為什麼有些U型玻璃曝曬以後會(huì)變色？
2019-09-02
U型玻璃作為一種十分常見(jiàn)的建築裝飾材料，如圖1所示，不僅應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足建築設(shè)計(jì)時(shí)所需求的各種功能，還應(yīng)當(dāng)具有良好的穩(wěn)定性與耐用性，常年經(jīng)受風(fēng)吹日曬都不會(huì)有明顯變化。
然而如今國(guó)內(nèi)一些U玻品質(zhì)並非都盡如人意，在使用幾年後顏色會(huì)有明顯的變化，如圖2、圖3所示。
圖2 某廠(chǎng)家老化後變色的U玻
圖4所示為原片與老化的U玻放在一起，對(duì)比鮮明。
圖4 超白U玻與某廠(chǎng)家老化變色U玻對(duì)比
那麼U型玻璃為什麼會(huì)變色呢？為了得到準(zhǔn)確的答案，我們對(duì)幾種U型玻璃進(jìn)行了檢測(cè)。在檢測(cè)之前，首先我們需要理清以下幾個(gè)概念：
一、 基本概念
1. 物體呈現(xiàn)顏色的原因
自然界的物體根據(jù)其自身能否發(fā)光，可劃(huà)分為發(fā)光體與不發(fā)光體兩(liǎng)大類(lèi)。而不發(fā)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(guò)的色光決定的。U型玻璃屬於透明體。假如我們看到一片U型玻璃呈現(xiàn)出綠色，是因為它吸收了紅光和藍(lán)光，最後綠光進(jìn)入了我們的眼球。
圖5 光的反射、吸收與透射
日常生活中最常見(jiàn)的光源便是太陽。眾所周知，太陽光譜分為可見(jiàn)光與不可見(jiàn)光兩(liǎng)個(gè)部分。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為380～780nm，如圖6所示，散射後分為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色；而不可見(jiàn)光則分為兩(liǎng)種，波長(zhǎng)大於紅光的叫紅外線(xiàn )，波長(zhǎng)小於紫光的叫紫外線(xiàn )。我們的肉眼只能捕捉到可見(jiàn)光，
圖6 可見(jiàn)光譜
圖7 普通玻璃與超白玻璃
在工業(yè)生產(chǎn)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(huì)吸收藍(lán)色波段和紅色波段的可見(jiàn)光，從而讓更多的綠光透過(guò)，便會(huì)導(dǎo )致這樣生產(chǎn)出來(lái)的U玻偏綠色。為了彌補鐵含量過(guò)高對(duì)玻璃的影響，一些廠(chǎng)家會(huì)在原料中加入稀土氧化劑（二氧化鈰），但是這會(huì)讓玻璃呈現(xiàn)黃色調(diào)。為了綜合稀土帶來(lái)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(chǎn)生紫色或紫紅色，正好互補黃色調(diào)[1]。經(jīng)過(guò)這番調(diào)整，玻璃已不是理想中的“無(wú)色透鏡”，而是呈現(xiàn)“白霧色”。雖然這樣生產(chǎn)出來(lái)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(yán)重的問(wèn)題是，稀土氧化劑會(huì)在太陽紫外線(xiàn )的作用下產(chǎn)生曝曬作用，如果作為建築玻璃幕牆、外牆使用，U玻在1~2年之內(nèi)就會(huì)發(fā)生色變，並且失去原有的光澤。由於建築玻璃幕牆各處受太陽光照的程度不一樣，曝曬幾年後就會(huì)出現(xiàn)同一幕牆色差的情況。
“曝曬作用（Solarization）是一種物理現(xiàn)象，指的是當(dāng)材料被高能電磁波輻射時(shí)，顏色會(huì)發(fā)生改變。常見(jiàn)的高能電磁波有紫外線(xiàn )和X射線(xiàn )，而常見(jiàn)的會(huì)發(fā)生曝曬作用的材料有玻璃與塑料。”——《維基百科》
3.為什麼浮法玻璃不會(huì)發(fā)生色變？
由於建築幕牆大多採用普白浮法玻璃，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(xiàn )作用下化合價(jià)變化的情況。而超白浮法玻璃基本由大型浮法玻璃廠(chǎng)家生產(chǎn)，不會(huì)加入廉價(jià)氧化劑或漂白劑，因此也罕有曝曬後色變的情況。而個(gè)別U型玻璃廠(chǎng)家為了節(jié)省原料成本，加入廉價(jià)玻璃漂白劑，玻璃色變就在所難免了。
二、 U玻老化試驗(yàn)
為了進(jìn)一步驗(yàn)證玻璃色變的問(wèn)題，我們對(duì)市面上的U型玻璃作了測(cè)試。本次實(shí)驗(yàn)U玻老化實(shí)驗(yàn)有兩(liǎng)個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一個(gè)是需要通過(guò)紫外耐候試驗(yàn)箱來(lái)實(shí)現(xiàn)曝曬作用，將不同廠(chǎng)家的U玻樣片進(jìn)行老化，另一個(gè)是通過(guò)專(zhuān)用的光度計(jì)分別在初始時(shí)與老化後來(lái)測(cè)得不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光在各塊U玻上的透光率。
我們採用了三種U玻的樣品，除了阿普爾頓生產(chǎn)的U玻（標(biāo)註為ASG），我們還另外對(duì)比了兩(liǎng)塊市面上其它U玻廠(chǎng)家生產(chǎn)的U玻，分別標(biāo)註為A與B。我們將三家廠(chǎng)商的U玻各切成兩(liǎng)小塊，一塊作為標(biāo)樣妥善保存，一塊放進(jìn)紫外耐候試驗(yàn)箱中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的加速老化後，再利用光度計(jì)測(cè)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
本次實(shí)驗(yàn)採用313燈管式紫外耐候試驗(yàn)箱，如圖9所示，具備UVB-313紫外線(xiàn )燈管2支，UVB-313燈管發(fā)出的短波紫外光比通常照射在地球表面的太陽紫外線(xiàn )強(qiáng)烈，從而可以最大程度的加速材料老化，每24小時(shí)所照射的紫外光量等於室外環(huán)境3個(gè)月所照射的紫外光量，以此類(lèi)推，我們分別對(duì)玻璃照射了480小時(shí)與960小時(shí)，來(lái)模擬5年以及10年後U玻的老化狀況。
圖9 紫外耐候試驗(yàn)箱
2. 島津紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)SolidSpec-3700/3700DUV
本次實(shí)驗(yàn)採用島津紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)SolidSpec-3700/3700DUV，如圖5所示。島津作為世界上最主要的光譜儀器製造商，所開(kāi)發(fā)的紫外可見(jiàn)紅外分光光度計(jì)SolidSpec-3700/3700DUV擁有十分寬廣(guǎng)的測(cè)試範圍，並且SolidSpec-3700/3700DUV以積分球作為檢測(cè)單元，首次集成3個(gè)檢測(cè)器在積分球上，大大增強(qiáng)了測(cè)定精度。
圖10 島津紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)
表1
表2
表3
表4
表5
表6
三、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)
圖1 品質(zhì)良好的超白U型玻璃
然而如今國(guó)內(nèi)一些U玻品質(zhì)並非都盡如人意，在使用幾年後顏色會(huì)有明顯的變化，如圖2、圖3所示。
圖2 某廠(chǎng)家老化後變色的U玻
圖3 某廠(chǎng)家老化後變色的U玻
圖4所示為原片與老化的U玻放在一起，對(duì)比鮮明。
圖4 超白U玻與某廠(chǎng)家老化變色U玻對(duì)比
那麼U型玻璃為什麼會(huì)變色呢？為了得到準(zhǔn)確的答案，我們對(duì)幾種U型玻璃進(jìn)行了檢測(cè)。在檢測(cè)之前，首先我們需要理清以下幾個(gè)概念：
一、 基本概念
1. 物體呈現(xiàn)顏色的原因
自然界的物體根據(jù)其自身能否發(fā)光，可劃(huà)分為發(fā)光體與不發(fā)光體兩(liǎng)大類(lèi)。而不發(fā)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(guò)的色光決定的。U型玻璃屬於透明體。假如我們看到一片U型玻璃呈現(xiàn)出綠色，是因為它吸收了紅光和藍(lán)光，最後綠光進(jìn)入了我們的眼球。
圖5 光的反射、吸收與透射
日常生活中最常見(jiàn)的光源便是太陽。眾所周知，太陽光譜分為可見(jiàn)光與不可見(jiàn)光兩(liǎng)個(gè)部分。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為380～780nm，如圖6所示，散射後分為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色；而不可見(jiàn)光則分為兩(liǎng)種，波長(zhǎng)大於紅光的叫紅外線(xiàn )，波長(zhǎng)小於紫光的叫紫外線(xiàn )。我們的肉眼只能捕捉到可見(jiàn)光，
圖6 可見(jiàn)光譜
前面說(shuō)到，一塊U玻的顏色取決於這塊U玻透射出的可見(jiàn)光的顏色。那麼，又是什麼決定了U玻透射出的可見(jiàn)光的顏色呢？這還要從U玻的成分說(shuō)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。
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(yè)生產(chǎn)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(huì)吸收藍(lán)色波段和紅色波段的可見(jiàn)光，從而讓更多的綠光透過(guò)，便會(huì)導(dǎo )致這樣生產(chǎn)出來(lái)的U玻偏綠色。為了彌補鐵含量過(guò)高對(duì)玻璃的影響，一些廠(chǎng)家會(huì)在原料中加入稀土氧化劑（二氧化鈰），但是這會(huì)讓玻璃呈現(xiàn)黃色調(diào)。為了綜合稀土帶來(lái)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(chǎn)生紫色或紫紅色，正好互補黃色調(diào)[1]。經(jīng)過(guò)這番調(diào)整，玻璃已不是理想中的“無(wú)色透鏡”，而是呈現(xiàn)“白霧色”。雖然這樣生產(chǎn)出來(lái)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(yán)重的問(wèn)題是，稀土氧化劑會(huì)在太陽紫外線(xiàn )的作用下產(chǎn)生曝曬作用，如果作為建築玻璃幕牆、外牆使用，U玻在1~2年之內(nèi)就會(huì)發(fā)生色變，並且失去原有的光澤。由於建築玻璃幕牆各處受太陽光照的程度不一樣，曝曬幾年後就會(huì)出現(xiàn)同一幕牆色差的情況。
“曝曬作用（Solarization）是一種物理現(xiàn)象，指的是當(dāng)材料被高能電磁波輻射時(shí)，顏色會(huì)發(fā)生改變。常見(jiàn)的高能電磁波有紫外線(xiàn )和X射線(xiàn )，而常見(jiàn)的會(huì)發(fā)生曝曬作用的材料有玻璃與塑料。”——《維基百科》
3.為什麼浮法玻璃不會(huì)發(fā)生色變？
由於建築幕牆大多採用普白浮法玻璃，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(xiàn )作用下化合價(jià)變化的情況。而超白浮法玻璃基本由大型浮法玻璃廠(chǎng)家生產(chǎn)，不會(huì)加入廉價(jià)氧化劑或漂白劑，因此也罕有曝曬後色變的情況。而個(gè)別U型玻璃廠(chǎng)家為了節(jié)省原料成本，加入廉價(jià)玻璃漂白劑，玻璃色變就在所難免了。
二、 U玻老化試驗(yàn)
為了進(jìn)一步驗(yàn)證玻璃色變的問(wèn)題，我們對(duì)市面上的U型玻璃作了測(cè)試。本次實(shí)驗(yàn)U玻老化實(shí)驗(yàn)有兩(liǎng)個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一個(gè)是需要通過(guò)紫外耐候試驗(yàn)箱來(lái)實(shí)現(xiàn)曝曬作用，將不同廠(chǎng)家的U玻樣片進(jìn)行老化，另一個(gè)是通過(guò)專(zhuān)用的光度計(jì)分別在初始時(shí)與老化後來(lái)測(cè)得不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光在各塊U玻上的透光率。
我們採用了三種U玻的樣品，除了阿普爾頓生產(chǎn)的U玻（標(biāo)註為ASG），我們還另外對(duì)比了兩(liǎng)塊市面上其它U玻廠(chǎng)家生產(chǎn)的U玻，分別標(biāo)註為A與B。我們將三家廠(chǎng)商的U玻各切成兩(liǎng)小塊，一塊作為標(biāo)樣妥善保存，一塊放進(jìn)紫外耐候試驗(yàn)箱中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的加速老化後，再利用光度計(jì)測(cè)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
圖8 編號(hào)為A的U玻老化實(shí)驗(yàn)前後對(duì)比圖
1. 紫外耐候試驗(yàn)箱
本次實(shí)驗(yàn)採用313燈管式紫外耐候試驗(yàn)箱，如圖9所示，具備UVB-313紫外線(xiàn )燈管2支，UVB-313燈管發(fā)出的短波紫外光比通常照射在地球表面的太陽紫外線(xiàn )強(qiáng)烈，從而可以最大程度的加速材料老化，每24小時(shí)所照射的紫外光量等於室外環(huán)境3個(gè)月所照射的紫外光量，以此類(lèi)推，我們分別對(duì)玻璃照射了480小時(shí)與960小時(shí)，來(lái)模擬5年以及10年後U玻的老化狀況。
圖9 紫外耐候試驗(yàn)箱
2. 島津紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)SolidSpec-3700/3700DUV
本次實(shí)驗(yàn)採用島津紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)SolidSpec-3700/3700DUV，如圖5所示。島津作為世界上最主要的光譜儀器製造商，所開(kāi)發(fā)的紫外可見(jiàn)紅外分光光度計(jì)SolidSpec-3700/3700DUV擁有十分寬廣(guǎng)的測(cè)試範圍，並且SolidSpec-3700/3700DUV以積分球作為檢測(cè)單元，首次集成3個(gè)檢測(cè)器在積分球上，大大增強(qiáng)了測(cè)定精度。
圖10 島津紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)
三、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
按照如上所述進(jìn)行960小時(shí)老化實(shí)驗(yàn)後，我們可以繪製出以下透光率曲線(xiàn )圖。藍(lán)色曲線(xiàn )為ASG所產(chǎn)U玻，黃色與灰色曲線(xiàn )則為A與B兩(liǎng)家U玻廠(chǎng)商所生產(chǎn)的U玻。
按照如上所述進(jìn)行960小時(shí)老化實(shí)驗(yàn)後，我們可以繪製出以下透光率曲線(xiàn )圖。藍(lán)色曲線(xiàn )為ASG所產(chǎn)U玻，黃色與灰色曲線(xiàn )則為A與B兩(liǎng)家U玻廠(chǎng)商所生產(chǎn)的U玻。
表1
由表1可見(jiàn)，ASG整體透光率最好，A次之，B最差。同時(shí)不難看出，B玻璃紅色波段的透光率明顯低於藍(lán)綠色波段，因此這塊玻璃看上去會(huì)明顯偏藍(lán)綠色。
表2
由表2可看出，經(jīng)過(guò)五年的紫外線(xiàn )照射後，ASG整體透光率依舊最好，色變也較小，而A與B兩(liǎng)家的U玻來(lái)看，紫色附近波段的可見(jiàn)光透光率下降明顯，這樣便會(huì)導(dǎo )致U玻變色，呈現(xiàn)出暗淡的黃褐色。
表3
如表3所示，十年之後變化則更為明顯，紫外線(xiàn )波長(zhǎng)附近的可見(jiàn)光在透過(guò)A的U玻時(shí)透光率甚至下降到了圖表之外。這樣一來(lái)U玻顏色的改變必然會(huì)更加明顯。
我們不妨做一次數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算出每一塊玻璃經(jīng)過(guò)老化試驗(yàn)後透光率下降的差值，再繪製成圖標(biāo)，這樣就能直觀(guān)地看出每一塊玻璃在老化後透光率相對(duì)原來(lái)發(fā)生了多少變化。
我們不妨做一次數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算出每一塊玻璃經(jīng)過(guò)老化試驗(yàn)後透光率下降的差值，再繪製成圖標(biāo)，這樣就能直觀(guān)地看出每一塊玻璃在老化後透光率相對(duì)原來(lái)發(fā)生了多少變化。
表4
表4為經(jīng)過(guò)五年的老化實(shí)驗(yàn)後U玻透光率變化值所繪製的曲線(xiàn )，不難看出ASG的U玻透光率變化是其中最小的，而A的變動(dòng)最大，尤其是在紫色可見(jiàn)光附近的變動(dòng)，是其他波段變化值的十幾倍。
表5
在經(jīng)過(guò)十年老化後，表5所示三塊U玻透光率變動(dòng)與表4類(lèi)似，ASG依舊變動(dòng)最小，而A依舊變動(dòng)最大。不妨將A相關(guān)曲線(xiàn )畫在一張表裡，如表6，可見(jiàn)編號(hào)為A的U玻在曝曬5年後透光率下降就已經(jīng)十分顯著，尤其是紫色可見(jiàn)光附近波段的光線(xiàn )透光率呈斷崖式下降，這樣一來(lái)U玻變色必然會(huì)非常明顯。
表6
三、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)
綜上，我們不難發(fā)現(xiàn)，不同廠(chǎng)家所生產(chǎn)的U玻在剛出廠(chǎng)時(shí)的主要差別在於透光率，品質(zhì)好的U玻透光率高，晶瑩通透，品質(zhì)差的U玻則看起來(lái)像是蒙了一層白霧，透明度並不理想。而在經(jīng)過(guò)多年的太陽光照射後透光率會(huì)發(fā)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(yīng)當(dāng)對(duì)多年後玻璃的狀況有一個(gè)恰當(dāng)的評(píng)估。
參考文獻(xiàn)
[1]李梅，張曉偉，柳召剛，胡豔宏，杜長(zhǎng)順 .氧化鈰在玻璃中的應(yīng)用.《稀土》 , 2011 , 32 (3) :80-85
參考文獻(xiàn)
[1]李梅，張曉偉，柳召剛，胡豔宏，杜長(zhǎng)順 .氧化鈰在玻璃中的應(yīng)用.《稀土》 , 2011 , 32 (3) :80-85
