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什么是LOW-E玻璃及生产流程

2013年2月19日  

    玻璃是重要的建筑材料,随着对建筑物装饰性要求的不断提高,玻璃在建筑行业中的使用量也不断增大。然而,当今人们在选择建筑物的玻璃门窗时,除了考虑其美学和外观特征外,更注重其热量控制、制冷成本和内部阳光投射舒适平衡等问题。这就使得镀膜玻璃家族中的新贵——Low-E玻璃脱颖而出,成为人们关注的焦点。
    Low-E玻璃又称低辐射玻璃,是在玻璃表面镀上多层金属或其他化合物组成的膜系产品。其镀膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性,使其与普通玻璃及传统的建筑用镀膜玻璃相比,具有以下明显优势:
      优异的热性能
      外门窗玻璃的热损失是建筑物能耗的主要部分,占建筑物能耗的50%以上。有关研究资料表明,玻璃内表面的传热以辐射为主,占58%,这意味着要从改变玻璃的性能来减少热能的损失,最有效的方法是抑制其内表面的辐射。普通浮法玻璃的辐射率高达0.84,当镀上一层以银为基础的低辐射薄膜后,其辐射率可降至0.1以下。因此,用Low-E玻璃制造建筑物门窗,可大大降低因辐射而造成的室内热能向室外的传递,达到理想的节能效果。
      室内热量损失的降低所带来的另一个显著效益是环保。寒冷季节,因建筑物采暖所造成的CO2、SO2等有害气体的排放是重要的污染源。如果使用Low-E玻璃,由于热损失的降低,可大幅减少因采暖所消耗的燃料,从而减少有害气体的排放。
    良好的光学性能
      Low-E玻璃对太阳光中可见光有高的透射比,可达80%以上,而反射比则很低,这使其与传统的镀膜玻璃相比,光学性能大为改观。从室外观看,外观更透明、清晰,即保证了建筑物良好的采光,又避免了以往大面积玻璃幕墙、中空玻璃门窗光反射所造成的光污染现象,营造出更为柔和、舒适的光环境。
    Low-E玻璃的上述特性使得其在发达国家获得了日益广泛的应用。我国是一个能源相对匮乏的国度,能源的人均占有量很低,而建筑能耗已经占全国总能耗的27.5%左右。因此,大力开发Low-E玻璃的生产技术并推广其应用领域,必将带来显著的社会效益和经济效益。
   
      Low-E玻璃的应用与发展
   
      在美国及欧洲,低辐射(Low-E)(译称娄义)镀膜玻璃由于其优越的性能,得到了极大的关注。特别是德国的Wschvo法规,使Low-E玻璃有迅猛的发展。
    欧洲的制造商是在60年代末开始实验室研究"Low-E"的。1978年,美国的英特佩(interqane)成功地将"Low-E"玻璃应用到建筑物上。
    "Low-E"的优越性是无可质疑的 。从1990年开始,"Low-E"的用量在美国以年5%的速度递增 。将来,"Low-E"是否成为窗玻璃的主导地位还不得知,但是业主和门窗公司都非常重视节能型的门窗。而且,今年的建筑物绝大多数是用它的节能效果来评定优劣的。
   
      目前的两种Low-E玻璃生产方法
   
      在线高温热解沉积法:
   
      在线高温热解沉积法"Low-E"玻璃在美国有多家公司的产品。如PPG公司的 Surgate200,福特公司的Sunglas H.R"P"。这些产品是在浮法玻璃冷却工艺过程中完成的。液体金属或金属粉沫直接喷射到热玻璃表面上,随着玻璃的冷却,金属膜层成为玻璃的一部分 。固此,该膜层坚硬耐用。这种方法生产的"Low-E"玻璃具有许多优点:它可以热弯,钢化,不必在中空状态下使用,可以长期储存。它的缺点是热学性能比较差 。除非膜层非常厚,否则其"u"值只是溅射法"Low-E"镀膜玻璃的一半。如果想通过增加膜厚来改善其热学性能,那么其透明性就非常差。
   
      离线真空溅射法
   
      离线法生产Low-E玻璃,是目前国际上普遍采用真空磁控溅射镀膜技术。用溅射法可以生产"Low-E"玻璃的厂家及产品有北美的英特佩公司的"LnplusNetetralR",PPG公司的Sungatel00,福特公司的SunglasHRS等 。和高温热解沉积法不同,溅射法是离线的。且据玻璃传输位置的不同有水平及垂直之分。
    溅射法工艺生产"Low-E"玻璃,需一层纯银薄膜作为功能膜。纯银膜在二层金属氧化物膜之间。金属氧化物膜对纯银膜提供保护,且作为膜层之间的中间层增加颜色的纯度及光透射度。
      垂直式生产工艺中,玻璃垂直放置在架子上,送入10-1帕数量级的真空环境中,通入适量的工艺气体(惰性气体Ar或反应气体O2、N2),并保持真空度稳定。将靶材Ag、Si等嵌入阴极,并在与阴极垂直的水平方向置入磁场从而构成磁控靶。以磁控靶为阴极,加上直流或交流电源,在高电压的作用下,工艺气体发生电离,形成等离子体。其中,电子在电场和磁场的共同作用下,进行高速螺旋运动,碰撞气体分子,产生更多的正离子和电子;正离子在电场的作用下,达到一定的能量后撞击阴极靶材,被溅射出的靶材沉积在玻璃基片上形成薄膜。为了形成均匀一致的膜层,阴极靶靠近玻璃表面来回移动。为了取得多层膜,必须使用多个阴极,每一个阴极均是在玻璃表面来回移动,形成一定的膜厚。
      水平法在很大程度上是和垂直法相似的。主要区别在玻璃的放置,玻璃由水平排列的轮子传输,通过阴极,玻璃通过一系列销定阀门之后,真空度也随之变化。当玻璃到达主要溅射室时,镀膜压力达到,金属阴极靶固定,玻璃移动。在玻璃通过阴极过程中,膜层形成。
      目前,国产和绝大部分进口磁控溅射镀膜生产线的目标产品均是以镀制单质膜和金属膜为主的阳光控制膜玻璃。这类产品工艺相对简单,对设备的要求较低。因此,这些生产线不能满足镀制LOW-E玻璃的要求。
   
     溅射法生产"Low-E"玻璃,具有如下特点
   
      由于有多种金属靶材选择,及多种金属靶材组合,因此,溅射法生产"Low-E"玻璃可有多种配置。在颜色及纯度方面,溅射镀也优于热喷镀,而且,由于是离线法,在新产品开发方面也较灵活 。最主要的优点还在于溅射生产的"Low-E"中空玻璃其"u"值优于热解法产品的"u"值,但是它的缺点是氧化银膜层非常脆弱,所以它不可能象普通玻璃一样使用。它必须要做成中空玻璃,且在未做成中空产品以前,也不适宜长途运输。
   
      Low-E玻璃的特点及功能
   
      太阳辐射能量的97%集中在波长为0.3-2.5um范围内,这部分能量来自室外;100℃以下物体的辐射能量集中在2.5um以上的长波段,这部分能量主要来自室内。
    若以室窗为界的话, 冬季或在高纬度地区我们希望室外的辐射能量进来,而室内的辐射能量不要外泄。若以辐射的波长为界的话,室内、室外辐射能的分界点就在2.5um这个波长处。因此,选择具有一定功能的室窗就成为关键。
    3mm厚的普通透明玻璃对太阳辐射能具有87%的透过率,白天来自室外的辐射能量可大部分透过;但夜晚或阴雨天气,来自室内物体热辐射能量的89%被其吸收,使玻璃温度升高,然后再通过向室内、外辐射和对流交换散发其热量,故无法有效地阻挡室内热量泄向室外。
      Low-E中空玻璃对0.3-2.5um的太阳能辐射具有60%以上的透过率,白天来自室外辐射能量可大部分透过,但夜晚和阴雨天气,来自室内物体的热辐射约有50%以上被其反射回室内,仅有少于15%的热辐射被其吸收后通过再辐射和对流交换散失,故可有效地阻止室内的热量泄向室外。Low-E玻璃的这一特性,使其具有控制热能单向流向室内的作用。
      太阳光短波透过窗玻璃后,照射到室内的物品上。这些物品被加热后,将以长波的形式再次辐射。这些长波被"Low-E"窗玻璃阻挡,返回到室内。事实上通过窗玻璃再次辐射被减少到85%,极大地改善了窗玻璃绝热性能。
      窗玻璃的绝热性能一般是用"u"值来表示的,而"u"值和玻璃的辐射率有直接的关系。"u"值的定义为:ASHRAE标准条件下,由于玻璃热传导和室内外的温差,所形成的空气到空气的传热量。其英制单位为:英热量单位每小时每平方英尺每华氏温度,公制单位为:瓦每平方米每摄氏温度、"u"值越低,通过玻璃的传热量也越低,窗玻璃的绝热性能越好。辐射率是某物体的单位面积辐射的热量同单位面积黑体在相同温度,相同条件下辐射热量之比。辐射率定义是某物体吸收或反射热量的能力。理论上完全黑体对所有波长具有100%的吸收。即反射率为零。因此,黑体辐射率为1.0。
      通常,浮法白玻璃的辐射率为0.84。而大多数在线热聚合"Low-E"镀膜玻璃的辐射率在0.35到0.5 之间。磁控真空溅射"Low-E"镀膜玻璃的辐射率在0.08到0.15之间。值得注意的是低的辐射率直接对应着低的"u"值。玻璃的辐射率越接近于零,其绝热性能就越好。
    一个"节能采光系统"的优越性必须体现在尽可能高的太阳总能量的透过,而同时具有最低的"u"值。通过同时考虑能量的获得和热的损失,建立了能量平衡方程式,Ueg=UF-RFg。最好的能量平衡特性的采光系统是真空磁控溅射"Low-E"镀膜中空玻璃。尽管单层玻璃其太阳能的透射为最大,但它的"u"值及"Ueg"值却最差。因此,不能满足好的能量平衡的需求。
      单纯高的太阳能透射,能有效地保持这些能量,就不能认为它是节能材料。"Low-E" 镀膜中空玻璃是一种较好的节能采光材料。它具有较高的太阳能透射,非常低的"u"值,并且,由于镀膜的效果,"Low-E"玻璃反射的热量回到室内,使得窗玻璃附近的温度较高,人在窗玻璃附近也不会感到太大的不适。而应用"Low-E"窗玻璃的建筑其室内温度相对较高,因此在冬季可以保持相对高的室内温度,而不结霜,这样在室内的人也会倍感舒适。"Low-E"玻璃也能够阻挡大量的紫外线透射,防止室内的物品退色。
   

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