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什么是LOW-E玻璃及生產流程

2013年2月19日  

    玻璃是重要的建筑材料,隨著對建筑物裝飾性要求的不斷提高,玻璃在建筑行業中的使用量也不斷增大。然而,當今人們在選擇建筑物的玻璃門窗時,除了考慮其美學和外觀特征外,更注重其熱量控制、制冷成本和內部陽光投射舒適平衡等問題。這就使得鍍膜玻璃家族中的新貴——Low-E玻璃脫穎而出,成為人們關注的焦點。
    Low-E玻璃又稱低輻射玻璃,是在玻璃表面鍍上多層金屬或其他化合物組成的膜系產品。其鍍膜層具有對可見光高透過及對中遠紅外線高反射的特性,使其與普通玻璃及傳統的建筑用鍍膜玻璃相比,具有以下明顯優勢:
      優異的熱性能
      外門窗玻璃的熱損失是建筑物能耗的主要部分,占建筑物能耗的50%以上。有關研究資料表明,玻璃內表面的傳熱以輻射為主,占58%,這意味著要從改變玻璃的性能來減少熱能的損失,最有效的方法是抑制其內表面的輻射。普通浮法玻璃的輻射率高達0.84,當鍍上一層以銀為基礎的低輻射薄膜后,其輻射率可降至0.1以下。因此,用Low-E玻璃制造建筑物門窗,可大大降低因輻射而造成的室內熱能向室外的傳遞,達到理想的節能效果。
      室內熱量損失的降低所帶來的另一個顯著效益是環保。寒冷季節,因建筑物采暖所造成的CO2、SO2等有害氣體的排放是重要的污染源。如果使用Low-E玻璃,由于熱損失的降低,可大幅減少因采暖所消耗的燃料,從而減少有害氣體的排放。
    良好的光學性能
      Low-E玻璃對太陽光中可見光有高的透射比,可達80%以上,而反射比則很低,這使其與傳統的鍍膜玻璃相比,光學性能大為改觀。從室外觀看,外觀更透明、清晰,即保證了建筑物良好的采光,又避免了以往大面積玻璃幕墻、中空玻璃門窗光反射所造成的光污染現象,營造出更為柔和、舒適的光環境。
    Low-E玻璃的上述特性使得其在發達國家獲得了日益廣泛的應用。我國是一個能源相對匱乏的國度,能源的人均占有量很低,而建筑能耗已經占全國總能耗的27.5%左右。因此,大力開發Low-E玻璃的生產技術并推廣其應用領域,必將帶來顯著的社會效益和經濟效益。
   
      Low-E玻璃的應用與發展
   
      在美國及歐洲,低輻射(Low-E)(譯稱婁義)鍍膜玻璃由于其優越的性能,得到了極大的關注。特別是德國的Wschvo法規,使Low-E玻璃有迅猛的發展。
    歐洲的制造商是在60年代末開始實驗室研究"Low-E"的。1978年,美國的英特佩(interqane)成功地將"Low-E"玻璃應用到建筑物上。
    "Low-E"的優越性是無可質疑的 。從1990年開始,"Low-E"的用量在美國以年5%的速度遞增 。將來,"Low-E"是否成為窗玻璃的主導地位還不得知,但是業主和門窗公司都非常重視節能型的門窗。而且,今年的建筑物絕大多數是用它的節能效果來評定優劣的。
   
      目前的兩種Low-E玻璃生產方法
   
      在線高溫熱解沉積法:
   
      在線高溫熱解沉積法"Low-E"玻璃在美國有多家公司的產品。如PPG公司的 Surgate200,福特公司的Sunglas H.R"P"。這些產品是在浮法玻璃冷卻工藝過程中完成的。液體金屬或金屬粉沫直接噴射到熱玻璃表面上,隨著玻璃的冷卻,金屬膜層成為玻璃的一部分 。固此,該膜層堅硬耐用。這種方法生產的"Low-E"玻璃具有許多優點:它可以熱彎,鋼化,不必在中空狀態下使用,可以長期儲存。它的缺點是熱學性能比較差 。除非膜層非常厚,否則其"u"值只是濺射法"Low-E"鍍膜玻璃的一半。如果想通過增加膜厚來改善其熱學性能,那么其透明性就非常差。
   
      離線真空濺射法
   
      離線法生產Low-E玻璃,是目前國際上普遍采用真空磁控濺射鍍膜技術。用濺射法可以生產"Low-E"玻璃的廠家及產品有北美的英特佩公司的"LnplusNetetralR",PPG公司的Sungatel00,福特公司的SunglasHRS等 。和高溫熱解沉積法不同,濺射法是離線的。且據玻璃傳輸位置的不同有水平及垂直之分。
    濺射法工藝生產"Low-E"玻璃,需一層純銀薄膜作為功能膜。純銀膜在二層金屬氧化物膜之間。金屬氧化物膜對純銀膜提供保護,且作為膜層之間的中間層增加顏色的純度及光透射度。
      垂直式生產工藝中,玻璃垂直放置在架子上,送入10-1帕數量級的真空環境中,通入適量的工藝氣體(惰性氣體Ar或反應氣體O2、N2),并保持真空度穩定。將靶材Ag、Si等嵌入陰極,并在與陰極垂直的水平方向置入磁場從而構成磁控靶。以磁控靶為陰極,加上直流或交流電源,在高電壓的作用下,工藝氣體發生電離,形成等離子體。其中,電子在電場和磁場的共同作用下,進行高速螺旋運動,碰撞氣體分子,產生更多的正離子和電子;正離子在電場的作用下,達到一定的能量后撞擊陰極靶材,被濺射出的靶材沉積在玻璃基片上形成薄膜。為了形成均勻一致的膜層,陰極靶靠近玻璃表面來回移動。為了取得多層膜,必須使用多個陰極,每一個陰極均是在玻璃表面來回移動,形成一定的膜厚。
      水平法在很大程度上是和垂直法相似的。主要區別在玻璃的放置,玻璃由水平排列的輪子傳輸,通過陰極,玻璃通過一系列銷定閥門之后,真空度也隨之變化。當玻璃到達主要濺射室時,鍍膜壓力達到,金屬陰極靶固定,玻璃移動。在玻璃通過陰極過程中,膜層形成。
      目前,國產和絕大部分進口磁控濺射鍍膜生產線的目標產品均是以鍍制單質膜和金屬膜為主的陽光控制膜玻璃。這類產品工藝相對簡單,對設備的要求較低。因此,這些生產線不能滿足鍍制LOW-E玻璃的要求。
   
     濺射法生產"Low-E"玻璃,具有如下特點
   
      由于有多種金屬靶材選擇,及多種金屬靶材組合,因此,濺射法生產"Low-E"玻璃可有多種配置。在顏色及純度方面,濺射鍍也優于熱噴鍍,而且,由于是離線法,在新產品開發方面也較靈活 。最主要的優點還在于濺射生產的"Low-E"中空玻璃其"u"值優于熱解法產品的"u"值,但是它的缺點是氧化銀膜層非常脆弱,所以它不可能象普通玻璃一樣使用。它必須要做成中空玻璃,且在未做成中空產品以前,也不適宜長途運輸。
   
      Low-E玻璃的特點及功能
   
      太陽輻射能量的97%集中在波長為0.3-2.5um范圍內,這部分能量來自室外;100℃以下物體的輻射能量集中在2.5um以上的長波段,這部分能量主要來自室內。
    若以室窗為界的話, 冬季或在高緯度地區我們希望室外的輻射能量進來,而室內的輻射能量不要外泄。若以輻射的波長為界的話,室內、室外輻射能的分界點就在2.5um這個波長處。因此,選擇具有一定功能的室窗就成為關鍵。
    3mm厚的普通透明玻璃對太陽輻射能具有87%的透過率,白天來自室外的輻射能量可大部分透過;但夜晚或陰雨天氣,來自室內物體熱輻射能量的89%被其吸收,使玻璃溫度升高,然后再通過向室內、外輻射和對流交換散發其熱量,故無法有效地阻擋室內熱量泄向室外。
      Low-E中空玻璃對0.3-2.5um的太陽能輻射具有60%以上的透過率,白天來自室外輻射能量可大部分透過,但夜晚和陰雨天氣,來自室內物體的熱輻射約有50%以上被其反射回室內,僅有少于15%的熱輻射被其吸收后通過再輻射和對流交換散失,故可有效地阻止室內的熱量泄向室外。Low-E玻璃的這一特性,使其具有控制熱能單向流向室內的作用。
      太陽光短波透過窗玻璃后,照射到室內的物品上。這些物品被加熱后,將以長波的形式再次輻射。這些長波被"Low-E"窗玻璃阻擋,返回到室內。事實上通過窗玻璃再次輻射被減少到85%,極大地改善了窗玻璃絕熱性能。
      窗玻璃的絕熱性能一般是用"u"值來表示的,而"u"值和玻璃的輻射率有直接的關系。"u"值的定義為:ASHRAE標準條件下,由于玻璃熱傳導和室內外的溫差,所形成的空氣到空氣的傳熱量。其英制單位為:英熱量單位每小時每平方英尺每華氏溫度,公制單位為:瓦每平方米每攝氏溫度、"u"值越低,通過玻璃的傳熱量也越低,窗玻璃的絕熱性能越好。輻射率是某物體的單位面積輻射的熱量同單位面積黑體在相同溫度,相同條件下輻射熱量之比。輻射率定義是某物體吸收或反射熱量的能力。理論上完全黑體對所有波長具有100%的吸收。即反射率為零。因此,黑體輻射率為1.0。
      通常,浮法白玻璃的輻射率為0.84。而大多數在線熱聚合"Low-E"鍍膜玻璃的輻射率在0.35到0.5 之間。磁控真空濺射"Low-E"鍍膜玻璃的輻射率在0.08到0.15之間。值得注意的是低的輻射率直接對應著低的"u"值。玻璃的輻射率越接近于零,其絕熱性能就越好。
    一個"節能采光系統"的優越性必須體現在盡可能高的太陽總能量的透過,而同時具有最低的"u"值。通過同時考慮能量的獲得和熱的損失,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統是真空磁控濺射"Low-E"鍍膜中空玻璃。盡管單層玻璃其太陽能的透射為最大,但它的"u"值及"Ueg"值卻最差。因此,不能滿足好的能量平衡的需求。
      單純高的太陽能透射,能有效地保持這些能量,就不能認為它是節能材料。"Low-E" 鍍膜中空玻璃是一種較好的節能采光材料。它具有較高的太陽能透射,非常低的"u"值,并且,由于鍍膜的效果,"Low-E"玻璃反射的熱量回到室內,使得窗玻璃附近的溫度較高,人在窗玻璃附近也不會感到太大的不適。而應用"Low-E"窗玻璃的建筑其室內溫度相對較高,因此在冬季可以保持相對高的室內溫度,而不結霜,這樣在室內的人也會倍感舒適。"Low-E"玻璃也能夠阻擋大量的紫外線透射,防止室內的物品退色。
   

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