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技術專題

為什么有些U型玻璃曝曬以后會變色?

2019-09-02

U型玻璃作為一種十分常見的建筑裝飾材料,如圖1所示,不僅應當滿足建筑設計時所需求的各種功能,還應當具有良好的穩定性與耐用性,常年經受風吹日曬都不會有明顯變化。

品質良好的超白U型玻璃
圖1 品質良好的超白U型玻璃

然而如今國內一些U玻品質并非都盡如人意,在使用幾年后顏色會有明顯的變化,如圖2、圖3所示。

某廠家老化后變色的U玻
圖2 某廠家老化后變色的U玻

某廠家老化后變色的U玻
圖3 某廠家老化后變色的U玻

圖4所示為原片與老化的U玻放在一起,對比鮮明。

超白U玻與某廠家老化變色U玻對比
圖4 超白U玻與某廠家老化變色U玻對比

那么U型玻璃為什么會變色呢?為了得到準確的答案,我們對幾種U型玻璃進行了檢測。在檢測之前,首先我們需要理清以下幾個概念:
 
一、 基本概念

1. 物體呈現顏色的原因

自然界的物體根據其自身能否發光,可劃分為發光體與不發光體兩大類。而不發光物體又分為透明體和不透明體。不透明體的顏色是由它反射的色光決定的;透明體的顏色是由它透過的色光決定的。U型玻璃屬于透明體。假如我們看到一片U型玻璃呈現出綠色,是因為它吸收了紅光和藍光,最后綠光進入了我們的眼球。
 
光的反射、吸收與透射
圖5 光的反射、吸收與透射

日常生活中最常見的光源便是太陽。眾所周知,太陽光譜分為可見光與不可見光兩個部分??梢姽獾牟ㄩL為380~780nm,如圖6所示,散射后分為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色;而不可見光則分為兩種,波長大于紅光的叫紅外線,波長小于紫光的叫紫外線。我們的肉眼只能捕捉到可見光,
 
可見光譜
圖6 可見光譜
前面說到,一塊U玻的顏色取決于這塊U玻透射出的可見光的顏色。那么,又是什么決定了U玻透射出的可見光的顏色呢?這還要從U玻的成分說起。不同成分的玻璃顏色不同,比如圖7中的普通玻璃與超白玻璃。
 
普通玻璃與超白玻璃
圖7 普通玻璃與超白玻璃
2. U玻的成分與老化原因
 
在工業生產中,U玻的主要原料砂子中含有一定量的鐵元素,亞鐵離子(Fe2+)會吸收藍色波段和紅色波段的可見光,從而讓更多的綠光透過,便會導致這樣生產出來的U玻偏綠色。為了彌補鐵含量過高對玻璃的影響,一些廠家會在原料中加入稀土氧化劑(二氧化鈰),但是這會讓玻璃呈現黃色調。為了綜合稀土帶來的黃綠色,又要加入硒、銣或錳等化合物,它們在U玻中都能產生紫色或紫紅色,正好互補黃色調[1]。經過這番調整,玻璃已不是理想中的“無色透鏡”,而是呈現“白霧色”。雖然這樣生產出來的U玻不再偏綠,但很大程度地降低了U玻的透光率,使得U玻不再透明而是偏白色,更嚴重的問題是,稀土氧化劑會在太陽紫外線的作用下產生曝曬作用,如果作為建筑玻璃幕墻、外墻使用,U玻在1~2年之內就會發生色變,并且失去原有的光澤。由于建筑玻璃幕墻各處受太陽光照的程度不一樣,曝曬幾年后就會出現同一幕墻色差的情況。
 
 “曝曬作用(Solarization)是一種物理現象,指的是當材料被高能電磁波輻射時,顏色會發生改變。常見的高能電磁波有紫外線和X射線,而常見的會發生曝曬作用的材料有玻璃與塑料。”——《維基百科》
 
3.為什么浮法玻璃不會發生色變?
 
由于建筑幕墻大多采用普白浮法玻璃,不必在玻璃原料中加入氧化劑,因此不存在氧化劑在紫外線作用下化合價變化的情況。而超白浮法玻璃基本由大型浮法玻璃廠家生產,不會加入廉價氧化劑或漂白劑,因此也罕有曝曬后色變的情況。而個別U型玻璃廠家為了節省原料成本,加入廉價玻璃漂白劑,玻璃色變就在所難免了。
 
二、 U玻老化試驗
 
為了進一步驗證玻璃色變的問題,我們對市面上的U型玻璃作了測試。本次實驗U玻老化實驗有兩個關鍵點,一個是需要通過紫外耐候試驗箱來實現曝曬作用,將不同廠家的U玻樣片進行老化,另一個是通過專用的光度計分別在初始時與老化后來測得不同波長的可見光在各塊U玻上的透光率。
 
我們采用了三種U玻的樣品,除了阿普爾頓生產的U玻(標注為ASG),我們還另外對比了兩塊市面上其它U玻廠家生產的U玻,分別標注為A與B。我們將三家廠商的U玻各切成兩小塊,一塊作為標樣妥善保存,一塊放進紫外耐候試驗箱中,經過一定時間的加速老化后,再利用光度計測量透光率,最終得到了可以反映出U玻的老化變色程度。圖8所示為
 
編號為A的U玻老化實驗前后對比圖
圖8 編號為A的U玻老化實驗前后對比圖
 
1. 紫外耐候試驗箱
 
本次實驗采用313燈管式紫外耐候試驗箱,如圖9所示,具備UVB-313紫外線燈管2支,UVB-313燈管發出的短波紫外光比通常照射在地球表面的太陽紫外線強烈,從而可以最大程度的加速材料老化,每24小時所照射的紫外光量等于室外環境3個月所照射的紫外光量,以此類推,我們分別對玻璃照射了480小時與960小時,來模擬5年以及10年后U玻的老化狀況。
 
紫外耐候試驗箱
圖9 紫外耐候試驗箱

2. 島津紫外可見近紅外分光光度計SolidSpec-3700/3700DUV
 
本次實驗采用島津紫外可見近紅外分光光度計SolidSpec-3700/3700DUV,如圖5所示。島津作為世界上最主要的光譜儀器制造商,所開發的紫外可見紅外分光光度計SolidSpec-3700/3700DUV擁有十分寬廣的測試范圍,并且SolidSpec-3700/3700DUV以積分球作為檢測單元,首次集成3個檢測器在積分球上,大大增強了測定精度。
島津紫外可見近紅外分光光度計
圖10 島津紫外可見近紅外分光光度計
三、 實驗數據處理

按照如上所述進行960小時老化實驗后,我們可以繪制出以下透光率曲線圖。藍色曲線為ASG所產U玻,黃色與灰色曲線則為A與B兩家U玻廠商所生產的U玻。
 
由表1可見,ASG整體透光率最好,A次之,B最差。同時不難看出,B玻璃紅色波段的透光率明顯低于藍綠色波段,因此這塊玻璃看上去會明顯偏藍綠色
表1
由表1可見,ASG整體透光率最好,A次之,B最差。同時不難看出,B玻璃紅色波段的透光率明顯低于藍綠色波段,因此這塊玻璃看上去會明顯偏藍綠色。
 
5年透光率對比
表2
由表2可看出,經過五年的紫外線照射后,ASG整體透光率依舊最好,色變也較小,而A與B兩家的U玻來看,紫色附近波段的可見光透光率下降明顯,這樣便會導致U玻變色,呈現出暗淡的黃褐色。
10年透光率對比
表3
如表3所示,十年之后變化則更為明顯,紫外線波長附近的可見光在透過A的U玻時透光率甚至下降到了圖表之外。這樣一來U玻顏色的改變必然會更加明顯。
 
我們不妨做一次數據對比,計算出每一塊玻璃經過老化試驗后透光率下降的差值,再繪制成圖標,這樣就能直觀地看出每一塊玻璃在老化后透光率相對原來發生了多少變化。
5年透光率對比
表4
表4為經過五年的老化實驗后U玻透光率變化值所繪制的曲線,不難看出ASG的U玻透光率變化是其中最小的,而A的變動最大,尤其是在紫色可見光附近的變動,是其他波段變化值的十幾倍。
10年透光率對比
表5
 
在經過十年老化后,表5所示三塊U玻透光率變動與表4類似,ASG依舊變動最小,而A依舊變動最大。不妨將A相關曲線畫在一張表里,如表6,可見編號為A的U玻在曝曬5年后透光率下降就已經十分顯著,尤其是紫色可見光附近波段的光線透光率呈斷崖式下降,這樣一來U玻變色必然會非常明顯。
A透光率對比
表6

三、 實驗總結
綜上,我們不難發現,不同廠家所生產的U玻在剛出廠時的主要差別在于透光率,品質好的U玻透光率高,晶瑩通透,品質差的U玻則看起來像是蒙了一層白霧,透明度并不理想。而在經過多年的太陽光照射后透光率會發生不同程度的變化,變化值越大則玻璃的顏色改變越明顯,因此在選用玻璃之初,不僅要考慮到眼前玻璃的顏色,還應當對多年后玻璃的狀況有一個恰當的評估。
 
參考文獻
 
[1]李梅,張曉偉,柳召剛,胡艷宏,杜長順 .氧化鈰在玻璃中的應用.《稀土》 , 2011 , 32 (3) :80-85
 
 
 


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