平板玻璃表面涂料的研究及應用

    溶膠-凝膠法作為一種涂裝新工藝很早就開始用于玻璃表面的涂裝，具有成本低廉、操作方便等特點，可應用于金屬、玻璃和瓷器等的表面涂裝。同時，利用溶膠-凝膠技術制備的涂料可顯著提高基材的機械、熱學、光學、電學等性能，該類涂料還具有耐磨、耐剝離、耐分層和保護底材不受外力影響等功能；突出優點是容許玻璃在溫度低于硅酸鹽熔化點以下使用，能保證涂料在玻璃表面成膜時有較小的粒經（＜100nm＝，使涂膜均勻，容易將金屬氧化物涂料涂裝在玻璃基材上。Nikoli L等研究SiO2溶膠-凝膠涂料對堿玻璃基材強度的影響，結果表明，SiO2涂料的微結構取決于SiO2溶膠結構。Vroon ZAEP 等以醇鹽為溶劑分別制備了氧化釩和氧化鎢涂料，將這兩種涂料在K-玻璃表面制膜后，發現氧化釩涂膜均勻一致較好，且具有優異的電變色性能。在氧化釩/氧化鈦涂料中，當氧化鈦含量達到40%以上時，涂膜蓄電量可達到45mc/cm2。


    目前，溶膠-凝膠法可應用于制作單組分或多組分涂料，特別是有機-無機雜化涂料，以及透明導電和防靜電涂料、氟化涂料和染料復合材料等，將這些涂料涂裝在玻璃表面，可使玻璃具有顯色、防反射、選擇反射、選擇吸收、增滑、防污等性能。


    2 平板玻璃涂料應用研究進展

    2.1普通裝飾性涂料

    透明玻璃涂料具有著色牢固、不龜裂、不脫落、色彩鮮艷、經久耐用等優點，將其涂于平板玻璃表面干燥成膜后，可以拼鑲成各種藝術圖案，廣泛用于各類建筑物的門窗、天花板裝飾，以及高層建筑物的幕墻裝飾。如石爾雅等利用St-MMA-MAA三元共聚物與環氧樹脂、有機混合溶劑、固化劑和色料按照一定的比例混合，配制出一種透明有色玻璃涂料；Sinha等則將含有羧基官能團的苯乙烯-馬來酸酐共聚物、丙烯酸共聚物樹脂、增滑添加劑和化學交聯劑混合配制成固含量不＜10％的水性混合液，該涂料可在室溫下交聯形成光滑致密的涂膜，涂膜具有良好的耐磨性、耐熱水性和耐久性。由于共聚物樹脂中的羧基可以保證它在水中有較好的分散性，同時在交聯成膜后，涂膜表面的羧基使涂膜具有一定的親水性，從而使得在其表面涂墨或貼各種標簽更加容易。


    2.2低輻射（Low-E）涂料

    低輻射玻璃是20世紀90年代以來出現的另外一種新型節能玻璃。它利用高科技的鍍膜技術，在玻璃表面鍍上了特殊的金屬化合物薄膜，可以反射紅外、遠紅外輻射，阻擋熱量的傳遞。同時，低輻射玻璃仍然保持了很好的透光性，在阻擋熱量傳遞的同時，不影響室內的光亮。低輻射玻璃為了保護膜層，一般做成中空或夾層玻璃來使用。這使得其成為當今最理想的節能窗玻璃材料。如孟慶林等將納米ATO與水性聚氨酯通過一定的工藝制備出納米隔熱涂料，在常溫下涂覆于玻璃表面制成低輻射玻璃，其光學性能分析表明其具有較好的隔熱效果，6mm厚白玻璃涂布后遮陽系數SC＜0.67,且可見光透過率較高，＞63%，并且玻璃表面光滑平整可視性好，具有良好的市場前景。


    目前，在玻璃上使用的低輻射涂料幾乎都是銀基涂膜。然而以銀為涂膜的低輻射涂料在耐久性方面較差，為了保證玻璃對一定范圍的可見光有較好的透明度，同時防止銀涂膜免受腐蝕，還需在涂層中引入具有高折射性能的材料（如SnO2，ZnO，Si3N4，TiO2）作為防反射和保護層。


    真空涂裝法在涂裝低輻射涂膜上具有非常優異的涂裝性能，且受內在環境因素的影響較小，故它在玻璃表面的涂裝方面占優勢。目前，世界每年對絕緣玻璃安裝組件的生產量達到2億m2，其中通過真空涂裝的低輻射玻璃大約占30%。


    目前，市場上擁有很多種不同設計組合的低輻射玻璃涂料。高光透射性、高環境穩定性和低輻射涂料是玻璃涂料未來的發展方向。在玻璃工業中，低輻射玻璃在建筑上的應用仍然顯得非常昂貴。這樣，低輻射玻璃涂料在光學性能，成本等方面仍有很大的提升空間。


    2.3防反射（AR）涂料

    AR涂料一般是由單層或多層涂膜疊加構成。單層只對某一波長的可見光起作用，多層則可對較大波長范圍的可見光起作用，減少反射損失。它可以將玻璃對較大范圍的可見光的反射值降到0.1%～0.3％。目前一般通過2種方法來降低玻璃的反射率：(1)非均相涂層，利用非均相表面涂層，可以降低2種介質之間的折射指數差距，從而降低光反射率；(2)干擾型多層疊加涂膜。


    早期的干擾型AR涂料由TiO2/SiO2-TiO2-SiO2三層涂膜組成，將其應用于硅酸鹽玻璃上具有較好的光學效果。這種不同配比的TiO2和SiO2溶膠可以制得折射指數在1.458～2.22（對550nm可見光）的涂膜。折射指數隨TiO2含量呈線性增長。將這種涂料浸涂于玻璃表面后，以400～500℃高溫進行處理，冷卻即可得到產品。這種產品可應用在玻璃展覽柜油畫的玻璃框架等方面。


    Yoldas通過Al(OR)3配制了Al2O3溶膠，待分散后，以浸涂的方式涂裝在玻璃板上，最后在300～500℃高溫下進行熱處理，得到厚度約1/4λ，多孔低折射指數的Al2O3涂膜。這種AR涂膜可應用于CRT，玻璃太陽能收集器等方面。Yamaguchi N等利用溶膠-凝膠，將多孔Al2O3溶膠浸涂于硅酸鹽玻璃表面，然后通過熱水處理后得到一種性能優良的AR涂膜。Ballif C等系統研究了利用溶膠-凝膠法制得SiO2防反射涂層，經研究得出這一系統可以節省3.4%～3.7％的能量。


    目前，CRT、平板玻璃展覽柜等對AR涂料的需求量持續增長，且市場上又出現一種叫做ARAS系統，它是將防反射涂料與透明導電層結合起來，可以減少CRT前電磁波輻射量，也可以減少CRT上灰塵的積累。


    2.4其它新型玻璃建材

    在新型玻璃建材的開發和應用方面，日本的東陶TOTO、旭硝子公司推出TiO2基薄膜自潔玻璃以及TiO2光催化陶瓷等建材產品。此外，英國皮爾金頓公司、美國PPG公司也已經開發出各種類型的憎水、親水、防油、防污染的自潔凈玻璃，并已在北美、歐洲、澳大利亞、日本等地區推出。據統計，全世界利用TiO2光催化劑制備的環保功能建材產品的銷售產值達42億～84億美元，其中，TiO2基薄膜自潔凈玻璃產品占數億美元的可觀產值。國內，中國建材科學研究院、清華大學、復旦大學等已開始研發并試制TiO2光催化自潔玻璃產品。


    目前，市場相繼出現各種功能型玻璃，如太陽能集熱器玻璃、太陽能電池玻璃、低輻射防光污染玻璃、光催化降解玻璃、防菌自潔玻璃以及調熱玻璃、熱致變色玻璃、光致變色玻璃等。


    3 結論

    目前，國內市場上性能優異的裝飾性彩色玻璃涂料較多，水性彩色玻璃涂料較少，且主要依靠進口。玻璃涂料的發展，必須順應當今世界涂料工業的潮流，向水性化和功能化方向發展。盡管有機硅、有機氟材料應用于玻璃表面可賦予玻璃新的優異性能，但產品價格仍偏高，今后的工作重點是降低此類含氟硅的玻璃涂料產品的成本。


    Low-E涂料，AR涂料等在等離子表面工程應用中越來越廣泛，在改進建筑玻璃光學性質方面作用較大。新型玻璃建材（如TiO2基薄膜自潔玻璃等）及高效涂裝技術將在玻璃產業中發揮重要作用。

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