基于兩種單片防火玻璃光學(xué)性能的對比分析

鐘應(yīng)

（貴州省建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測院 貴陽 550000）

0 引言

防火玻璃屬于安全玻璃的一種，在火災(zāi)爆發(fā)的情況下，當(dāng)其一面受火時，能在一定時間內(nèi)保持玻璃的耐火完整性和隔熱性。因防火玻璃具有良好的光學(xué)性能、耐熱耐寒性能、抗沖擊性能及耐火性能等特點，適用于各類高層建筑、玻璃幕墻、防火隔斷、防火窗和防火門等地方［1］。隨著我國建筑業(yè)的高速發(fā)展，大量的防火玻璃使用在建筑高層中，在滿足防火性能、安全性基礎(chǔ)上，光學(xué)性能成為選擇防火玻璃的最關(guān)鍵因素。遮蔽系數(shù)直接反應(yīng)玻璃的夏季隔熱、冬季保暖的節(jié)能性能，透光率直接反應(yīng)室內(nèi)可見光透射比值。根據(jù)GB/T 2680—94《建筑玻璃 可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關(guān)窗玻璃參數(shù)的測定》，本文通過測定兩種單片防火玻璃光學(xué)性能，對比分析可能影響兩種單片防火玻璃光學(xué)性能的原因，可以有效指導(dǎo)企業(yè)優(yōu)化原片玻璃化學(xué)配方、改進生產(chǎn)工藝；完善建筑設(shè)計理論，助力選擇具有安全性好、透光率高及節(jié)能保溫的防火玻璃。

1 試驗

本試驗所采用的材料為貴州省某兩個玻璃深加工企業(yè)單片防火玻璃，兩種防火玻璃厚度均為12 mm，對兩種單片防火玻璃編號為1#和 2#。圖1（a）為單片防火玻璃的端面圖，（b）為單片防火玻璃的平面圖。

從圖1中可以看出1#單片防火玻璃顏色較深，2#單片防火玻璃顏色較淺、較白。根據(jù)GB 15763.1—2009 《建筑用安全玻璃 第1部分：防火玻璃》的技術(shù)要求，對1#和 2#進行抗沖擊性能、碎片狀態(tài)、耐火性能檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 試樣1 #和 2 #檢測結(jié)果

由表1可知，1#和 2#單片防火玻璃抗沖擊性能、碎片狀態(tài)、耐火性能的檢測結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

光學(xué)性能利用Lamdbda-950紫外可見近紅外光分光光度計測試分析。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 分析反射率和透過率峰值

圖2為1#和 2#單片防火玻璃相同波長下的透射與反射光譜。

由圖2中1#玻璃光譜數(shù)據(jù)可知，在波長為855 nm時透過率出現(xiàn)最大值（75.03%），在波長855 nm時，反射率出現(xiàn)最大值（31.95%）；由圖2中2#玻璃光譜數(shù)據(jù)可知，在波長為855 nm時反射率出現(xiàn)最大值（41.71%）。

2.2 1 #和 2 #試樣的透射與反射光譜數(shù)據(jù)對比分析

圖3為1#和 2#單片防火玻璃的透射與反射光譜曲線圖。

由圖3（a）可知，對250 nm～2 500 nm波長光區(qū)，總體趨勢，1#和2#玻璃均有良好的光學(xué)透過率；在紫外區(qū)280 nm～380 nm波長范圍中，1#和2#玻璃透過率表現(xiàn)出逐漸增長的過程，且曲線高度重合，說明1#和 2#玻璃紫外光的透射比差值較??；在可見光區(qū)380 nm～780 nm波長范圍中，1#和 2#玻璃透過率均出現(xiàn)先升高到達峰值后降低到最小值，再次升高出現(xiàn)二次峰值后再次降低，第一次峰值（1#玻璃400 nm時透過率82.13%，2#玻璃405 nm時透過率88.29%）、最小值（1#玻璃440 nm時透過率78.29%，2#玻璃440 nm時透過率87.64%）、第二次峰值（1#玻璃525 nm時透過率84.25%，2#玻璃520 nm時透過率89.97%）；在太陽光區(qū)中的780 nm～1 800 nm波長范圍中，1#和 2#玻璃透過率均出現(xiàn)峰值與最小值，這段波長范圍中，在波長為825 nm時1#玻璃出現(xiàn)最小值（透過率63.23%） 而2#玻 璃 則 是 拐 點 峰 值（ 透 過 率82.91%），1#玻璃在波長為855 nm時出現(xiàn)峰值（透過率75.03%），而2#玻璃則是在波長為850 nm時出現(xiàn)最小值（透過率81.15%）；在近紅外區(qū)波長范圍為1 800 nm～2 500 nm中，均在波長為2 150 nm時出現(xiàn)峰值（1#玻璃透過率70.88%，2#玻璃透過率79.47%），在波長為2 230 nm時最小值（1#玻璃透過率67.60%，2#玻璃透過率73.06%）。

由圖3（b）可知，對250 nm～2 500 nm波長光區(qū)，1#和 2#玻璃反射率除出現(xiàn)一個跳躍的峰值外，反射率隨波長增大而平緩變化，在波長為835 nm時1#和 2#玻 璃均出現(xiàn)最小值（1#玻璃反射率4.54%，2#玻璃反射率5.50%），在波長為855 nm時1#和 2#玻 璃均出現(xiàn)最大值（1#玻璃反射率31.95%，2#玻璃反射率41.71%）。

通過以上分析可以得出1#和 2#單片防火玻璃在250 nm～2 500 nm波長光區(qū)中，對紫外光、可見光、太陽光及近紅外光的透過率波動趨勢基本相近，1#和 2#單片防火玻璃對光的透射性影響除在825 nm～855 nm光區(qū)反常外，其余光區(qū)中透過率均隨波長增大呈或增大或減小的趨勢。1#和2#單片防火玻璃在250 nm～2 500 nm波長光區(qū)中，對紫外光、可見光、太陽光及近紅外光的反射率波動趨勢基本相似。

2.3 對1# 玻璃和2# 玻璃吸收系數(shù)及微觀結(jié)構(gòu)的討論

由經(jīng)典的Tauc方程給出了吸收系數(shù)a（w）作為光子能量hw的吸收函數(shù)關(guān)系式［2］：

式中：a（w）——吸收系數(shù)，a＝2.303A/d（A為光密度，d為樣品厚度）；

h——Plank常量；

w ——入射光角頻率；

Eopt——帶隙；

m——電子躍遷是否被允許和截止決定的系數(shù)，對于無定形材料，m＝1/2或2分別對應(yīng)直接允許躍遷或間接允許躍遷；

B——從（a（w）·hw）1/m對hw效率相關(guān)的常量。

在紫外光區(qū)域，玻璃的吸收是由基質(zhì)內(nèi)部本征吸收決定的［3］，因此，帶隙越寬，紫外光吸收端吸收系數(shù)就越小，1#玻璃的帶隙大于2#玻璃的帶隙。

光經(jīng)過介質(zhì)的透過率不僅與光程有關(guān)，而且與介質(zhì)電子的能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，那么光通過介質(zhì)的強度I可以表示與入射光強度I0的函數(shù)關(guān)系式［4］。

式中：a——介質(zhì)對光的吸收系數(shù)；

d——光穿過的厚度。

根據(jù)1#玻璃和2#玻璃波形數(shù)據(jù)，對于1#玻璃和2#玻璃，在厚度相同且試驗環(huán)境一致條件下，可以得出1#玻璃的吸收系數(shù)大于2#玻璃的吸收系數(shù)。

本試驗光經(jīng)過空氣介質(zhì)再到玻璃，根據(jù)Fresnel關(guān)系［4］，玻璃反射系數(shù)R函數(shù)關(guān)系式：

式中：n——玻璃的折射率。

因此，玻璃的反射系數(shù)取決于玻璃的折射率n。由圖可知1#玻璃反射率小于2#玻璃反射率，且光的損失比較嚴(yán)重，可以得出 1#玻璃折射率n大于2#玻璃折射率n。

從玻璃的微觀結(jié)構(gòu)分析，玻璃的透過率受玻璃晶界、晶粒、雜質(zhì)、微氣泡、微裂紋等影響。在玻璃制備過程中，玻璃晶粒越小，微氣泡穿越晶粒擴散至晶界的行程就越短，從而氣泡保留率就越低，玻璃的透過率就越高；氣泡直徑與光波波長l相接近，產(chǎn)生Mie散射；氣泡直徑小于光波波長l/3，產(chǎn)生RAYleigh散射；氣泡直徑大于光波波長l，產(chǎn)生反散射折射［5］。當(dāng)光進入晶粒時，會與晶界相遇，則會產(chǎn)生反射和折射；如果晶界折射率和晶粒的折射率相同時，就不會產(chǎn)生折射和反射，則玻璃的透過率高，反之則玻璃的透過率低［5］。如果晶粒的直徑與入射光的波長相近，則晶粒對入射光散射最強；晶粒直徑小于入射光波長時，光線可以容易地通過。晶體光學(xué)性能的各向異性損害玻璃的透過率，具有雙折射效應(yīng)，在晶界處造成界面反射損失而降低透過率。微晶玻璃的光學(xué)性能主要取決于晶粒尺寸大小，晶粒尺寸小于可見光波長時，可以得到高透明度的玻璃［6］。1#玻璃在波長為525 nm時透過率最大值84.25%，2#玻璃在波長520 nm時透過率最大值89.97%，且整個可見光區(qū)域透過率明顯優(yōu)于其余光區(qū)域，可以得出1#玻璃和2#玻璃在可見光區(qū)域獲得最好的透光性，同時2#玻璃的光學(xué)性能明顯優(yōu)于1#玻璃的光學(xué)性能，2#玻璃的微觀組織優(yōu)于1#玻璃的微觀組織。

2.4 對1 #玻璃和2 #玻璃進行數(shù)據(jù)處理

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2680—94對1#玻璃和2#玻璃光譜數(shù)據(jù)進行處理，從表2可以得出，2#玻璃比1#玻璃的可見光透射比高0.067、遮蔽系數(shù)高0.106，則2#玻璃比1#玻璃具有高透光率和夏隔熱冬保暖的性能；2#玻璃比1#玻璃的太陽光直接吸收比低0.145，2#玻璃的微觀缺陷少于1#玻璃的微觀缺陷，在長期太陽輻射下a相轉(zhuǎn)化成b相時體積膨脹4%致玻璃破裂［7］，2#玻璃的a相轉(zhuǎn)化成b相少于1#玻璃，則2#玻璃比1#玻璃安全性高。

表2 1 #玻璃和2 #玻璃光學(xué)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

隨著人們生活水平的提高，對單片防火玻璃的實用性越來越高。對兩種單片防火玻璃光學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)對比分析得出：

（1）在兩種單片防火玻璃的抗沖擊性能、碎片狀態(tài)、耐火性能合格基礎(chǔ)上，2#單片防火玻璃具有較高的可見光透射比，優(yōu)先選用2#單片防火玻璃。

（2）在紫外光區(qū)、可見光區(qū)、太陽光區(qū)及近紅外光區(qū)，1#、 2#單片防火玻璃具有較高反射率波動趨勢。

（3）通過經(jīng)典的Tauc方程分析，1#單片防火玻璃的帶隙大于2#單片防火玻璃的帶隙。

（4）關(guān)于玻璃的微觀結(jié)構(gòu)，可能2#單片防火玻璃的微觀組織優(yōu)于1#單片防火玻璃的微觀組織；2#單片防火玻璃的微觀缺陷少于1#單片防火玻璃的微觀缺陷，2#單片防火玻璃比1#單片防火玻璃安全性高。