智 能 温 室 大 棚 用 玻 璃

李军明

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

0 引言

我国优质良田面积有限，且在生产过程中大量使用农药、化肥导致农产品存在数量和质量双重安全隐患。智能温室大棚种植一般采用无土栽培，这样的项目完全可以建在盐碱地块、沙漠地带，可以置换出很多优质良田进行其它作物的种植。智能温室大棚作为一种用于无害化农产品批量生产的智能控制种植配套载体，近几年得到了快速的发展。

1 智能温室大棚透光保温覆盖材料选择

智能温室大棚主要由钢骨架、透光保温覆盖材料、智能控制系统组成。保温和光照是温室大棚农业生产中的重要工作，选择一种适合的覆盖材料尤为重要。

目前温室大棚覆盖材料主要有两种：塑料薄膜和玻璃。塑料薄膜大棚和玻璃大棚优劣对比：

（1）大棚建设方面

塑料薄膜大棚建设周期短，建造成本低，易施工；玻璃大棚建设周期长，建造成本高，施工要求高。

（2）环保方面

塑料薄膜破损后造成白色垃圾污染；玻璃可回收，无污染。

（3）大棚使用寿命

塑料薄膜易老化，抗风雨冰雹等自然破坏能力低，易损坏，寿命短；玻璃强度高，耐腐蚀，不惧紫外线，因此经久耐用，可用25年以上。

（4）大棚利用率

塑料薄膜大棚设有土墙等，且高度低，故空间利用率低；玻璃大棚可做20 m高，空间利用率高。

（5）大棚保温性能方面

塑料薄膜大棚白天升温明显，夜间温度下降快，造成夏季白天温度过高，冬季夜间温度太低，不利于作物生长，夏季白天降温和冬季夜间升温需大量的人力和物力，温室大棚种植成本高；玻璃温室大棚在白天和夜间的保温效果都比较好，温室大棚种植成本低。

（6）光照方面

塑料薄膜大棚有围挡土墙，面积小，高度低，塑料薄膜透光较低、无散射功能，因此塑料薄膜大棚采光率较低，光照较集中；玻璃大棚可建的面积大、高度高，五面采光，因此玻璃大棚采光面积大，玻璃经镀膜处理可见光透光率可达97.5%［2］，玻璃大棚采光率高，玻璃制造具有一定的雾度，让透射光散射，光照均匀，因此不会灼伤棚内种植物。

（7）智能方面

塑料薄膜大棚多采用人工密集型、经验式种植，劳动效率低；玻璃大棚基本都是采用计算机联控的智能化生产，具有种植模式多样化、产量高、智能通风遮阳降温等特点，能够有效减少人工成本，减少作物的病虫害。

玻璃大棚用玻璃通过原料低铁和镀增透膜技术可使玻璃透光率达97.5%，通过压延法成形可使玻璃具有适宜的雾度。

通过对比，超白压延镀膜玻璃以其无污染、使用寿命长、大棚利用率高、综合保温效果好、光照均匀、可见光透光率高（可达97.5%）、方便计算机智能联控等优异性能作为智能温室大棚透光保温覆盖材料的首选。

2 超白压延玻璃原片的制造

超白压延玻璃原片采用现有的成熟技术，低铁玻璃原料经熔化、澄清、均化后压延成形再经退火切裁即可。具体要求：

（1）玻璃每增加1%的透光率，棚内种植物就会增产1%，所以就要尽可能增加玻璃的透光率。对于原片玻璃，降低铁含量，减少玻璃对有用光的吸收是增加其透光率的有效办法。但玻璃铁含量降低会增加玻璃的生产成本。两方面综合考虑，目前原料铁含量控制在120×10-6以下，可见光透光率达91.5%以上是切实可行的。

（2）现有压延玻璃有多种花型，光伏玻璃一般采用倒金字塔型，智能温室大棚用玻璃为了光照均匀的需要，将超白玻璃压成浅香梨纹，雾度采用20%～50%，对进入大棚的光进行散射。

3 超白压延玻璃镀膜

智能温室大棚用玻璃镀上增透膜，增加有效光的透光率，对玻璃大棚增产效果明显，比普通浮法玻璃温室大棚增产36.43%。

3.1 增透膜原理

超白压延玻璃对可见光有8%的反射，1%的吸收，91%的透过，减少其反射可有效提高透光率［3］。光是一种电磁波，具有干涉效应，减反射膜是利用入射光在膜与玻璃两种介质中的反射光的相位干涉而使反射光线互相抵消，增加了透光率。

3.2 膜系选择

光的波长对植物生理的影响：

①280～315 nm紫外光对作物生长的影响很小，可杀菌；

②315～400 nm紫外光被农作物吸收少，影响光周期效应，阻止茎伸长，起固化作用；

③400～520 nm蓝色光通过叶绿素与类胡萝卜素吸收比例较大，对光合作用影响较大；

④520～610 nm绿色光被农作物吸收率不高；

⑤610～720 nm红色光通过叶绿素吸收率高，显著提高农作物的光合作用与光周期效应；

⑥720～1000 nm红外光被农作物吸收率低，刺激细胞生长延长，影响开花与种子发芽；

⑦＞1000 nm远红外光以热量形式使植物温度升高。

由此可见，农作物光合作用需要的光线波长主要为400 ～ 720 nm。波长440 ～ 480 nm（蓝色）的光线以及波长640 ～ 680 nm（红色）的光线对于光合作用贡献最大。因此选择双层膜系，在玻璃的两面分别镀两层膜，同时提高波长440 ～ 480 nm和640 ～ 680 nm光线的透光率。

玻璃增透膜反射率计算公式：

设玻璃的折射率为nG， 高折射率膜折射率为nH， 低折射率膜折射率为nL， 空气折射率为nA，系统反射率为R，则：

R=（nA- （nL/nH）2nG）

2 / （nA+ （nL/nH）2nG）2

3.3 智能温室大棚用玻璃镀膜工艺

目前智能温室大棚用玻璃镀膜工艺主要有辊涂法、提拉法、蚀刻法、弯月面法四种。

（1）辊涂法

辊涂法镀膜示意见图1。

图1 辊涂法镀膜示意图

减反射镀膜液通过齿轮泵打入1#辊和4#辊之间的狭缝，经1#辊和4#辊对镀膜液的挤压，将镀膜液均匀地分布在4#胶辊表面，过剩的镀膜液沿狭缝两端溢流至下部的承接槽中，回收以备循环使用；通过调整3#辊对4#辊的挤压，调节镀膜液的存量；调整4#辊与玻璃之间的距离，将4#胶辊表面的镀膜液大部分擦涂到玻璃板上。

（2）提拉法

先将玻璃浸泡在镀膜液中，然后缓慢将玻璃从镀膜液池中提出，通过控制镀膜液的浓度和提拉速度得到理想厚度的薄膜。

（3）蚀刻法

将玻璃浸泡在氢氟酸溶液中，氢氟酸将玻璃表面腐蚀成众多的微孔，从而形成约100 nm厚的膜层。通过调节氢氟酸浓度和温度及蚀刻时间，控制膜厚和微孔的大小及数量。

（4）弯月面法

弯月面法是在玻璃的上下方布置带狭缝的液槽，镀膜液通过毛细现象从狭缝中探出与玻璃接触，从而将镀膜液涂覆到玻璃表面固化形成薄膜。

弯月面法镀膜生产线主要包含玻璃面板清洗、弯月面法镀膜、热处理三个部分，产线包含清洗工段、镀膜工段、热处理工段、输送装置、机械手装置。弯月面法产线工艺布置简图见图2。镀膜液和膜层工艺指标见表1。

表1 镀膜液和膜层工艺指标

图2 弯月面法产线工艺布置简图

涂层具有以下特征：

①铅笔硬度：3H；

②抗划伤：耐无纺布摩擦> 20000次；

③高附着力：百格刀测试，0级；

④高度透明：透光率97.5%。

图3是膜层的扫描电镜俯视图和剖面图。

图3 膜层扫描电镜图

从俯视图看，表面光滑无气孔，无裂纹，理论上膜层固化硬度高，抗划伤能力、耐酸性、耐碱性、耐盐雾性、耐高温高湿性、耐冷热循环性等性能良好，适应外部不良自然环境能力强，使用寿命长。

从剖面图看，共有两层膜，底层相对致密，气孔尺寸小，与玻璃紧密结合，顶膜气孔尺寸较大，气孔均匀，为闭孔结构，顶膜与底膜紧密结合，理论上形成了高折射率的底膜和低折射率的顶膜。选择适宜的膜厚配合即能降低玻璃的反射率，形成高透光率的镀膜玻璃。

图4是大棚玻璃采用弯月面法涂增透膜后的透射率曲线。

图4 大棚玻璃涂增透膜后透射率曲线

从图4可以看出：双层单面在440 ～ 480 nm光谱处增透不太明显，在640 ～ 680 nm光谱处增透明显，双层双面在440 ～ 480 nm光谱处和640 ～680 nm光谱处均增透明显。双层双面镀膜明显优于双层单面镀膜，其中2#镀膜液配方双层双面镀膜在整个可见光区宽谱增透，平均透光率增加7.5%，玻璃原片对可见光反射率为8%，几乎将反射光完全转化为透射光，玻璃大棚玻璃采用弯月面法双层双面镀膜可经济有效地提高智能温室大棚的光照，增加单位面积农作物产量。

4 四种智能温室大棚用玻璃镀膜工艺比较

辊涂法采用有机硅作镀膜液，辊涂剩余液体溢流到储槽收集，可循环利用，对环境污染轻；辊涂从原始的2 m/min的镀膜速度提高到现在的12 m/min，镀膜速度很快，适宜大规模工业化生产；辊涂法将镀膜液擦涂到玻璃板上时，在压延玻璃凸起部位膜层薄，在压延玻璃凹陷部位膜层厚，造成膜层均匀性差，增透效果不太理想；一次只能在玻璃一面镀膜，镀双面双层膜需多次镀膜。

提拉法采用有机硅作镀膜液，镀膜液在镀膜槽中，可循化利用，对环境污染轻；提拉速度100～300 mm/min，镀膜速度慢；提拉速度需从0到正常提拉速度再回归0，提拉速度的变化会引起膜层厚度的变化，因此提拉法镀膜膜层均匀性一般；提拉法镀膜速度慢，膜液中的溶剂挥发较彻底，后续加温固化对膜层影响小，膜层增透效果理想；提拉法镀膜，玻璃两面均接触膜液，一次性进行双面镀膜。

蚀刻法采用氢氟酸对玻璃表面进行100 nm厚度层的腐蚀，氢氟酸有剧毒，对环境污染严重；玻璃需在氢氟酸中浸泡较长时间，镀膜速度较慢；由于是浸泡的形式，一次性双面蚀刻镀膜；蚀刻时玻璃与氢氟酸没有相对的移动，膜层均匀性较好；蚀刻能有效控制蚀刻的深度和孔洞，增透效果较好。

弯月面法采用有机硅作镀膜液，玻璃板通过辊道水平运动，镀膜液在缓存槽中，镀膜后多余的镀膜液通过承接槽收集循环使用，对环境污染轻；可在玻璃板上下面设多道镀膜器，实现双面快速镀膜；镀膜液不动，玻璃板运行速度平稳，因此膜层均匀性很好，可达光学镜片要求；玻璃与镀膜液充分接触，有充足的涂敷、流平、成膜时间，增透效果较好。

5 结语

超白压延镀膜玻璃以其无污染、使用寿命长、大棚利用率高、综合保温效果好、光照均匀、可见光透光率高（可达97.5%）、方便计算机智能联控等优异性能作为智能温室大棚透光保温覆盖材料的首选。用弯月面法在超白压延玻璃双面双层镀增透膜环境污染轻、镀膜速度较快、可一次双面镀膜、膜层均匀性好、透光率高（99%）。智能温室种植不仅可以置换出很多优质良田进行其它作物的种植，而且采用超白压延镀膜玻璃温室大棚种植产量高、无污染，是解决粮农产品数量和质量问题的有效手段。