UV吸收/反射材料在鳥類友好建筑玻璃領(lǐng)域中的研究

周泓崑 宋宇 呂宜超 熊建

（1.中國南玻集團開發(fā)研究院 深圳 518067；2.南玻集團咸寧南玻節(jié)能玻璃有限公司 咸寧 437000）

0 引言

隨著玻璃生產(chǎn)制造技術(shù)的發(fā)展成熟，玻璃幕墻在建筑裝飾上的使用率越來越高。玻璃幕墻具有包括降低墻體承重、提高審美價值等許多優(yōu)點，已經(jīng)成為能夠滿足建筑裝飾的實用性與審美性要求的最優(yōu)選擇。但對于鳥類來說，應用越來越廣泛的玻璃幕墻卻成為了奪走它們性命的一大殺手。

自然界中的鳥類無法理解玻璃的概念，也無法辨認出玻璃上植被的倒影與真實植被之間的區(qū)別，因此每年有數(shù)以億計的鳥類在高速飛行時誤將玻璃面上植被的倒影認作棲息地從而一頭撞死在玻璃上。此種現(xiàn)象被稱為“鳥撞現(xiàn)象”，被認為是由人類造成的僅次于家貓捕食導致鳥類死亡的第二大原因，常常發(fā)生在鳥類的遷徙途中或捕食活動中。

鳥撞現(xiàn)象使得每年非正常死亡的鳥類數(shù)量激增，從而帶來一系列生態(tài)問題與經(jīng)濟損失。拋開鳥類對于人類而言的文化價值不談，人類在生態(tài)功能方面也對其有著很深的依賴，其中包括但不限于鳥類對于昆蟲的消耗、對于嚙齒動物種群的控制、對于登革熱和瘧疾等病毒的傳播的限制等。在經(jīng)濟方面鳥類也能提供巨大的價值，根據(jù)美國魚類和野生動物管理局的數(shù)據(jù)，觀鳥在北美已經(jīng)發(fā)展成為一個價值數(shù)十億美元的休閑產(chǎn)業(yè)。而今頻頻出現(xiàn)的鳥撞事件導致的經(jīng)濟與自然方面的損失已經(jīng)不為人們所接受，由此，防鳥撞玻璃應運而生。

目前國內(nèi)市場上所采用的玻璃幕墻大多具有很高的反射性和透明度，高反射性會導致玻璃表面在合適的條件下反映出天空、云或者對鳥類具有吸引力的棲息地，從而誘導鳥類撞擊玻璃表面。而高透明度會誤導鳥類對玻璃另一邊通路的感知從而導致它們對穿過玻璃做出嘗試。為了防止這樣的撞擊發(fā)生，國外曾有先行者提出過幾個經(jīng)測試證實頗有成效的方法。其中，較為廣泛應用的是遵循“2×4”原則的預防鳥撞貼紙法和在玻璃建筑上增加碎石、網(wǎng)、格柵、百葉窗或外部陰影等裝飾的方法。此兩種方法雖然已經(jīng)被證實能夠顯著降低發(fā)生鳥撞事件的概率，但是它們有一個共同的缺點，即犧牲了玻璃幕墻的美學價值。而本文將要介紹的以聚四氟乙烯為主要成分的附有吸收/反射紫外線作用的防鳥撞涂料玻璃能夠完美地平衡玻璃幕墻的防鳥撞需求與審美需求，成為解決鳥撞現(xiàn)象難題的靈丹妙藥。

1 對UV吸收/反射防鳥撞玻璃的主要特點

1.1 定義

UV吸收/反射防鳥撞玻璃是表面涂覆有功能性防鳥撞涂料的表面改性玻璃，其主要成分為聚四氟乙烯，能夠反射波段在250～400 nm的紫外線。

1.2 作用原理

紫外線無法被人類看到，但是研究表明80%以上的鳥類，尤其是候鳥的眼睛對紫外線有著驚人的敏感度。在野外，鳥類利用它們的這種能力捕食、分辨動物以及尋找伴侶，即使是在惡劣的天氣條件下它們的這種能力也從未失靈。蜘蛛在蛛網(wǎng)上覆滿紫外線以規(guī)避鳥類對蛛網(wǎng)的碰撞與毀壞，就是完美利用了鳥類能夠識別紫外線的特性。參照蜘蛛對蛛網(wǎng)的設(shè)計，當在玻璃表面涂覆上具有能夠向外反射紫外線的材料時，這種表面改性玻璃對于減少甚至杜絕鳥撞玻璃現(xiàn)象也能起到一定的積極作用。

廣泛存在于自然界的能夠反射紫外線的物質(zhì)，如蜘蛛網(wǎng)、動物體液等所反射出的紫外線能夠被鳥類看到從而有助于鳥類的捕食以及避免障礙物，然而人類的眼睛不具備看到紫外線的能力。當這種透明的紫外線反射涂料被涂覆在玻璃表面上時，對于人類來說玻璃依然是透明的，而在鳥類的眼中這塊玻璃則是擁有顏色和圖案的，可以有效地避免鳥類撞擊。通過這種作用方法，對UV吸收/反射防鳥撞玻璃可以完美地平衡人類對于玻璃的透明度和防鳥撞性的需求。除此之外，對UV吸收/反射防鳥撞玻璃的這種特性也可以被用來提升城市居民對于保護鳥類的積極性。

在白天，對UV吸收/反射防鳥撞玻璃可以吸收和反射來自太陽光和環(huán)境中的紫外線來規(guī)避鳥類的碰撞。而在夜晚，對UV吸收/反射防鳥撞玻璃可以持續(xù)向外輻射其在白天有日照條件下時所吸收的紫外線，當這些少量的被吸收的紫外線被全部輻射出去之后，可以采用紫外線燈光照射的方法來使它恢復工作。在夜晚自然環(huán)境中的紫外線較為微弱，此時打開紫外線燈光向?qū)V吸收/反射防鳥撞玻璃幕墻進行照射，人眼就可以看見幕墻上所反射出的紫外線構(gòu)成的圖案，即鳥類在白天看到的圖案。由此，觀眾們得以從鳥類的視角去觀察自己所處的城市，從而建立起與自然的聯(lián)系，并激發(fā)他們對于保護鳥類的主觀能動性。

2 防鳥撞玻璃生產(chǎn)工藝

2.1 生產(chǎn)方法

防鳥撞玻璃是采用絲網(wǎng)印刷工藝，將已制作好的網(wǎng)版、調(diào)配好的功能性防鳥撞涂料借用絲印機將釉料通過網(wǎng)版承接在玻璃表面后經(jīng)過烘干、燒結(jié)制成的。印刷在玻璃表面的釉料圖案呈現(xiàn)透明狀態(tài)，已絲印烘干完的防鳥撞玻璃需進行鋼化處理，使玻璃表面的釉料與玻璃燒結(jié)成一個整體。完成鋼化處理的防鳥撞玻璃涂層具有耐酸堿、耐劃傷、不易被機械及化學試劑剝離掉的特性。

2.2 加工流程

防鳥撞玻璃的加工流程可分為切片磨邊、絲印準備、施釉、烘干、鋼化五個主要環(huán)節(jié)。其中需重點注意的環(huán)節(jié)為絲印準備環(huán)節(jié)，因為防鳥撞玻璃需具有防鳥撞功能的涂料和圖案才能發(fā)揮作用。

①切片磨邊

項目來料需要使用超白玻璃基片進行切磨，切磨后的玻璃表面界面需使用專業(yè)的清洗機清洗，保證絲印前玻璃界面是超親水狀態(tài)。

②絲印準備

絲印前需根據(jù)鳥類體積涉及鳥撞可接收到的波長設(shè)計圖案大小及圖案覆蓋率，準備好相應的涂料和網(wǎng)版。

涂料制作：防鳥撞玻璃需提前調(diào)配具有防鳥撞作用的功能性涂料，成分為石英粉、氧化鋁、聚四氟乙烯和烷烴類物質(zhì)。其中聚四氟乙烯具有反射紫外線的功能，能夠反射紫外線的波段為250～400 nm；石英粉和氧化鋁能夠增強防鳥撞涂料與玻璃之間的附著力、抗劃傷及耐酸堿性優(yōu)異。

網(wǎng)版制作：菲林網(wǎng)版的制作需要的輔材為圖案菲林、網(wǎng)框、網(wǎng)紗、粘網(wǎng)膠、感光膠等。滿足防鳥撞特性的圖案菲林，其圖案大小及覆蓋率需根據(jù)鳥類的體型及防鳥撞涂料輻射范圍制作。常見的小型鳥類有雨燕、麻雀、東方大葦鶯、紅耳鵯等，它們展開雙翅的寬度大于8 cm，高度大于5 cm，原則上要制作的圖案間隙應小于此范圍。本次設(shè)計的防鳥撞圖案如圖1所示。

圖1 防鳥撞玻璃圖案

在制作網(wǎng)版時，應將精度及目數(shù)較高的網(wǎng)紗（制作防鳥撞網(wǎng)版需球網(wǎng)紗目數(shù)需高于350目）通過繃網(wǎng)機貼附在網(wǎng)框上，網(wǎng)紗與網(wǎng)框接觸的部分需涂抹粘網(wǎng)膠使其牢靠的粘結(jié)在一起，空白的網(wǎng)框上需均勻涂抹感光膠，而后將其晾干。晾干后將圖案菲林貼附在網(wǎng)紗上進行曝光、曬版，即可完成防鳥撞網(wǎng)版的制作。

③施釉

在制作完涂料和網(wǎng)版后，就進入到施釉環(huán)節(jié)，施釉是將已經(jīng)制好的涂料適量傾倒于絲印網(wǎng)版上，再通過膠刮使得涂料均勻地通過網(wǎng)版上的空隙承印在玻璃基片上。

④烘干

施釉完成后的玻璃基片進入烘干爐（溫度設(shè)定：200～230 ℃、輻射烘干時間：10～12 min）將涂料表面的揮發(fā)分去除掉，使釉層表面是干燥狀態(tài)。

⑤鋼化

根據(jù)玻璃的厚度調(diào)試鋼化的溫度及時間、鋼化后的玻璃涂料層與玻璃結(jié)合成整體。加工完畢后，玻璃就擁有防鳥撞功能和耐酸堿、耐劃傷等特性。需注意，在進行燒結(jié)時溫度過高會導致顏色不穩(wěn)定，溫度過低則熔化不徹底，應在650～700 ℃范圍內(nèi)進行。

3 防鳥撞玻璃的性能優(yōu)勢

按照生產(chǎn)步驟制得防鳥撞6 mm超白玻璃后，經(jīng)測試得到各項數(shù)據(jù)，見表1、表2、表3和圖2。

表1 顏色性能測試數(shù)據(jù)

表2 耐酸堿實驗數(shù)據(jù)

圖2 950光譜測試數(shù)據(jù)

表3 光譜數(shù)據(jù)對比

續(xù)表3

通過以上測試數(shù)據(jù)可以說明，該防鳥撞玻璃耐酸堿、耐劃傷、不易被機械及化學試劑剝離掉，并在理論上可以滿足防鳥撞需求。由于鳥類視覺主要是紫外區(qū)域，通過防鳥撞6 mm超白玻璃光譜與普通6 mm超白玻璃光譜對比，在紫外波段300～320 nm處，防鳥撞6 mm超白玻璃比普通玻璃反射高0.7%～14.2%，在紫外波段325～445 nm處防鳥撞6 mm超白玻璃比普通玻璃反射高15.8%～25.2%。防鳥撞玻璃圖層對比普通玻璃紫外反射明顯高于普通玻璃。

為測試玻璃在實際應用時對于鳥類的防撞功能，效仿ABC的隧道測試研究試驗方法，準備一節(jié)五面封閉的集裝箱，在唯一一面透光面分別加裝按照本制作方法制成的防鳥撞6 mm超白玻璃和普通6 mm超白玻璃，制成“隧道”。隧道示意照片見圖3。

圖3 隧道示意圖

從理論上講，在此隧道中的鴿子會在想要飛出集裝箱時撞在其無法辨識的普通6 mm超白玻璃上，而能夠反射紫外線讓鴿子看到的防鳥撞6 mm超白玻璃則會被它們避開。為驗證這一點，在隧道準備就緒后，研究人員將隨機抓取的鴿子置入隧道中，觀察并記錄鴿子在想要飛出集裝箱時在兩塊玻璃上的碰撞次數(shù)，并以此推斷鴿子對于這兩種玻璃的選擇傾向。

經(jīng)過試驗得出結(jié)論：鴿子在防鳥撞6 mm超白玻璃上發(fā)生碰撞的次數(shù)遠遠低于在普通6 mm超白玻璃上發(fā)生碰撞的次數(shù)，根據(jù)本方法制得的防鳥撞6 mm超白玻璃達到此次設(shè)計的防鳥撞性能標準。

4 結(jié)語

采用物理鍍膜工藝制作的鳥類可識別的波段膜系工藝復雜、穩(wěn)定性差、實現(xiàn)量產(chǎn)的難度較高。而本方法采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，生產(chǎn)工藝流程簡單、效率高、適合連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)。

制樣采用的功能性涂料成分主要是二氧化硅、氧化鋁、聚四氟乙烯、烷烴類等，因而可根據(jù)應用環(huán)境、制作方法的不同將涂層微調(diào)為多種透明近似無色的顏色，并與鍍膜膜層形成新的干涉顏色，以此保證Low-E玻璃在保有原有綠色、環(huán)保的光學數(shù)據(jù)的同時，能夠應用出新的圖案和顏色。新的圖案、顏色也可以更好地表達設(shè)計理念、建筑文化和內(nèi)涵，具有一定的市場需求。

在玻璃上粘貼、印刷的防鳥撞貼紙或防鳥撞圖案都是有顏色的，這會導致在接受太陽照射時這一部分會比無色透明的玻璃加熱得更快，從而出現(xiàn)熱張力帶來玻璃上微小的熱裂紋，降低玻璃的強度。而對UV吸收/反射防鳥撞玻璃是完全無色透明的，并不存在加熱不勻的可能性，在未來對UV吸收/反射防鳥撞玻璃或許會成為解決熱裂問題的有效方法，具有很高的投資價值。

對UV吸收/反射防鳥撞玻璃既能滿足防鳥撞需求，又能提供審美價值，消除了建筑與保護鳥類之間的沖突，且能順應國際環(huán)境發(fā)展、滿足社會對于保護野生動物的美好期望。