钢化玻璃会不会自爆?

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何谓「自爆」其发生的原因与机率
所谓「自爆」 (Spontaneous Breakage) ,就是玻璃在无任何外力作用以 ( 例如遭受异物撞击 ) 的情况下自行破裂。严格的来说,「无外力作用」应该定义为「除了设计风压所充的风力之外无其他外力作用于玻璃之表面」。因为因加工尺寸的误差导致玻璃安装时扭曲 (twisted) ,而使得玻璃表面产生应力不均的现象,某些受力较大的点,可能会产生破裂。另外,钢化前的加工疏失,造成边、角残缺,也可能会产生破裂。这些现象,都是属于非因玻璃内含杂质所产生的自爆。本文中所讨论的自爆,指的是由于玻璃内含杂质所引起的破裂。
以下所述信息是世界三大玻璃生产厂之一,法国 Saint-Gobain 玻璃公司的研究报告,谨供参酌。
钢化玻璃 (tenpered glass) 已经被使用很多年,在一些很罕见的情况下,钢化玻璃曾被认为会自爆。通常,玻璃破裂的造成原因很难判断。
因为钢化玻璃的使用愈来愈多,自爆现象已成为大众注意的话题。这种自爆主要归咎于玻璃中的杂质 (defect) ,而且根据许多文献,其中最常见的杂质是硫化镍矿石 (Nickel Sulfidestones) 。
硫化镍矿石是玻璃中不常见的杂质,在经过一番很深入的调查玻璃中所含的矿子之后, Unoc 和 Fukui 两位学者并没有提到硫化镍矿石。同样地,许多的参考文献也没提及这种杂质。
在一些很罕见的硫化镍矿石被发现存在于浮式玻璃之中的情况之下,硫化镍矿石通常以很小的多结晶球体 (polycrystalline sphere) 形态存在,直径 0.1 至 2mm ,而且有金属外观, (appearance) 。这些含有物为 Ni3S2 , Ni7S6 及 Ni1-xS ,其中 x 的值为 0 至 0.07 。很明显的,只有 Ni1-xS 状态才是造成钢化玻璃自爆的原因。
化学计量的硫化镍 (stoichiometric NiS) 在 379 ℃时会产生状态转换 (phase transformation) 。由高温的六角形α -NiS 转换成低温的菱面体β -NiS 的状态换会伴随 2.38 %的体积扩张。当远离 stoichiometry 时,转换温度下降,达到 280 ℃ Ni0.94S 。同时,当 x 值增加时,状态转换变得迟钝 (sluggish) 。以 Ni0.94S 为例,在经过 200 ℃下 16 小时后,只有 40 %的α -NiS 转换成热力学下稳定的β -NiS 。因为这种在甚至于更高温下迟钝反应,化学计量上不等比的硫化镍 (highy non-stoichiometric NiS) 不太可能造成自爆。
Stoichiometric 的α -NiS 及β -Ni1-xS 都能很容易地自 379 ℃以上急速冷却 (quenched) 而在常温下保有其结构形态。然而,就算是 Stoichiometric 的α -NiS 也可能在常温下数个月后部份换温成β -Ni1 。
回火玻璃 (annealed glass) 样品在常温下曾发现含有的α -NiS ,在一些案例中,低温的β -Ni1 也曾被发现存在于一此自爆后的玻璃碎片中。因此有人主张在钢化的过程当中,如果有α -NiS 存在,而且如果其化学组态近似于 stoichiometry ,则其结构会被急速冷却,且在常温下保存一段长久的时间。其次,如果这片玻璃被加热,以阳光为例,由α -NiS 转换成β -Ni1 的机率是存在的。假如这个α -NiS 的所在位置是钢化玻璃中间的张力层 (tension layer) ,则体积的扩张 ( 增加 2.3.8 % ) 将会破坏了原先张力层与压缩层 (compression layer) 之间的应力平衡,进而导致玻璃破裂。
如果这个主张是正确的,我们就应该考虑钢化玻璃因为硫化镍矿石导致自爆的机率。第一个问题是特定状态的硫化镍的存在机率。据推测,硫来自硫化钠 (Sodium Sulfate) 。如果没有加入 NiO 当色剂 (colorant) ,则不应该 ( 但非不可能 ) 有硫化镍的形成。然而,镍可能来自燃油、耐火砖,或含有镍合金的加工机械。就算镍离子和硫离子都存在于玻璃融浆内,我们也不能确定说会产生任何硫化镍。
综合以上说明,如果说玻璃自爆的主因为玻璃内含的硫化镍杂质,则以下三个条件都必需符合,才会造成自爆:
•  在玻璃融熔 (melting) 时已经有硫化镍的产生。
•  在经过钢化之后该硫化镍杂质以α -NiS 的状态存在于张力层中。也就是说在玻璃冷却的过程中,部份 NiS 并没有转换成低温的稳定状态β -Ni1 ,而依然以不稳定的形态α -NiS 存在。
•  有足够的能量「催化」,使该α -NiS 转换成体积较大的β -Ni1 。
统计数字显示,钢化玻璃因为含有硫化镍杂质而产生自爆的机率为千分之三 (3/1000) 。

既然化玻璃的自爆是因硫化镍杂质引起,其防范之道有二:
一、生产完全不含硫化镍的浮式玻璃
许多玻璃生产厂近年来都致力于减少杂质生产技术的研究,根据 pilkington 的报导,目前已经研发出将硫化镍降低到大约每 60 吨只含有一个的技术,但是尚无法达到完全不含硫化镍 (NiS-free) 的境界。这种制程的先决条件除了严格控制每一种原料的成份之外,也不能使用回收的玻璃原料 ( 因为回收料的质量与成份不易控制 ) ,因此生产成本很高,所以尚无法经济的量产。 ( 感谢元障玻璃吴经理提供本项资料 ) 此外,美国 PPG 生产的 Gray-Lite 就是一种完全不含镍 (Nickel-free) 的玻璃。
二、热浸测试 (Heat Soak Test)
因为硫化镍矿石在玻璃中很难被检测出,因此唯一用来降低 ( 但并非完全消除 ) 自爆的方式,就是将钢化玻璃经过热浸测试。这种测试是一种摧毁性 (destructive) 测试,其处理方式是将玻璃放置于热浸炉内,如此会使得含有硫化镍的玻璃因为 Nis 形态的转换引起体积的扩张,而导致玻璃的破裂。也就是说用热浸测试将一些「以后可能会出问题」的玻璃先使其破碎,让问题提早在热浸炉中发生。
根据德国国家标准 DIN 18516 规范,将玻璃缓慢加热至 290 ℃,并保持在 290 ℃上下 10 ℃八个小时,如此可以促使百分之九十九以上的硫化镍形态转换。除此之外,各大玻璃生产厂及热浸炉制造厂也都相继研发出缩短时间与成本的热浸方式,有些虽只需四个小时,但其质量的良率也相当高。
统计数字显示,经过热浸测试后的钢化玻璃其自爆的机率约为五万分之一 (1/50000) 。
设计上、成本上的因应对策
我们对自爆到底有些什么顾虑呢?自爆会造成哪些不方便呢?自爆真的是那么重要,需要我们为它花那么多功夫吗?笔者认为「安全性」才是自爆幕后真正令人睡不安稳的元凶,如果「钢化玻璃的自爆」是种顾虑,我们如何在设计上加以避免呢?又有哪些成本的考虑因素呢?当然,我们可以减少钢化玻璃的使用,多采用热硬化玻璃 (heat-stengthened glass) 或胶合玻璃 (laminted glass) ,来排除「自爆」这个心中之痛。因为至目前为止只有钢化玻璃曾经发生自爆,尚未听说过热硬化玻璃因为含有硫化镍而产生自爆。
于是,在符合设计风压的要求之下,尽量使玻璃的分割尺寸减少,并选择适当的玻璃厚度,以期同时满足玻璃强度及烧度的需求。但是,「成本」问题随即出现。每片玻璃的尺寸减少了,但是片数增多了,可能会因此而增加支撑料的成本。例如:直料变细,但数量增加,填缝材及 Silicon 可能增量,防水材料的用量也可能增加,这些都是要全盘考虑的成本因素。反之,如果因为外观与使用上的需求,又必须用大尺寸的玻璃,这个时候要避免使用钢化玻璃恐怕不太容易。热浸测试是唯一解决之道,但也需付出成本代价。
有些人的看法是根本不考虑自爆问题,既然钢化玻璃自爆的机率不高 ( 例如 3/1000) ,玻璃要破就让它破,破了再补换,破了再补换,只要破时不造成人畜伤害即可。提到不造成人畜伤害的「安全性」,就不能不想到胶合玻璃。因为胶合玻璃的作用,胶合玻璃除了较单层 (monolithic) 玻璃更具安全性之外,也兼具隔绝噪音及降低紫外线的特性。
举天窗 (skylight) 为例,因为其不慎破裂掉落时的「杀伤力」最强,欧美经常采用热硬化胶合玻璃。甚至为了增加强度抵抗异物撞击,复层 ( 中空 ) 使用时也会采用「外钢化、内热硬化胶合」的方式,以增加安全性。但不可避免的,胶合玻璃的使用也有其相关的成本代价。
对于设计上的基本问题:「是否真的需要选用钢化玻璃」,一般常见的错误观念就是「无论如何,一定要用钢化玻璃,因为它的强度最强」。其实,玻璃强度只要足够即可,不需要是最强的。热硬化玻璃的强度虽然只有钢化玻璃的一半,但是已经是普通玻璃的两倍了,很多的应用皆可以用热硬化玻璃来取代钢化玻璃,而且热硬化玻璃又没有自爆的隐忧,为什么不考虑使用呢?目前国内少数帷幕墙顾问公司已经朝这个方向努力,他们除了视自爆为一种瑕疵之外,更会在外墙玻璃规范中明订「除因强度需求而不得使用钢化玻璃之外,一律采用热硬化玻璃」,他们在教导玻璃的正确使用方式 上所做的努力是值得大家肯定的。