基于两种单片防火玻璃光学性能的对比分析

钟应

（贵州省建材产品质量检验检测院 贵阳 550000）

0 引言

防火玻璃属于安全玻璃的一种，在火灾爆发的情况下，当其一面受火时，能在一定时间内保持玻璃的耐火完整性和隔热性。因防火玻璃具有良好的光学性能、耐热耐寒性能、抗冲击性能及耐火性能等特点，适用于各类高层建筑、玻璃幕墙、防火隔断、防火窗和防火门等地方［1］。随着我国建筑业的高速发展，大量的防火玻璃使用在建筑高层中，在满足防火性能、安全性基础上，光学性能成为选择防火玻璃的最关键因素。遮蔽系数直接反应玻璃的夏季隔热、冬季保暖的节能性能，透光率直接反应室内可见光透射比值。根据GB/T 2680—94《建筑玻璃 可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》，本文通过测定两种单片防火玻璃光学性能，对比分析可能影响两种单片防火玻璃光学性能的原因，可以有效指导企业优化原片玻璃化学配方、改进生产工艺；完善建筑设计理论，助力选择具有安全性好、透光率高及节能保温的防火玻璃。

1 试验

本试验所采用的材料为贵州省某两个玻璃深加工企业单片防火玻璃，两种防火玻璃厚度均为12 mm，对两种单片防火玻璃编号为1#和 2#。图1（a）为单片防火玻璃的端面图，（b）为单片防火玻璃的平面图。

从图1中可以看出1#单片防火玻璃颜色较深，2#单片防火玻璃颜色较浅、较白。根据GB 15763.1—2009 《建筑用安全玻璃 第1部分：防火玻璃》的技术要求，对1#和 2#进行抗冲击性能、碎片状态、耐火性能检测，检测结果见表1。

表1 试样1 #和 2 #检测结果

由表1可知，1#和 2#单片防火玻璃抗冲击性能、碎片状态、耐火性能的检测结果均符合标准要求。

光学性能利用Lamdbda-950紫外可见近红外光分光光度计测试分析。

2 结果分析与讨论

2.1 分析反射率和透过率峰值

图2为1#和 2#单片防火玻璃相同波长下的透射与反射光谱。

由图2中1#玻璃光谱数据可知，在波长为855 nm时透过率出现最大值（75.03%），在波长855 nm时，反射率出现最大值（31.95%）；由图2中2#玻璃光谱数据可知，在波长为855 nm时反射率出现最大值（41.71%）。

2.2 1 #和 2 #试样的透射与反射光谱数据对比分析

图3为1#和 2#单片防火玻璃的透射与反射光谱曲线图。

由图3（a）可知，对250 nm～2 500 nm波长光区，总体趋势，1#和2#玻璃均有良好的光学透过率；在紫外区280 nm～380 nm波长范围中，1#和2#玻璃透过率表现出逐渐增长的过程，且曲线高度重合，说明1#和 2#玻璃紫外光的透射比差值较小；在可见光区380 nm～780 nm波长范围中，1#和 2#玻璃透过率均出现先升高到达峰值后降低到最小值，再次升高出现二次峰值后再次降低，第一次峰值（1#玻璃400 nm时透过率82.13%，2#玻璃405 nm时透过率88.29%）、最小值（1#玻璃440 nm时透过率78.29%，2#玻璃440 nm时透过率87.64%）、第二次峰值（1#玻璃525 nm时透过率84.25%，2#玻璃520 nm时透过率89.97%）；在太阳光区中的780 nm～1 800 nm波长范围中，1#和 2#玻璃透过率均出现峰值与最小值，这段波长范围中，在波长为825 nm时1#玻璃出现最小值（透过率63.23%） 而2#玻 璃 则 是 拐 点 峰 值（ 透 过 率82.91%），1#玻璃在波长为855 nm时出现峰值（透过率75.03%），而2#玻璃则是在波长为850 nm时出现最小值（透过率81.15%）；在近红外区波长范围为1 800 nm～2 500 nm中，均在波长为2 150 nm时出现峰值（1#玻璃透过率70.88%，2#玻璃透过率79.47%），在波长为2 230 nm时最小值（1#玻璃透过率67.60%，2#玻璃透过率73.06%）。

由图3（b）可知，对250 nm～2 500 nm波长光区，1#和 2#玻璃反射率除出现一个跳跃的峰值外，反射率随波长增大而平缓变化，在波长为835 nm时1#和 2#玻 璃均出现最小值（1#玻璃反射率4.54%，2#玻璃反射率5.50%），在波长为855 nm时1#和 2#玻 璃均出现最大值（1#玻璃反射率31.95%，2#玻璃反射率41.71%）。

通过以上分析可以得出1#和 2#单片防火玻璃在250 nm～2 500 nm波长光区中，对紫外光、可见光、太阳光及近红外光的透过率波动趋势基本相近，1#和 2#单片防火玻璃对光的透射性影响除在825 nm～855 nm光区反常外，其余光区中透过率均随波长增大呈或增大或减小的趋势。1#和2#单片防火玻璃在250 nm～2 500 nm波长光区中，对紫外光、可见光、太阳光及近红外光的反射率波动趋势基本相似。

2.3 对1# 玻璃和2# 玻璃吸收系数及微观结构的讨论

由经典的Tauc方程给出了吸收系数a（w）作为光子能量hw的吸收函数关系式［2］：

式中：a（w）——吸收系数，a＝2.303A/d（A为光密度，d为样品厚度）；

h——Plank常量；

w ——入射光角频率；

Eopt——带隙；

m——电子跃迁是否被允许和截止决定的系数，对于无定形材料，m＝1/2或2分别对应直接允许跃迁或间接允许跃迁；

B——从（a（w）·hw）1/m对hw效率相关的常量。

在紫外光区域，玻璃的吸收是由基质内部本征吸收决定的［3］，因此，带隙越宽，紫外光吸收端吸收系数就越小，1#玻璃的带隙大于2#玻璃的带隙。

光经过介质的透过率不仅与光程有关，而且与介质电子的能带结构有关，那么光通过介质的强度I可以表示与入射光强度I0的函数关系式［4］。

式中：a——介质对光的吸收系数；

d——光穿过的厚度。

根据1#玻璃和2#玻璃波形数据，对于1#玻璃和2#玻璃，在厚度相同且试验环境一致条件下，可以得出1#玻璃的吸收系数大于2#玻璃的吸收系数。

本试验光经过空气介质再到玻璃，根据Fresnel关系［4］，玻璃反射系数R函数关系式：

式中：n——玻璃的折射率。

因此，玻璃的反射系数取决于玻璃的折射率n。由图可知1#玻璃反射率小于2#玻璃反射率，且光的损失比较严重，可以得出 1#玻璃折射率n大于2#玻璃折射率n。

从玻璃的微观结构分析，玻璃的透过率受玻璃晶界、晶粒、杂质、微气泡、微裂纹等影响。在玻璃制备过程中，玻璃晶粒越小，微气泡穿越晶粒扩散至晶界的行程就越短，从而气泡保留率就越低，玻璃的透过率就越高；气泡直径与光波波长l相接近，产生Mie散射；气泡直径小于光波波长l/3，产生RAYleigh散射；气泡直径大于光波波长l，产生反散射折射［5］。当光进入晶粒时，会与晶界相遇，则会产生反射和折射；如果晶界折射率和晶粒的折射率相同时，就不会产生折射和反射，则玻璃的透过率高，反之则玻璃的透过率低［5］。如果晶粒的直径与入射光的波长相近，则晶粒对入射光散射最强；晶粒直径小于入射光波长时，光线可以容易地通过。晶体光学性能的各向异性损害玻璃的透过率，具有双折射效应，在晶界处造成界面反射损失而降低透过率。微晶玻璃的光学性能主要取决于晶粒尺寸大小，晶粒尺寸小于可见光波长时，可以得到高透明度的玻璃［6］。1#玻璃在波长为525 nm时透过率最大值84.25%，2#玻璃在波长520 nm时透过率最大值89.97%，且整个可见光区域透过率明显优于其余光区域，可以得出1#玻璃和2#玻璃在可见光区域获得最好的透光性，同时2#玻璃的光学性能明显优于1#玻璃的光学性能，2#玻璃的微观组织优于1#玻璃的微观组织。

2.4 对1 #玻璃和2 #玻璃进行数据处理

根据国家标准GB/T 2680—94对1#玻璃和2#玻璃光谱数据进行处理，从表2可以得出，2#玻璃比1#玻璃的可见光透射比高0.067、遮蔽系数高0.106，则2#玻璃比1#玻璃具有高透光率和夏隔热冬保暖的性能；2#玻璃比1#玻璃的太阳光直接吸收比低0.145，2#玻璃的微观缺陷少于1#玻璃的微观缺陷，在长期太阳辐射下a相转化成b相时体积膨胀4%致玻璃破裂［7］，2#玻璃的a相转化成b相少于1#玻璃，则2#玻璃比1#玻璃安全性高。

表2 1 #玻璃和2 #玻璃光学数据

3 结论

随着人们生活水平的提高，对单片防火玻璃的实用性越来越高。对两种单片防火玻璃光学性能及微观结构对比分析得出：

（1）在两种单片防火玻璃的抗冲击性能、碎片状态、耐火性能合格基础上，2#单片防火玻璃具有较高的可见光透射比，优先选用2#单片防火玻璃。

（2）在紫外光区、可见光区、太阳光区及近红外光区，1#、 2#单片防火玻璃具有较高反射率波动趋势。

（3）通过经典的Tauc方程分析，1#单片防火玻璃的带隙大于2#单片防火玻璃的带隙。

（4）关于玻璃的微观结构，可能2#单片防火玻璃的微观组织优于1#单片防火玻璃的微观组织；2#单片防火玻璃的微观缺陷少于1#单片防火玻璃的微观缺陷，2#单片防火玻璃比1#单片防火玻璃安全性高。