低輻射鍍膜玻璃的研究進展

摘要 本文介紹了開發低輻射鍍膜玻璃的意義及國內外的研究和應用狀況，并比較了低輻射鍍膜玻璃的制備方法，展望了其應用前景。

關鍵詞 低輻射鍍膜玻璃，制備方法，節能

1前言

隨著現代建筑對裝飾材料要求的提高，人們對作為建筑材料之一的玻璃的要求也越來越高。玻璃是建筑物和汽車不可缺少的組成部分，承擔著許多重要的功能，包括美化建筑物和汽車的外觀、采光及給室內帶來開闊的視野。但是普通玻璃陽光透過率很高、紅外反射率很低，大部分太陽光透過玻璃進入室內，從而會加熱物體。而這些室內的能量又會以輻射形式通過玻璃散失掉。據統計，建筑物中通過門窗散失的熱量約占整個建筑采暖或制冷能耗的50%，而通過玻璃流失的熱量就占整個窗戶的80%左右。

低輻射膜對遠紅外（熱輻射）的反射率很高，具有阻隔熱輻射直接透過的作用。玻璃鍍上低輻射膜，其隔熱性大大改善。普通鍍膜玻璃不具備反射遠紅外線的功能，同樣也不能達到隔熱保溫的目的。低輻射膜的本質是降低表面的輻射率。當太陽能通過低輻射玻璃表面時，反射到空間一部分，進入室內的一部分和室內物體發射的紅外線，由窗戶又反射到室內，使室內熱能不易散失。這一特性使Low-e玻璃的傳熱系數大大降低，有效地改善了窗戶的隔熱性能^[1]。

2開發低輻射鍍膜玻璃的意義

太陽輻射是取之不盡的巨大能源，透過大氣層到達地平面的太陽輻射熱按光譜區的能量分配大致如下：波長0.3～0.38μm的紫外光，其輻射能約占太陽總輻射能的13%；波長0.38～0.78μm的可見光區，其輻射能約占太陽輻射能的43%；波長0.78～2.5μm的紅外光，其輻射能約占太陽輻射能的41%；其余的約占3%，即太陽能能量的97%集中在波長0.3～2.5μm范圍。普通透明玻璃對太陽的輻射透射比和傳熱系數都很高，5mm厚的普通浮法玻璃對太陽輻射的透射比高達84%，在炎熱的夏季大部分的太陽輻射能通過窗玻璃透進室內，使房間的溫度升高，使空調負荷很大。在玻璃表面通過物理或化學沉積方法涂上一層薄膜，由于膜層具有特殊的光熱性能即具有反射太陽輻射能的特性，因而成為節能型玻璃^[2]。

最初開發的Low-e玻璃主要用于寒冷地區，以降低能源消耗。冬季，它對室內散熱片及室內物體散發的遠紅外線，幾乎如絕緣鏡一樣，全部反射回室內，保證室內熱量不向室外散失，從而可以節約取暖費用。夏季，它可以阻止室外地面、建筑物發出的熱輻射進入室內，節約空調費用。同時，它可使70%以上的太陽光（可見光和近紅外光）透入建筑物內，對可見光的透過率適中。可見光的發射率低可避免光污染的產生，營造良好的光環境。低輻射鍍膜玻璃的這種選擇透過性，可以起到控制陽光、調節熱量、節約能源，進而保護環境的作用，因而成為目前世界上公認的最理想的窗玻璃材料。數據表明，建筑物使用普通中空玻璃比單層普通玻璃節能50%左右，使用低輻射鍍膜玻璃的中空玻璃窗，可比單層普通玻璃窗節能75%左右^[3]。由于窗戶是節能的薄弱環節和重點部位，改善建筑物窗戶的保溫性能和加強窗戶的氣密性是節能的關鍵因素。隨著國家對節能和環保力度的加大，人們已越來越關心燃燒所產生的污染問題，特別是我國煤炭占能源消耗總量的75%，建筑采暖所用能耗占全國商品用能耗量的10%左右。隨著城鎮建設的快速發展，建筑用能耗所排放的污染物急劇增加，建筑節能所體現的經濟和社會效益就日益突出。玻璃工業作為建筑業的一個支柱行業，若能抓住機遇調整產品結構，生產節能玻璃將會使全行業進入一個新的發展階段^[4]。

3國內外現狀

3.1 國內現狀

80年代末，我國只有幾家企業引進鍍膜玻璃生產線和技術。到了90年代初期，市場對鍍膜玻璃的需求量增長迅猛，鍍膜玻璃出現供不應求的局面，而且利潤非常可觀，因而各種鍍膜生產線被迅速引進。短短幾年時間內，該行業在我國得到迅速發展。結果其生產能力超過了我國當前建筑業的實際需求，形成了供過于求的局面。由于有些企業單純追求一時的經濟效益，不關心生產、使用、施工中的技術研究和質量管理，導致一些企業停產或轉產，很多企業效益下滑，使鍍膜玻璃生產行業的健康發展受到了很大的影響。雖然有些企業引進了國外的生產線和相關技術，但由于我國企業的經營模式所限，各企業只對設備的使用、維修、保養及簡單的膜系開發作了些研究，很少有企業與科研院所和鍍膜設備制造商融為一體，對鍍膜工藝和技術作深入的研究和開發，因此國內鍍膜行業的發展和國外相比存在很大的差距^[5]。

3.2 國外現狀

70年代出現的世界能源危機，促進了低輻射玻璃的開發和應用，到了80年代末期，國外特別是歐洲和美國等國家和地區的建筑物門窗大量采用低輻射鍍膜玻璃。美國在80年代末期，低輻射玻璃窗已占整個雙層玻璃窗市場的四分之一以上。由于低輻射鍍膜玻璃優異的節能效果，使其在歐美及日本等發達國家得到了廣泛的應用，年使用量的增長率高于20%，全世界年用量已超過1.2億m²。德國政府1996年立法規定，所有建筑物都必須采用低輻射鍍膜玻璃，以減少普通玻璃因熱損失過大而造成的能源浪費。歐共體自2001年6月新節能條例生效后，要求在此后的新建、改建建筑物上推廣使用低輻射玻璃，使低輻射玻璃市場需求量急劇上升。全歐洲年需求量達到了6500萬m2。推廣普及低輻射中空玻璃的德國今后要達到92%，奧地利為90%，波蘭為75%，美國由于推行了“能源之星”等節能措施，低輻射玻璃的使用量也急劇增長，2001年低輻射玻璃的銷售量為5140萬m^2[6]。

現今許多國家也正在出臺類似的政策。隨著各國的重視及相繼立法，低輻射鍍膜玻璃的用量將大幅度增加。

4低輻射鍍膜玻璃的制備方法

目前生產鍍膜玻璃的方法主要有以下三種：一是真空蒸發鍍膜；二是磁控濺射鍍膜；三是化學法鍍膜。前兩種方法屬于物理氣相沉積PVD（Physical Vapour Deposition）。第一種工藝方法投資少、見效快，屬一種短平快的項目，但存在膜層不均勻、牢固性差的缺點，因而該工藝將會逐漸被淘汰；磁控濺射法自動化程度高，其膜層易控制，因此其產品質量較好，但該工藝設備投資大、生產周期長，在一般的中小企業中推廣存在一定的困難。目前，用磁控濺射法生產低輻射鍍膜玻璃的主要廠家有德國萊寶、美國BOC等公司。在線生產低輻射鍍膜玻璃的廠家只有英國皮爾金頓公司、美國PPG公司、法國圣戈班公司等少數幾家大公司，這些公司大都采用CVD（Chemical Vapour Deposition）法生產低輻射鍍膜玻璃。

化學鍍膜法操作簡單、經濟、易于大面積成膜，其中采用CSD（Chemical Spray Deposition）法較多。化學法的另一種方法是溶膠－凝膠法（Sol-gel Method），該法是目前國內外廣泛采用的鍍膜玻璃生產方法。生產鍍膜玻璃的三種方法比較如表所示。

溶膠－凝膠技術是80年代發展起來的一門新技術，指有機或無機金屬化合物經過溶膠－凝膠化和熱處理形成氧化物或其它固體化合物的方法。其過程是：用液體化學試劑（或粉狀試劑溶于溶劑）或溶膠為原料，在液相中均勻混合并進行反應，生成穩定且無沉淀的溶膠體系，放置一定時間后轉變為凝膠，經脫水處理，在溶膠或凝膠狀態下成形為制品，再在低于傳統的溫度下燒結^[8]。

利用該法制備的無機薄膜材料具有耐熱性好、穩定性高、強度大的特點，還能使基材具有光、電、色、磁、熱等特殊物理功能，因此受到各國的重視。溶膠－凝膠法設備投資少、具有生產工藝簡單、建廠快、產品膜層均勻性好、膜層耐酸堿和牢固性較好的特性，適合于大面積制膜，而且薄膜化學組成比較容易控制，能從分子水平上設計、剪裁，特別適合于制備多組元氧化物薄膜材料。更重要的是該產品可以用于鋼化及熱彎，因而目前在國內被廣泛采用^[9]。

低輻射鍍膜玻璃主要有銀膜體系，包括單銀和雙銀膜系等。SnO²基薄膜、摻銻的SnO²薄膜簡稱為ATO；摻氟的SnO²薄膜簡稱為FTO；In²O³基薄膜、摻錫的In²O³薄膜簡稱ITO；ZnO基薄膜，其中摻鋁的ZnO薄膜（ZAO）是目前最好的ZnO系薄膜。

5存在的問題及展望

在我國大面積推廣低輻射鍍膜玻璃，就必須使其生產規模化，以降低成本。低輻射玻璃在線生產技術涉及化學、流體力學、熱工學、機械、材料學、光學、電子學、色度學和玻璃工藝學等學科，是多學科的綜合運用，技術難度非常之大。然而基于溶膠-凝膠法的眾多優點，若將這個技術開發成熟，將會有廣闊的前景，同時會對我國建筑節能步伐的推進作出不可估量的貢獻。90年代中期，國內有關部門已著手這項技術的基礎性研究。國內在線鍍陽光控制膜玻璃的生產技術已經相當成熟，已達到國外同類水平，但從陽光控制膜玻璃生產轉到低輻射鍍膜玻璃生產還存在很大的技術難度。然而，憑借國內十余年在線鍍膜的科研和生產經驗，只要我們集中精力，加之國家和社會各界的大力支持，攻克這一難關將不會太遙遠。

近年來，我國節能工作雖然取得了長足的進步，但是與國際先進水平相比仍有很大的差距。目前我國能源利用效率僅為30%左右，比發達國家約低10個百分點；人均能源消耗僅為世界平均水平的一半，但產值能耗比世界平均水平高出2倍多。據有關專家估算，如果我國非節能型窗中的40%改造成節能窗，全國每年可減少能耗折合標準煤約1.56億t，同時可減少向大氣排放灰塵7000萬t和大量的有害氣體。所以未來幾年，低輻射玻璃將是鍍膜玻璃發展的重點。1996年我國頒布的《中華人民共和國建設部建筑節能技術政策》中規定：從1996年起到2000年新設計采暖居住建筑應達到1980～1981年在當地通用設計能耗水平基礎上節能 50%的標準，2005年起新建采暖居住建筑應在此基礎上再節能30%。這就為鍍膜玻璃，特別是低輻射玻璃的大量應用提供了政策依據。中國北京申奧成功，大規模的場館建設對綠色建材、綠色環保提出了更高的要求，也給節能玻璃的廣泛應用帶來了契機，可見其發展前景廣闊^[4]。

參考文獻

1 姜燮昌.低輻射膜玻璃的最新進展[J].真空，2003，2:1～6

2 王 偉，付立偉，趙年偉.節能型鍍膜玻璃概述[J].玻璃，2002，1: 43～45

3 陳巧香.低輻射膜的分類及生產工藝技術[J].玻璃，2002，3:39～42

4 杜震宇.低輻射玻璃－21世紀節能環保玻璃[J].玻璃， 2002，5:27～30

5 郭 明.國內外鍍膜玻璃生產現狀及發展趨勢[J].玻璃，2002，3:43～45

6 魯大學.低輻射鍍膜玻璃在建筑節能中的優勢[J].建筑科技， 2003，12:20～21

7 盧旭晨，李佑楚，韓鎧，王風鳴.陶瓷薄膜制備及應用[J].材料導報， 1999，6:35～38

8 揚南如，余桂郁.硅酸鹽通報，1982，2:56

9 周經培.影響溶膠凝膠鍍膜玻璃產品質量的幾種因素[J].玻璃，95，3: 35～39