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技术专题

为什么有些U型玻璃曝晒以后会变色?

2019-09-02

U型玻璃作为一种十分常见的建筑装饰材料,如图1所示,不仅应当满足建筑设计时所需求的各种功能,还应当具有良好的稳定性与耐用性,常年经受风吹日晒都不会有明显变化。

品质良好的超白U型玻璃
图1 品质良好的超白U型玻璃

然而如今国内一些U玻品质并非都尽如人意,在使用几年后颜色会有明显的变化,如图2、图3所示。

某厂家老化后变色的U玻
图2 某厂家老化后变色的U玻

某厂家老化后变色的U玻
图3 某厂家老化后变色的U玻

图4所示为原片与老化的U玻放在一起,对比鲜明。

超白U玻与某厂家老化变色U玻对比
图4 超白U玻与某厂家老化变色U玻对比

那么U型玻璃为什么会变色呢?为了得到准确的答案,我们对几种U型玻璃进行了检测。在检测之前,首先我们需要理清以下几个概念:
 
一、 基本概念

1. 物体呈现颜色的原因

自然界的物体根据其自身能否发光,可划分为发光体与不发光体两大类。而不发光物体又分为透明体和不透明体。不透明体的颜色是由它反射的色光决定的;透明体的颜色是由它透过的色光决定的。U型玻璃属于透明体。假如我们看到一片U型玻璃呈现出绿色,是因为它吸收了红光和蓝光,最后绿光进入了我们的眼球。
 
光的反射、吸收与透射
图5 光的反射、吸收与透射

日常生活中最常见的光源便是太阳。众所周知,太阳光谱分为可见光与不可见光两个部分。可见光的波长为380~780nm,如图6所示,散射后分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色;而不可见光则分为两种,波长大于红光的叫红外线,波长小于紫光的叫紫外线。我们的肉眼只能捕捉到可见光,
 
可见光谱
图6 可见光谱
前面说到,一块U玻的颜色取决于这块U玻透射出的可见光的颜色。那么,又是什么决定了U玻透射出的可见光的颜色呢?这还要从U玻的成分说起。不同成分的玻璃颜色不同,比如图7中的普通玻璃与超白玻璃。
 
普通玻璃与超白玻璃
图7 普通玻璃与超白玻璃
2. U玻的成分与老化原因
 
在工业生产中,U玻的主要原料砂子中含有一定量的铁元素,亚铁离子(Fe2+)会吸收蓝色波段和红色波段的可见光,从而让更多的绿光透过,便会导致这样生产出来的U玻偏绿色。为了弥补铁含量过高对玻璃的影响,一些厂家会在原料中加入稀土氧化剂(二氧化铈),但是这会让玻璃呈现黄色调。为了综合稀土带来的黄绿色,又要加入硒、铷或锰等化合物,它们在U玻中都能产生紫色或紫红色,正好互补黄色调[1]。经过这番调整,玻璃已不是理想中的“无色透镜”,而是呈现“白雾色”。虽然这样生产出来的U玻不再偏绿,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,更严重的问题是,稀土氧化剂会在太阳紫外线的作用下产生曝晒作用,如果作为建筑玻璃幕墙、外墙使用,U玻在1~2年之内就会发生色变,并且失去原有的光泽。由于建筑玻璃幕墙各处受太阳光照的程度不一样,曝晒几年后就会出现同一幕墙色差的情况。
 
 “曝晒作用(Solarization)是一种物理现象,指的是当材料被高能电磁波辐射时,颜色会发生改变。常见的高能电磁波有紫外线和X射线,而常见的会发生曝晒作用的材料有玻璃与塑料。”——《维基百科》
 
3.为什么浮法玻璃不会发生色变?
 
由于建筑幕墙大多采用普白浮法玻璃,不必在玻璃原料中加入氧化剂,因此不存在氧化剂在紫外线作用下化合价变化的情况。而超白浮法玻璃基本由大型浮法玻璃厂家生产,不会加入廉价氧化剂或漂白剂,因此也罕有曝晒后色变的情况。而个别U型玻璃厂家为了节省原料成本,加入廉价玻璃漂白剂,玻璃色变就在所难免了。
 
二、 U玻老化试验
 
为了进一步验证玻璃色变的问题,我们对市面上的U型玻璃作了测试。本次实验U玻老化实验有两个关键点,一个是需要通过紫外耐候试验箱来实现曝晒作用,将不同厂家的U玻样片进行老化,另一个是通过专用的光度计分别在初始时与老化后来测得不同波长的可见光在各块U玻上的透光率。
 
我们采用了三种U玻的样品,除了阿普尔顿生产的U玻(标注为ASG),我们还另外对比了两块市面上其它U玻厂家生产的U玻,分别标注为A与B。我们将三家厂商的U玻各切成两小块,一块作为标样妥善保存,一块放进紫外耐候试验箱中,经过一定时间的加速老化后,再利用光度计测量透光率,最终得到了可以反映出U玻的老化变色程度。图8所示为
 
编号为A的U玻老化实验前后对比图
图8 编号为A的U玻老化实验前后对比图
 
1. 紫外耐候试验箱
 
本次实验采用313灯管式紫外耐候试验箱,如图9所示,具备UVB-313紫外线灯管2支,UVB-313灯管发出的短波紫外光比通常照射在地球表面的太阳紫外线强烈,从而可以最大程度的加速材料老化,每24小时所照射的紫外光量等于室外环境3个月所照射的紫外光量,以此类推,我们分别对玻璃照射了480小时与960小时,来模拟5年以及10年后U玻的老化状况。
 
紫外耐候试验箱
图9 紫外耐候试验箱

2. 岛津紫外可见近红外分光光度计SolidSpec-3700/3700DUV
 
本次实验采用岛津紫外可见近红外分光光度计SolidSpec-3700/3700DUV,如图5所示。岛津作为世界上最主要的光谱仪器制造商,所开发的紫外可见红外分光光度计SolidSpec-3700/3700DUV拥有十分宽广的测试范围,并且SolidSpec-3700/3700DUV以积分球作为检测单元,首次集成3个检测器在积分球上,大大增强了测定精度。
岛津紫外可见近红外分光光度计
图10 岛津紫外可见近红外分光光度计
三、 实验数据处理

按照如上所述进行960小时老化实验后,我们可以绘制出以下透光率曲线图。蓝色曲线为ASG所产U玻,黄色与灰色曲线则为A与B两家U玻厂商所生产的U玻。
 
由表1可见,ASG整体透光率最好,A次之,B最差。同时不难看出,B玻璃红色波段的透光率明显低于蓝绿色波段,因此这块玻璃看上去会明显偏蓝绿色
表1
由表1可见,ASG整体透光率最好,A次之,B最差。同时不难看出,B玻璃红色波段的透光率明显低于蓝绿色波段,因此这块玻璃看上去会明显偏蓝绿色。
 
5年透光率对比
表2
由表2可看出,经过五年的紫外线照射后,ASG整体透光率依旧最好,色变也较小,而A与B两家的U玻来看,紫色附近波段的可见光透光率下降明显,这样便会导致U玻变色,呈现出暗淡的黄褐色。
10年透光率对比
表3
如表3所示,十年之后变化则更为明显,紫外线波长附近的可见光在透过A的U玻时透光率甚至下降到了图表之外。这样一来U玻颜色的改变必然会更加明显。
 
我们不妨做一次数据对比,计算出每一块玻璃经过老化试验后透光率下降的差值,再绘制成图标,这样就能直观地看出每一块玻璃在老化后透光率相对原来发生了多少变化。
5年透光率对比
表4
表4为经过五年的老化实验后U玻透光率变化值所绘制的曲线,不难看出ASG的U玻透光率变化是其中最小的,而A的变动最大,尤其是在紫色可见光附近的变动,是其他波段变化值的十几倍。
10年透光率对比
表5
 
在经过十年老化后,表5所示三块U玻透光率变动与表4类似,ASG依旧变动最小,而A依旧变动最大。不妨将A相关曲线画在一张表里,如表6,可见编号为A的U玻在曝晒5年后透光率下降就已经十分显著,尤其是紫色可见光附近波段的光线透光率呈断崖式下降,这样一来U玻变色必然会非常明显。
A透光率对比
表6

三、 实验总结
综上,我们不难发现,不同厂家所生产的U玻在刚出厂时的主要差别在于透光率,品质好的U玻透光率高,晶莹通透,品质差的U玻则看起来像是蒙了一层白雾,透明度并不理想。而在经过多年的太阳光照射后透光率会发生不同程度的变化,变化值越大则玻璃的颜色改变越明显,因此在选用玻璃之初,不仅要考虑到眼前玻璃的颜色,还应当对多年后玻璃的状况有一个恰当的评估。
 
参考文献
 
[1]李梅,张晓伟,柳召刚,胡艳宏,杜长顺 .氧化铈在玻璃中的应用.《稀土》 , 2011 , 32 (3) :80-85