所引起的破裂問題,除非法規及規範限制使用強化玻璃,否則熱處理增強玻璃是最佳的選擇。適合應用在需加強抗風壓,及耐熱應力衝擊的採光及樑帶位置。組合成膠合玻璃則適合使用於天窗、帷幕牆或結構式安裝。

2.強化膠合玻璃

強化玻璃如有削型或鑽孔,其周邊組織的強度會被大大的削弱,在承受外力的部位,應盡量避免此類加工。如非加工不可,則須選用強化膠合玻璃。

3.熱浸處理

至目前為止,熱浸處理(Heat Soak Test)是能有效避免強化玻璃瞬間破裂的唯一辦法。熱浸處理是一種破壞性試驗,將玻璃至於熱浸顱內加熱至290度左右,以加速NiS由高溫的α-NiS轉為低溫的β-NiS。熱浸流程中約需2-8小時,再以適當之時間降至常溫。

熱浸處理是一種篩選的動作,讓含有危險NiS雜質的強化玻璃在爐內自行破裂。此方法雖無法根除玻璃內之NiS,但可大幅降低玻璃安裝後發生之爆裂機率,且無任何不良副作用。但由於無法以任何科學方法測試是否經過熱浸處理,因此必須慎選有信譽之廠商。



選用玻璃的考量因素:

對建築工程而言,欲選擇正確合適的玻璃類型,就必須於事前進行多方面評估,因為建築物的使用壽命長達數十年,甚至百年以上。特別是外牆部份,一但選擇錯誤,除將造成安全、功能、與美觀上之問題外,對於建築物日後維護成本,如空調費用,亦會造成額外負擔,所以事前的完整評估確有其必要性。至於選用時的評估及考量因素,建議可從下列幾項要點著手。當然,考量因素亦當不僅限於文中所列之各項,設計者或規劃者更可依自身不同需求,以其個別的角度來探討。但無論如何,事前多花一點功夫,對於未來的使用就會有更多保障!

外牆使用熱處理玻璃,淋浴隔屏必須使用強化熱浸玻璃(因破裂碎片不易刮傷)



選用玻璃首要考量應為安全性,因為不安全的玻璃,除對使用者是一種風險外,對於無辜的第三人亦是潛在的危害。而對於玻璃安全的檢討,主要的重點有:

1.結構強度:主要是對風壓載重地震力的檢討。

(1)風壓載重
即玻璃是否可承受正負風壓作用而不會破壞。就建築設計者而言,選擇大面積的單一玻璃,的確能帶來視覺上極佳的通視效果,不過在使用的限制上,除了考量其生產加工的規格極限外,不同的設計條件(風壓強度、容許變形量、結構型態、玻璃種類等),亦控制著我們選擇玻璃的最大尺寸。
其中,所謂結構型態是指玻璃安裝的型式,簡單地說,不外乎是:四邊框料、兩側框料(兩側有框料,另兩側以結構矽膠黏結,又稱2-Sides Capture)、無框料設計(四邊皆以結構矽膠黏結,又稱4-Sides Capture)、點支撐方式、懸吊式、或平接無背擋支撐等各類型態。此外,以結構膠黏結之系統(又稱化學固定方式)比一般框料系統(又稱機械固定方式),更要考慮結構矽膠之材料與施工品質,以及結構膠強度是否足以承受正負風壓應力與玻璃自重。
此外,就玻璃厚度而言,厚度的增加對於結構上耐風壓強度當然有絕對幫助。話雖如此,但是厚玻璃除了增加玻璃成本外,也因重量增加,對於框料與繫件之要求也隨之增加,對於整體的經濟性便有負面的影響。所以我們才需要小心謹慎地評估,以求在安全與經濟性中取得平衡。

(2)地震力
由於一般玻璃組裝於框料中,不應與框料有直接的碰撞或接觸,而是必須置於墊塊上,所以對於地震力之檢討,重點應是框料內應有足夠的空間,使玻璃不會被因地震力作用而形變的框料撞擊,或因而自框料脫出。由於玻璃的邊緣為脆弱點,特別是強化玻璃,若其邊角受到不當外力作用,極易使整片玻璃破壞,故應小心檢討。此外,選用硬度適中之墊塊(過軟或過硬皆不宜),以及正確的安裝墊塊,對於玻璃之安全亦有良好的保護作用。
當然對於外牆玻璃而言,其影響的外力除了風壓與地震外,尚有其它的作用力,如溫度所造成熱脹冷縮、異物撞擊衝擊力等。但這些外力,若不是屬於影響程度微小的因素,就是屬於特殊的異常狀態,故不在一般常態的評估中列入考慮,除非是該特定需求強烈時,才會單獨列出評估。例如,若須對防止外力撞擊列入評估重點,則可將不同的規格制品,分項列表來進行評估(如:玻璃厚度加厚、或採多層膠合玻璃、或面貼防爆膜等)。

2.破損時之影響

使用玻璃就不能排除破壞的可能性,所以破損所造成之影響就必須在事前評估與避免。當然使用者可以依其使用時機、地點、以及結構需求來選擇玻璃種類,而以下幾點建議更可為建築外牆工程之選用參考:

(1)當熱硬化玻璃的強度足以符合需求時,就儘量減低使用強化。
(2)使用強化玻璃時,在成本費用許可下,建議加作熱浸試驗。
(3)為避免玻璃破損導致碎片飛散傷害人體,可以考慮使用膠合玻璃。而當玻璃以水平放置時(如天窗玻璃),則應使用膠合玻璃,且應避免兩片皆使用強化玻璃,其原因是在於若兩片強化玻璃同時破損,該玻璃可能因而喪失支撐力而整塊掉下。建議以一片強化、一片熱硬化應屬較為理想。

以下待整理


節能性:
         由於玻璃具有優秀的採光性,也具有良好得視覺通透效果,所以現代帷幕牆設計莫不喜歡採用大面積的玻璃。但是,從另一角度來看,大面積採光卻會使熱能穿透玻璃,由於帷幕建築的封閉性,將使熱能無法經由自然通風散去,因而在室內持續累積使得溫度上升。換句話說,使用者就必須支出較多的空調成本,而此一成本支出不單反應在空調機具直接採購上,對於日後的維護運轉亦然,所以節能的考慮,常是業主、建築設計者對玻璃的採用產生了許多顧忌。所幸由於玻璃工業的發展,使得建築玻璃在節能性能上已有長足的進步,如反射鍍膜的成熟應用、Low-E(Low-Emission or Low-Emissivity)鍍膜的開發、複層玻璃製成技術的進度等,都使得玻璃在節能與環保的考量上,不再是為人詬病的敗筆。對於玻璃節能性,主要可以從以下兩個數據來評估:
 1.U值
         依ISO-DP10292,U值代表在室外風速每秒4.8m且溫度5.5℃,而室內20.5℃時,熱能由室內向外發散效率。U值愈高代表室內熱能較易向室外流失,所以對於寒帶國家而言,玻璃就應選用U值低的玻璃以減少室內暖氣的散失。但台灣則剛好相反,因為我們地處亞熱帶,且夏天市區溫度甚高,所以可選用U值較高的玻璃以利室內高溫向外散發。
 2.UV反射率(或穿透率)
         紫外線反射率高(或低穿透率),當然就會有較佳的節能效果。
         談到U值,順便再就複層玻璃內之氣體特性作一討論。所謂複層玻璃係指兩片玻璃中間夾著一層氣體,四邊再以密封條緊閉,具有極佳的隔音與熱阻絕性能。由於複層玻璃內部必需灌入乾燥氣體,才不致會有內部結露的問題發生,故為確保空氣乾燥,實務上可將乾燥劑置入封邊條內,以確保內部空氣乾燥,以達良好的隔絕效果。至於灌入氣體的種類,可以是注入乾空氣或是惰性氣體(一般以氬氣為主)。而兩者使用上之差異,主要是在於灌入惰性氣體可降低複層玻璃U值,防止室內暖氣向外流失,故較適於嚴寒氣候區域。而亞熱帶氣候型的台灣,因為低U值不利建築物內部向外散熱,此將會提高空調耗電量,故以灌乾燥空氣的複層玻璃較為適合。
(三)隔音性:
         玻璃另一個重要評估因素就是其隔音效果。其實,完整的外牆隔音性能,必須透過整體性的考量,包含框料設計、玻璃類型、五金選用、膠條密合等。換言之,良好的隔音效果,應是為所有零配件整體組合的成果展現。不過單就玻璃產品而言,籠統地說,玻璃厚度應是一項重要關鍵。此外,膠合玻璃與複層玻璃亦遠較單片玻璃提供較好的隔音性。當然,較厚的膠合膜與中間空氣層,亦會對隔音會有正面的效果。
(四)耐久性:
         在一般的觀念中,玻璃成品除非受到外力撞擊,並不會有外觀與品質上的改變。事實上也是如此,不論是普通、熱硬化、強化、抑或是弧型玻璃,一但生產製作完成,皆不會再有強度或品質上之改變。但是對於某些再加工之玻璃,便須注意其耐久性,如反射鍍膜,應瞭解其生產方式(On-Line或Off-Line生產),並注意反射膜面是安裝於室內或室外側,以免日後發生變色不均勻之現象。又如膠合玻璃,應注意膠合膜與填縫材之相容性,才不會造成膠合膜與填縫材日久後因化學反應而發生剝離。
(五)美觀性:
         至於美觀性,實是一個見人見智的問題。但對於單一片玻璃表面平整度,強化玻璃因受製程之限制,總免不了會有些微折射現象而使反射的影像產生扭曲(當然各家廠商生產設備、經驗、品管要求不同,也會有明顯差異),所以在選擇上,就只能依個人的喜好來加以評估。至於玻璃反射之問題,強烈的反射光線會造成路人視覺不適,更影響與行車安全,故對於可見光反射率過高的玻璃應避免採用。

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