Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
12.6 Функциональные покрытия на листовом стекле Максимальное использование помещений для естественного освещения солнечным светом и создание комфортного внутреннего режима привело к тому, что большинство современных зданий имеет площадь остекления до 70…80 %. В связи с этим существенно возросла потребность в стеклах с различными эксплуатационными свойствами. Создание стекол с модифицированной поверхностью, на основе листо- вого стекла связано с большими возможностями варьирования их свойствами в сочетании с экономической эффективностью не только непрерывного про- изводства, но и промпереработки небольшими партиями. Достичь этого можно двумя путями: окраской в массе и различного ро- да покрытиями, причем второй способ – более экономически выгоден. Новая линия зарубежных разработок – это трех- и более слойные по- крытия. Накладываемые один на другой слои покрытия придают мульти- функциональное назначение полученным покрытиям: отражающие, антибли- ковые, подогревающие, встроенные прозрачные антенны для радиоприемни- ков и сотовых телефонов. Разработаны такие методы модифицирования поверхности стекла, как термохимическая обработка газовыми реагентами, нанесение защитных пле- ночных покрытий по методу золь-гель технологии и нанесение теплозащит- ных покрытий путем катодного напыления различных металлов в вакууме. Оксидные золь - гель покрытия – это аморфные материалы, по своей при- роде близкие к стеклу. Однако их чрезвычайно малая толщина (до сотен анг- стрем), наличие пор, низкая температура синтеза и диффузионные процессы, протекающие на границе раздела «покрытие-стекло», вносят существенное различие в формировании структуры. Осуществление золь-гель процессов по алкоксидной технологии очень разнообразно: от формирования порошков и пленок SiO 2 из пленкообразующих растворов (ПОР) до легирования стекло- видной пленки оксида кремния примесями B, P, Sb, As, Zn, Co и оксидами различных металлов. Разработаны и запатентованы различные установки, и способы для нанесения на поверхность листового стекла модифицирующих покрытий. Улучшение физико-механических характеристик поверхности и уве- личение прочности может быть достигнуто за счет нанесения различных по- лимерных жидкостей (лаки, эпоксидные смолы, кремнийорганические со- единения и т.д.), а также закалкой в охлаждающей ферромагнитной жидкости или термохимическим модифицированием и реакцией ионного обмена в про- цессе выработки стекла. В основе упрочнения поверхности листового стекла ионным обменом лежит процесс их диффузии, приводящий к изменению химического состава и свойств поверхности за счет введения новых ионов из растворов и распла- вов. Интенсифицировать процесс ионного обмена можно различными спосо- бами: подбором химического состава стекла, температурно-временных усло- 280 вий, состава солевой ванны, обработкой в электрическом поле постоянного или переменного тока и в полях высокотемпературных энергий (плазменно- электронная обработка). Интерес к кремнийорганическим жидкостям постоянно растет, так как по- крытия на их основе обладают широким спектром функциональных свойств – от упрочняющего и декоративного до управляемого светорассеивания, био- защитного и защитного от электромагнитного излучения. Использование кремнийорганических соединений для улучшения свойств стекла, в частно- сти гидрофобных, основано на образовании полиорганосилоксановой пленки на его поверхности. Сущность способа получения цветного покрытия сво- дится к двухстадийной прививке соединений: сначала к поверхности стекла, а затем основного органического красителя. Появление так называемых «умных» окон напрямую связано со свой- ствами функциональных красителей обратимо менять свой цвет и свойства в за- висимости от каких-либо внешних факторов: света (фотохромы, стекла- «хамелеоны»), тепла (термохромы), электрического поля (электрохромы, противоослепляющие зеркала) и радиоактивного излучения (радиохромы, стекла в дозиметрах). Отечественные ученые разработали высокоэффектив- ную композицию с электрическим управляемым светорассеиванием на осно- ве стекла, жидких кристаллов и полимерных слоев. Область применения та- ких покрытий – от защиты от электромагнитного излучения до энергосбере- гающих и незамерзающих композиций различного направления (ООО «Наукоемкие технологии, Орел и Государственный институт стекла, Москва). Пропускание пленок определяется их поглощением и отражением. По- глощение для бесцветных пленок (токопроводящих и теплопроводящих) не- значительно: в видимой части спектра всего 1…3 %; в инфракрасной же оно растет пропорционально проводимости. Наиболее эффективными для защи- ты от солнечной радиации являются теплоотражающие стекла с прозрачны- ми покрытиями, которые нагреваются в меньшей степени. По химическому составу пленочные покрытия делятся: на оксидно- металлические, полимерные и кремнийорганические. Основные свойства, к которым относятся оптические, электрические и прочностные характеристи- ки, присущи также подавляющему большинству оксидно-металлических пленочных покрытий (таблица 52). Из таблицы видно, что пленки на основе многих оксидов характеризу- ются полифункциональными свойствами. Так, оксидно-оловянные покрытия и составы на их основе обладают не только различными спектральными ха- рактеристиками, но и являются упрочняющими и токопроводящими. Таблица 52 – Оксиды, модифицирующие поверхность стекла Модифицирующие оксиды и металлы Области применения 281 SnO 2 (б/цв), Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Fe 2 O 3 (Sn), CuO 2 , Co 3 O 4 Поглощение УФ-радиации солнца SnO 2 (Sb), Cr 2 O 3 , (Fe 2 O 3· FeO ), SnO 2 (Bi) Избирательное пропускание в видимой об- ласти спектра (цветные, тонированные) SnO 2 (Sb), Fe 2 O 3 , FeO, Co 3 O 4 Задерживающие часть тепловой радиации солнца (теплозащитные) SnO 2 (Sb), SnO 2 (N,F), Au, Ag, Cu, Ni, SiO 2 Отражающие длинноволновую ИК- радиацию (теплоотражающие) TiO 2 (б/цв), Fe 2 O 3 , CuO, Co 3 O 4 , Al 2 O 3 , GeO 2 , ThO 2 , WO 3 Высокое отражение в видимой области (зеркала и полупрозрачные зеркала) SnO 2 (Sb), SnO 2 (N,F), In 2 O 3 , In 2 O 3 (SnF), ZnO, ZnO (In), МоО 3 , V 2 O 5 , WО 3 Токопроводящие, радиозащитные, предо- храняющие от электромагнитного излуче- ния Стекла , устойчивые к радиоактивным излучениям , получают из шихты специального состава. Для поглощения рентгеновских и гамма-лучей исполь- зуют оптические стекла с высоким содержанием свинца и бора. Тяжелое свинцовое стекло с плотностью 6200 кг/м 3 , содержащее 80 % окиси свинца, по своей защитной способности от гамма-излучения эквивалентно стали. Стекла, поглощающие медленные нейтроны, должны содержать один из сле- дующих оксидов: оксид бора, оксид кадмия и др. Стекла, устойчивые к дей- ствию радиоактивных излучений, применяют при сооружении атомных элек- тростанций и предприятий по изготовлению изотопов. Энергосберегающее стекло. Теплоизоляция в зимний период является наиболее важной функцией стекол для большинства регионов России. Поте- ри тепла через стекло складываются из теплопроводности, конвекции и теп- лового излучения. Для уменьшения по- терь тепла от теплопроводности и кон- векции применяют двойное остекление (стеклопакеты), но это дает лишь незна- чительный эффект, так как основные теплопотери происходят за счет теплово- го излучения. Для борьбы с этим разра- ботаны так называемые энергосберегаю- щие стекла (рисунок 208). Рисунок 208 – Энергосберегающее стекло Придание энергосберегающих свойств стеклу связано с нанесением на его поверхность низкоэмиссионных оптических покрытий, а само стекло с таким покрытием получило название низкоэмиссионного. Эти покрытия обеспечивают прохождение в помещение коротковолнового солнечного излучения, но препятствуют выходу из поме- щения длинноволнового теплового излучения, например от отопительного 282 прибора (поэтому стекла с низкоэмиссионными покрытиями также называют селективными стеклами). Характеристикой энергосбережения является излучательная способ- ность стекла. Под излучательной способностью стекла (эмиссией) понимают способность стеклянной поверхности отражать длинноволновое, не видимое человеческим глазом тепловое излучение, длина волны которого меньше 16000 Нм. Эмисситет поверхности (Е) определяет излучательную способ- ность стекла (у обычного стекла Е составляет 0,83, а у селективных меньше – 0,04) и, следовательно, возможность как бы "отражать" обратно в помещение свыше 90 % тепловой энергии. Следовательно, чем ниже эмисситет, тем меньше потери тепла. Причина возникновения излучения кроется в движении свободных элек- тронов атомов, находящихся на поверхности стекла, и плотности движущих- ся электронов. Далеко не все металлы, хорошо проводящие электрический ток, обладают свойством отражать длинноволновое тепловое излучение. В настоящее время для этих целей используется два типа покрытий: так называемое К-стекло (Low-E) – "твердое" покрытие, и I-стекло (Double Low- E) – "мягкое" покрытие. Первым шагом в выпуске энергосберегающего стекла явилось произ- водство К-стекла. Для придания флоат стеклу теплосберегающих свойств непосредственно при изготовлении на его поверхности методом химической реакции при высокой температуре (метод пиролиза) создается тонкий слой из оксидов металлов InSnO 2 , который является прозрачным и в то же время об- ладает электропроводностью. Известно, что электропроводность напрямую связана с излучательной способностью Е- поверхности (К-стекла обычно около 0,2). Следующим значительным шагом в производстве теплосберегающих стекол стал выпуск так называемого I-стекла, которое по своим теплосбере- гающим свойствам в 1,5 раза превосходит К-стекло. Различие между К- стеклом и I-стеклом заключается в коэффициенте излучательной способно- сти, а также технологии его получения. I-стекло производится высоковакуумным оборудованием с системой магнетронного распыления и представляет собой тройственную (или более) структуру из чередующихся слоев серебра диэлектрика (BiO, Ag, TiO 2 и т.п.). Основным недостатком I-стекол является их пониженная, по сравнению с К- стеклом, абразивная стойкость, что представляет некоторое неудобство при их транспортировке, но, учитывая, что такое покрытие находится внутри стеклопакета, это не сказывается на его эксплуатационных свойствах. Необходимо также обратить внимание, что при работе с К-стеклом и I- стеклом требуется зачистка (т.е. снятие) покрытия в месте контакта дистан- ционной рамки и стекла. Это необходимо для предотвращения коррозии по- крытия вдоль поверхности в процессе эксплуатации, а также для увеличения адгезии бутила к стеклу. 283 Основная область применения стекол – использование их в составе стек- лопакетов, теплосберегающие свойства которых во многом определяются па- раметрами покрытия на стекле. Зимой энергосберегающие стекла сохраняют тепло, летом – прохладу. Подсчитано: благодаря этим стеклам удается сокра- тить расходы электроэнергии примерно на 30 %, что позволяет избежать гло- бального потепления. Стекло с рефлекторным покрытием придает стеклу, с одной стороны, солнцезащитные свойства, цвет и зеркальность, а зданиям – респектабель- ность и солидность, а с другой – зеркальные стекла тщательно скрывают «внутренности» дома. Производит такие стекла ОАО «Саратовский институт стекла» (ОАО «СИС») по технологии фирмы BOC Coating Technologу (США). В ка- честве основы для нанесения рефлекторного покрытия применяют флоат стекло марки М1 производства ОАО «Борский стекольный завод», листовое светотеплозащитное бронзовое стекло производства ОАО «СИС», а также прозрачное и суперпрозрачное флоат стекло размером 6х3,2 м, толщиной 3…25 мм и флоат стекло, окрашенное в массе (зеленое, серое, голубое и бронзовое), – толщиной 3…12 мм (Jumbo). Рефлекторное стекло выпускается толщиной 4,5 и 6 до 12 мм. Стандартные размеры бесцветного стекла – 2,25х 1,605 м, «бронза» – 2,5х1,6 и 2,2х1,6 м. Возможно изготовление стекла не- стандартных размеров, а также закаленного рефлекторного стекла (таблица 53). Таблица 53 – Краткая характеристика стекол с рефлекторным покрытием Тип покрытия Пропускание света, % Отражение света со стороны стекла, % Цвет/оттенок со сто- роны стекла DB-8 DBL-8 DBL-20 DBL-35 SN-20 Т-40 Т-30 8 8 20 35 20 40 30 27,5 23 14 7 23 10 15 Зелено-бронзовый Голубой Синий Фиолетовый Нейтрально-серый Серо-голубой Голубой Ламинированное стекло – это архитектурное стекло, состоящее из двух или более стекол. Технология его изготовления примерно следующая. Между двумя листами стекла укладывают эластичную пленку (бутафол) и помещают в автоклав. При температуре выше 100 о С пленка размягчается и, как клей, соединяет два листа. Прочность такого стекла на удар в 12 раз пре- вышает прочность обычного листового стекла. При разрушении ламиниро- ванное стекло не рассыпается благодаря ламинированной пленке, т.е. оскол- ки остаются прикрепленными к ней. Ламинированное стекло обеспечивает 284 также лучшую звукоизоляцию помещений, так как многослойное стекло спо- собно эффективно снижать воздействие нежелательных шумов. Разными видами ламинирующих пленок можно обеспечить практически любое тонирование стекла. Эти пленки могут быть токопроводящей и радио- защитной, теплопоглощающей (голубая) и теплоотражающей (синяя). Вы- пускается пленка поглощающая УФ-лучи (желтая), зеркальная (пленка из ок- сида титана), солнцезащитная (голубая) – из закиси железа, декоративные (зеленая) и т.д. Ламинированные стекла применяются при остеклении фаса- дов, балконов и окон (рисунок 209). Courtaulds Perfomance Films (CPFilms) является крупнейшим и лиди- рующим мировым производителем солн- цезащитной, энергосберегающей, специа- лизированной и защитной (в случае ава- рии, вандализма, взрывов и грабежа или природных бедствий) оконной пленки с главной штаб-квартирой в Мартинсвилле (Virginia USA). Такая оконная пленка устанавливается за рубежом на протяже- нии уже 40 лет. Рисунок 209 – Ламинированное стекло Пожаробезопасное стекло. Во многих случаях остекление строительных конструкций должно быть пожаробезопасным, чтобы соответствовать строитель- ным нормам, требующим ограничивать распространение огня при пожаре и обес- печивать безопасную эвакуацию людей из здания. Помимо применяемого для дан- ных целей армированного стекла, ведущими производителями стекол разработаны также специальные виды пожаробезопасных стекол (рисунок 210). Например, мно- гослойное ламинированное стекло с прозрачными, расширяющимися при воздей- ствии высокой температуры промежуточными слоями. В случае пожара при темпе- ратуре около 120 о С эти слои изменяют свои физические характеристики и стекло превращается в жесткую и непрозрачную защитную конструкцию, позволяющую остеклению сохранять: целостность, т.е. гарантировать отсутствие сквозных тре- щин или отверстий, через которые на защищаемое пространство проникают про- дукты горения или пламя; теплоизолирующую способность, препятствующую пе- редаче тепла на защищаемое пространство излучением. При огневом воздействии на пустотелые стеклянные блоки они начина- ют растрескиваться через 1…2 мин, а через 25 мин после начала огневого воздействия лицевые стенки покрываются трещинами. Рисунок 210 – Пожаробезопасное и армированное стекло 285 286 Но, несмотря на это, стеклоблоки не распадаются на куски, остаются на месте, и в течение ещё получаса панели, собранные из стеклоблоков, выдер- живают без значительных повреждений воздействие огня. По истечении 50 мин огневого воздействия обогреваемые стенки блоков начинают деформи- роваться ввиду размягчения стекла. При дальнейшем нагревании не обогре- ваемые стенки стеклоблоков деформируются и затем проплавляются. Обра- зующиеся при этом сквозные отверстия характеризуют наступление предела огнестойкости конструкции (рисунок 211). Рисунок 211 – Пустотелые стеклянные блоки Рисунок 212 - Огнестойкие стеклоблоки Огнестойкий стеклоблок представляет собой че- тырёхкамерную композицию из пяти слоев силикатного стекла, на четыре из которых нанесена композиция сили- катная огнестойкая КСО-1. Минимальный размер стек- лоблока 250х250 мм, а максимальный – 1000х1500 мм. Гарантийный срок эксплуатации стеклоблока – не менее 15 лет. Огнестойкие стеклоблоки сочетают красоту стекла с пожарной безопасностью (рисунок 212). Электрообогреваемое стекло изготавливается на ос- нове низкоэмиссионного стекла с подключением к нему электрического тока. Это стекло функционирует как теплозеркало, которое пропускает свет, но от- ражает тепло. Таким образом, при подключении к источнику напряжения по- верхность стекла нагревается, что может быть использовано в самых различ- ных целях: снижение циркуляции холодного воздуха в помещениях, увели- чение общей температуры (источник тела), снеготаяние и т.д. В зависимости от применения, диапазон электростекла – от 50 до 600 Вт/м 2 Токопроводящие стекла получают на основе оксидов олова, индия, цин- ка и др. Чаще всего используют пленки оксида олова, модифицированного примесями сурьмы, фосфора, цинка, фтора и др. Эти пленки прозрачные, бесцветные, их удельное поверхностное сопротивление может быть от 10 до 1·10 5 Ом/см 2 и выше, толщина пленки не превышает 1 мкм. Самоочищающееся стекло – это обычное стекло со специальным покры- тием из оксидов титана внешней поверхности стекла, обладающим двойным действием. При попадании на стекло дневного света его покрытие реагирует на свет двумя способами. Во-первых, оно разрушает любые органические от- 287 ложения грязи, и, во-вторых, дождевая вода, стекая вниз по стеклу, смывает разрушенную органическую грязь. Светочувствительные стекла В июле 1947 г. фирма Corning Glass Works объявила о создании светочувствительного стекла. Под этим названием под- разумевают обычные силикатные стекла, которые содержат ингредиенты, способные образовывать после облучения ультрафиолетовыми лучами и по- следующей тепловой обработки фотографическое изображение в стекле. Светочувствительные стекла по своим составам подобны обычным силикат- ным стеклам и отличаются от них только тем, что содержат незначительные добавки: светочувствительных металлов и сенсибилизаторов. Усилители све- точувствительности, в свою очередь, делятся на термовосстанавливающие и оптические стабилизаторы. К термовосстанавливающим стабилизаторам относятся соединения неко- торых поливалентных ионов, например олова и сурьмы, следы которых (око- ло 0,02 %) усиливают способность металла развить окраску в процессе теп- ловой обработки и уменьшают время облучения ультрафиолетовыми лучами, необходимое для получения скрытого изображения, снижая, однако, его контрасность. Введения избыточных количеств термовосстановителей следу- ет избегать, чтобы не вызвать самопроизвольного окрашивания во время вар- ки или выработки стекла. Оптические сенсибилизаторыотличаются от термовосстановителей тем, что светочувствительные эффекты вызываются действием активирую- щих ультрафиолетовых лучей, поглощенных сенсибилизатором. Оптические сенсибилизаторы повышают чувствительность металла к иным длинам волн лучей, поглощенных сенсибилизаторами. Они без потери контрастности ускоряют течение фотографического процесса. Наиболее важным оптиче- ским сенсибилизатором является церий, практическое содержание которого в виде СеО 2 не должно превышать 0,02 %. Введение оптических сенсибилиза- торов в состав светочувствительных стекол позволяет повысить их светочув- ствительность и сократить в десять раз продолжительность облучения уль- трафиолетовым светом, необходимую для образования нормального скрыто- го изображения. Органическое стекло (оргстекло) – это техническое название оптически прозрачных твердых материалов на основе органических полимеров: полиак- рилатов, полистирола, поликарбонатов и сополимеров винилхлорида в со- единении с метилметакрилатом (рисунок 213). Свойства, которыми характеризуется органическое стекло, представ- ляют его как универсальный материал, возможности которого далеко не ограничиваются заменой традиционных материалов. Отсутствие собствен- ной окраски материала обеспечивает очень высокую светопроницаемость (отражается только 8 % падающего света и могут быть использованы остав- шиеся 92 %). В тех случаях, когда такая светопроницаемость представляется нежелательной, может применяться белый или тонированный материал. Для 288 сравнения: обычное (силикатное) оконное стекло пропускает меньше света. Ещё одно преимущество оргстекла заключается в безвредности для здоровья и высокой ударопрочности, которая у оргстекла в 5 раз выше, чем у обычно- го стекла. При одинаковой толщине оргстекло весит в 2 раза меньше, чем си- ликатное стекло, частично пропускает ультрафиолетовые лучи, не желтеет при использовании на улице и не меняет цветовых тонов при использовании в течение многих лет. Просмотр без искажения и оптические свойства дела- ют возможным применение органического стекла во многих областях, кроме того, органическое стекло отличается высокой атмосферостойкостью и стой- костью к старению. Поликарбонату принадлежит и еще три неоспоримые «пальмы первенства». Во-первых, это самый морозостойкий материал среди пластиков. Он может применяться при температурах до минус 50 о С без нагрузки и до минус 40 о С с нагрузкой, в том числе и ударной (что особенно важно). Ударостойкость поликарбоната в 250 раз превышает ударостойкость обычного стекла и почти в 10 раз ударстойкость органического (акрилового) стекла. Во-вторых, поли- карбонат пожаробезопасен, так как это – трудновоспламеняемый самозату- хающий материал. И, в-третьих – самый теплостойкий среди прозрачных пластиков, максимальная температура его эксплуатации плюс 120 о С. Рисунок 213 – Органические стекла Благодаря таким свойствам, как прочность, формуемость, прозрачность и привлекательность материала органическое стекло нашло широкое распро- странение в различных отраслях промышленности. 289 Осветительная техника: световые перекрытия, фонари, осветительные приборы, рассеиватели светильников, бра и других изделий светотехническо- го назначения. Архитектура и строительство: строительство городских зданий, изго- товление дверей, витражей, сводов, перекрытий, перегородок, стеновых па- нелей, ограждений, лестниц, ступеней, звукоизолирующих ограждений, стойки для гостиниц, офисов, почт и банков. В быту: аквариумы любой конфигурации, настольные стекла, кашпо для цветов, журнальные столики, подставки, сантехника, в том числе ракови- ны, душевые кабины, джакузи, домашние бассейны, светильники, бра, лиф- ты, холодильники, полочки для ванн, в том числе угловые, детские ванночки, тазики, коробки для рукоделия, емкости для сыпучих продуктов, тарелки, лотки для кухонных принадлежностей, пуговицы, брелки, линейки, шкатул- ки, оправы для зеркал, картин, сувениры из оргстекла и т.д. Специальные виды применения: солярии, моечные станции, сельско- хозяйственные оранжереи, теплицы, беседки, дачные столики, стулья, теле- фонные будки, остановочные павильоны, баскетбольные щиты, перегородки для аптечных и газетных киосков, купола из оргстекла для промышленных зданий, спортивных сооружений, детских площадок и зимних садов. Органическое стекло выпускается различных марок и номиналов, а также большой цветовой гаммы и отличается друг от друга по своим свой- ствам, определяющим область его применения. Акриловое стекло , помимо листов, выпускается также в виде блоков толщиной до 200 мм, пустотелых панелей ("сотовое"), а также в виде брусков и труб. |