镀膜玻璃膜层失效原因及分析方法探究

刘 雄 ，李中皓（.上海建科检验有限公司，上海 008；.上海应用技术大学，上海 0003）

镀膜玻璃作为改进玻璃性能的重要手段，在国内得到了广泛的应用，特别是低辐射（Low-E）玻璃，它具有优异的隔热、保温性能，能够起到冬暖夏凉的效果，根据制作工艺可以分为离线镀膜和在线镀膜两种。

在线镀膜是指在浮法玻璃制造的过程中完成镀膜，在玻璃退火阶段，温度接近 700 ℃ 时，用化学气相沉积法将金属氧化物沉积在玻璃表面，待玻璃冷却后，膜层成为玻璃的一部分。通过在线镀膜法得到的膜层经久耐用，镀膜基本不会发霉、脱落或变色，也不容易发生氧化，但是这种镀膜玻璃的辐射率只能做到 0.25 以下。

离线镀膜是指将已经制好的浮法玻璃送入真空室，用磁控溅射法，将不同材料的原子溅射到玻璃表面，形成多层复合薄膜。通过离线镀膜法制得的镀膜玻璃辐射率可做到 0.15 以下，节能效果更好，还可以根据实际情况调整，玻璃颜色也可以自由变换。在复合膜层中，起主要作用的是Ag 层，可以是单银、双银或三银，层数越多，效果越好。但 Ag 的质地较软且化学活性高，容易受到外界影响及腐蚀从而导致膜层脱落、失效，为了保护其膜层，常制作成中空玻璃。

镀膜玻璃膜层的质量评估包括诸多的方面，有结构方面的、理化方面的、功能方面的热、电、光等。主要可从以下特性判断其品质，即针孔、结合力、耐磨性、均匀性、化学稳定性、光学性能、热学性能、电学性能。

由于制作工艺复杂，受使用环境的影响，导致镀膜玻璃失效的原因非常多。本文对镀膜玻璃膜层失效的原因进行了探讨，并在某工程案例中提出了针对膜层失效原因分析的检测手段和方法。

1 膜层失效的原因

膜层失效的原因可从生产和使用两个方面进行分析。生产方面主要针对生产过程中不规范的行为和不合格的材料。使用因素主要探究使用过程中环境和应力的影响。

1.1 生产方面

(1) 本底真空度。真空磁控溅射法，先要将镀膜室抽成真空，排除空气对镀膜的影响，然后通入氩气，在电磁的控制下撞击靶材，靶材粒子则散落在玻璃表面。根据鞠洪博的研究，本底真空度对膜层的质量影响很大，本底真空度越小，膜层与基体之间的附着力越好，因此如果本底真空度太大的话，膜层与基体之间的结合不够牢固，在使用过程中就有可能脱落。

(2) 玻璃原片从生产出来到被加工成镀膜玻璃，其间原片的储存时间最好不超过 1 个月。玻璃原片储存时间越长，受到空气中水汽和微生物的影响越大，越容易滋生出霉菌及难以清洗的污渍。这就导致玻璃与膜层的结合力降低，最终使得膜层脱落。

原片生产后由于管理不当，在储存和运输过程中，玻璃表面出现了划伤、磨损等物理性伤害，当靶材粒子落在这些伤痕上时，不利于膜层的结合，镀膜后膜层也容易脱落。

(3) 清洗环节是玻璃镀膜的重要环节，玻璃如果不干净，镀膜效果就差，膜层就容易脱落。去离子水的纯度要在10 MΩ 以上，如果低于该标准，会因为水质不纯导致膜层脱落。其次，清洗设备的水箱和管道如果不注意定时清洁，就会导致水质受到污染，最终影响膜层与基体的附着力。

(4) 密封胶的密封性能要好，有的密封胶固化后有孔隙，不能很好地隔绝空气中水汽和硫化氢的影响。不同的镀膜应当使用不同的密封胶，聚硫胶中的硫成分可能会导致膜层硫化脱落；劣质硅酮胶中的白油气化后也会伤害膜层导致失效。

(5) 不合格的分子筛不能有效隔绝水汽，劣质的干燥剂受潮可能会有气体产生，污染膜层。

1.2 使用方面

(1) 在运输存储过程中，镀膜玻璃的包装如果不够紧密，玻璃与玻璃之间发生摩擦，就会导致膜层脱落，损坏。LOW-E 离线镀膜玻璃的膜层 Ag 层质地较软，容易受到应力破坏，导致膜层失效，脱落。因此，单片 LOW-E 离线镀膜玻璃不建议单独使用。

(2) 在镀膜玻璃做中空的时候，需要将打胶部位的膜层彻底清除，一是为了确保胶与玻璃的粘结性能，二是防止胶与膜层结合后，受外力影响，导致膜层被胶带着脱落。

膜层暴露在高温高湿的环境可能直接受到破坏，潮湿环境滋生的细菌、霉菌也会污染膜层，其次暴露在高温高湿的环境中的密封胶可能产生化学变化，进一步影响膜层，最终使得膜层脱落失效。

2 工程案例分析

上海某酒店玻璃幕墙，其楼层非透明部分镀膜夹胶玻璃出现变色情况，需分析镀膜玻璃膜层脱落的原因。实地考察后，根据上海气候环境调研，在现场温湿度监测的基础上，用环境模拟的方法确认夹胶镀膜玻璃表观质量受周边环境的温度和湿度等影响因素的变化情况，同时辅以玻璃光学性能检测、扫描电镜 SEM 和 X 射线探测 EDX 分析等微观分析手段，检测镀膜玻璃在经受环境模拟实验后的性能变化情况。

2.1 环境监测

选取酒店 5 楼靠西面的某间房间对层间位置玻璃的表面温度进行了 24 h 不间断地测量，监测结果显示，空气温度最高约为 33 ℃，玻璃表面温度在 5 月 17 日 15 时 27 分达到最高值 56.1 ℃，高于空气温度 20 ℃ 以上，5 月 17 日 5时 17 分达到最低值 14.1 ℃，1 d 内表面温度变化幅度达到42 ℃，湿度约为 80% 左右。

查阅 2013 年上海地区的各个月份的相对湿度与温度统计。该年上海年平均湿度在 68%，月相对湿度在 65% 以上的月份有 9 个月，平均温度在 20 ℃ 以上的月份有 6 个月。在2013 年 7 月上海的最高温度平均在 36 ℃ 以上，在该月上海有连续 10 d 最高温度在 38 ℃ 以上的记录。

2.2 环境模拟

通过在实验室模拟现场的温湿度环境，高低温循环测试，并观察测试玻璃的表观质量变化情况。

样品从工程施工图中选取相应的板块，面板材料、尺寸、玻璃配置、铝框、背衬材料、材料表面处理等均需与实际工程一致。

样品数量：2 个，一个用于循环测试，另外一个放在室内作为对比样。

测试方法见图1，玻璃样品安装在环境模拟箱上，镀膜面面向环境模拟箱。箱中盛放一定量的水，通过加热光源的照射使环境模拟箱产生高温高湿的环境，通过玻璃表面温度控制加热光源，周期性地开关模拟自然的变化。过程中定期拍照、记录温湿度数据。试验结束后，将样品拆卸检查，拍照并记录玻璃镀膜面表观质量变化情况。

图1 模拟装置图

循环测试 30 次后，空气中含有的湿气开始使试件表面结露；循环测试 200 次后，原先结露的部位开始有斑点，但不是很明显；循环测试 500 次后，斑点开始连成片，逐步扩大，越来越明显，玻璃表面的功能膜层出现黑斑等情况。玻璃边缘区域的变质情况连接成片，中心区域的变质情况少而疏，边缘区域变质现象比中心区域更加严重。

2.3 光学性能

利用分光光度计和傅里叶红外光谱仪测量，该项目夹胶玻璃的光学性能特点为透过率、反射率较低，吸收率很高，特别是在红外光谱波段，其吸收率接近 0.8。因此可判断该玻璃为镀膜吸热玻璃。

2.4 ATR 红外图谱分析

傅里叶红外光谱通过测量不同波数的红外光对样品的吸光度，透光率和吸光率，判断物质的组成。通过对 PVB 胶片的红外图谱分析，判断 PVB 胶片是否因为环境发生化学反应。

分别对新玻璃的 PVB 胶片和热循环后的玻璃 PVB 胶片做红外分析，峰值的位置差不多，没有新的吸收峰出现，说明热循环后胶的变化不大。

2.5 电子显微镜 SEM 分析

扫描电子显微镜最高可以放大 100 000 倍，可以清晰地观察到物体的微观结构，判断膜层的损坏情况。对新样品进行检测发现，新玻璃表面的膜层粒子有序紧密排列，没有较大的孔洞，膜层保持完好的性能。

对热循环 500 次后的样品进行放大观察，如图2、图3、图4 所示，A 区膜层破坏较小，B 区膜层破坏严重。A 区的膜层粒子在受到热循环测试后出现粘结，变形等情况，原本细致排列的膜层粒子出现孔洞。B 区的膜层粒子，出现大面积孔洞，玻璃表面膜层脱落严重，导致玻璃变色。

图2 放大 500 倍的失效玻璃图片

图3 A 区放大 100 000 倍的图片

图4 B 区放大 100 000 倍的照片

2.6 X 射线探测 EDX 能谱分析

分别从新玻璃（Spectrum 10）和经过热循环 500 次的玻璃（Spectrum 11）上取点进行 EDX 能谱分析，将结果进行对比发现：

(1) 碳元素含量大大增加了，说明膜层表面有机物的含量增多了。

(2) 硅和氧的含量变动不大，说明玻璃本身的损伤不大。

(3) 金属含量大多增加了，膜层粒子变得不均匀。

(4) 其中 Ti 的含量变为 0，说明 Ti 膜层脱落了。

3 结 语

通过对镀膜玻璃膜层失效的理论原因进行分析后可知，生产过程中真空度、玻璃洁净度，使用环境的高温高湿、胶片和胶的污染，都会导致玻璃膜层污染乃至脱落。在该工程案例中，通过环境模拟测试证明该型号镀膜玻璃直接暴露在空气中使用，会导致膜层脱落、玻璃变色。采用分光光度计、ATR 红外光谱仪、SEM 扫描电子显微镜、EDX 能谱分析仪可从物理，化学等多方面对镀膜玻璃进行检测，分析镀膜玻璃质量，是一种可行的检验手段。采用环境模拟测试，可有效判别镀膜玻璃产生问题的原因。