Фасадное остекление

Одним из важнейших последствий все возрастающего использования стекла в строительстве является увеличение взаимодействия заказчиков и разработчиков технологий обработки стекла. Это взаимодействие позволяет выработать более тщательный подход к формированию характеристик стекла, так как в настоящее время необходимо не только учитывать изменчивые условия внешней среды, обуславливающие использование различных методов трансформации свойств стекла, но и гармонизировать стекло с окружающей средой.

Стекло играет двойную (прикладную и художественную) роль: это и материал, с помощью которого формируют фасадное остекление, и средство преобразования внешней эстетики благодаря многообразию способов его обработки. Эта особенность стекла обогащает строителей и архитекторов новыми возможностями его использования. Поэтому современное стекло — строительный материал — становится и частью дизайна с учетом более высоких архитектурных требований, предъявляемых к гармонизации сооружений и окружающего мира.

Новый подход к использованию стекла обеспечивает нивелировку границ зданий и позволяет создавать интерьеры, полные света. Давняя мечта архитекторов — стереть грань между интерьером и внешней средой — стала реализуемой только благодаря стеклу.

В то же время постепенно изменяется и понятие окна: это уже не просто проем в стене, позволяющий проникнуть в помещение свету извне. Ведь благодаря современным инженерным решениям окружающая среда стала неотъемлемой частью помещения, а архитектура стремится все более гармонизировать стекло и бетон в проектах зданий.

Фасад, как известно, — существенный элемент здания, обеспечивающий соблюдение интересов и запросов жильцов с точки зрения учета эксплуатационных расходов, создания микроклимата, уменьшения общего энергетического потребления и обеспечения защиты от влияния внешней среды при изменяющихся климатических условиях.

Таблица 1 Состав и свойства титаносодержащего пленкообразующего раствора и покрытия

* Здесь и далее — усредненное значение по 10 измерениям.

Окно же всегда было элементом построения фасада, обеспечивающим естественное освещение помещения, вентиляцию, комфортный микроклимат, охрану от проникновения нежелательных посетителей, а также способствующим поддержанию определенного стиля, с одной стороны — фасада, с другой — интерьера.

Активное солнечное излучение, проникающее в помещение, обуславливает нагрузку не только на системы кондиционирования, но и на людей, находящихся внутри. В первую очередь это сказывается на неправильном восприятии информации, снижении жизненной и физической активности, общего самочувствия. Улучшения этих позиций можно достичь путем уменьшения активности солнечного света, попадающего в помещение, в первую очередь, через оконные проемы. Обеспечивается это подбором соответствующего остекления оконных проемов: тонированием (затемнением) стекол и нанесением на поверхность исходного стекла специальных покрытий.

Темное, окрашенное в массе стекло хорошо воспринимается потребителем визуально, а не из соображений энергетической эффективности. Такое стекло поглощает видимое и ИК излучение солнечного спектра, нагревается и становится источником тепловой энергии, направленной в обе стороны.

Нанесение покрытий позволяет обеспечить дополнительные возможности использования стекла при условии, что они являются частью архитектурно-строительной системы. Вместо абсорбирующей солнечной энергии, покрытия отражают большую часть излучения.

Модернизация эстетического исполнения при использовании стекла с покрытием позволяет получать большую гамму разновидностей системы “стекло-покрытие”. Независимо от способа получения покрытия, к системе “стекло-покрытие” предъявляются следующие требования:

• ® малая величина поглощения в рабочем диапазоне;
• ® высокая оптическая и механическая стойкость;
• ® фиксированное значение показателя преломления (h);
• ® наибольший коэффициент отражения при наибольшем коэффициенте пропускания в видимом диапазоне.

Большинство оксидов, применяемых для получения тонких пленок, имеют значение h, не превышающее 1,7. Наиболее высоким h обладает оксид титана — 2,1-2,9.

Что же касается экономической оценки нанесения покрытий, то прежде всего необходимо исходить из свойств, которыми должно обладать готовое стекло.

Покрытия можно наносить физическим (плазменное распыление в разряд магнетроном) либо химическим способом (золь-гель технология, пиролиз).

Изготовление стекла с покрытием физическим способом осуществляется осаждением металла на поверхность стекла в вакуумной камере посредством высоковольтного напряжения и специальных устройств — магнетронов. Процесс протекает в электрическом поле, образующемся между анодом и катодом. Поток электронов, ударяясь о поверхность материала покрытия (титан), выбивает из него атомы, которые, перемещаясь с большой скоростью, бомбардируют поверхность стекла, внедряясь в его поверхность.

Покрытия по золь-гель технологии получаются методом окунания стекла в пленкообразующий раствор (с последующим сливом по определенной методике) и термообработкой. Пиролизная технология, как и золь-гель, дает твердое покрытие на стекле и производится в процессе изготовления путем распыления по поверхности стекла, например, четыреххлористого титана (TiCl4). При соприкосновении с нагретой поверхностью стекла происходит разложение TiCl4, летучие составляющие удаляются, а оксид титана становится частью стекла, так как его молекулы, как и в случае с золь-гель технологией, становятся частью поверхности стекла.

Если стоимость подготовительных работ по обоим способам одинакова, то непосредственное нанесение покрытий физическим способом в 3-4 раза дороже покрытий, полученных химическим способом. При этом оксидное покрытие — “твердое”, в отличие от металлизированного — “мягкого”.

Таблица 2 Состав титаносодержащих ПОР, возраст и показатель преломления покрытия и оптическая толщина

По аналогии с технологией фирмы “Schott” УкрГИС было разработано интерференционное покрытие произвольной толщины, размером 1000 і 2000 мм, получаемое по золь-гель технологии методом окунания. Физико-математическое моделирование солнцеотражающих покрытий показало, что именно интерференционные покрытия на основе титана и его оксидов обеспечивают максимальный коэффициент отражения при максимальном коэффициенте пропускания. Специалисты УкрГИС смогли соединить эти значения и получили стекло с двусторонним одно- и многослойными покрытиями. Именно золь-гель технология обеспечивает простоту синтеза пленкообразующих растворов, многообразие составов и простоту нанесения в достаточно широком диапазоне скоростей. Однако можно предположить, что, в зависимости от способа получения покрытия, свойства системы “стекло-покрытие” будут различны. Были сопоставлены оптические характеристики стекол с покрытиями на основе титана, полученными различными способами: химическим (золь-гель технология, пиролиз) и физическим (плазменное распыление в разряд магнетроном).

Свойства системы “стекло-покрытие” исследовали на эллипсометре ЛЭФ-3М, позволяющем определить показатель преломления с точностью ± 0,02 и толщину покрытия с точностью ± 5 нм. Коэффициент отражения и светопропускание в интервале до 1100 нм изучали на спектрофотометре “Пульсар”, а коэффициент отражения в ИК-диапазоне — на ИКС-29. Показатель преломления ПОР n1 — на рефрактометре ИРФ-32.

Установлено, что в исследуемых растворах концентраций оксида титана до 8,0% и оптических толщин 110 нм были получены близкие значения n с точностью 0,01-0,02. Тогда как для растворов 10 и 16% и оптических толщин более 110 нм — получены низкие значения n, что, вероятно, определяется значительной вязкостью растворов и формируемой толщиной покрытий, а также недостаточной термообработкой, не снижающей пористость покрытия.

Удовлетворительная воспроизводимость оптических характеристик была получена при исследовании “возрастных” характеристик ПОР и покрытия (табл. 2).

В силу изменения структурных параметров ПОР (увеличение вязкости с 0,951 до 1,802 мм2/с), толщина покрытия увеличивается на 50-60 нм.

Синтез многослойных систем проводился на стекле с показателем преломления, равным 1,517, из ПОР “возраста” 10 суток состава Bi2O3-Fe2O3-TiO2 соотв. концентраций 22, 25, 53%.

Как показали исследования профилей взаимного распределения элементов подложки стекла и покрытия при термохимической диффузии, наиболее интенсивный коэффициент диффузии 6.10-10 см2/с с энергией активации 115 кДж/моль соответствует ионам натрия стекла, которые, растворяясь в покрытии, понижают коэффициент преломления.

В дальнейшем при наложении одного слоя на другой с промежуточной термообработкой скорость диффузии между слоями незначительна, поэтому граница между слоями резкая. Шероховатость поверхности предыдущего слоя не сказывается на качестве последующего слоя.

Окраску покрытия (золотисто-бронзовый оттенок) можно объяснить самой природой одновременного присутствия ионов титана и железа в ПОР и далее — в покрытии. В связи с большой поляризирующей силой ионы TiIV способствуют изменению координационного состояния перехода FeII к FeO4. При этом в покрытии формируются красящие железо-титановые комплексы, в которых определяется связь FeII-O-TiIII или FeII-O-TiIV. Как отмечалось выше, при термообработке диффузирующиеся из стекла в покрытие слабо связанные ионы натрия образуют группы [TiO6/2]2- Na2+, вызывающие разрушение красящего комплекса. Поэтому в разрабатываемых УкрГИС системах для остекления оконных проемов зданий и сооружений первым слоем является слой на основе тетраэтоксисилана для увеличения прочности сцепления последующих слоев на основе тетрабутоксититана с подложкой и блокированием диффузии ионов натрия из подложки в покрытие.

Термообработку проводили при температуре 350-400°С со скоростью нагрева — 5°С/мин и 30-минутной выдержкой.

Разработана многослойная система интерференционных оксидных покрытий на основе градиента n и d (интегральное значение d соответствует I/4 для I = 5000 нм). Схема системы НВВ”4В, где Н — покрытие на основе тетраэтоксисилана (n~1.475); В — покрытие на основе тетрабутоксититана (n=1.953-2.236); B’ — покрытие на основе тетрабутоксититана с модификаторами — оксидом висмута и хлорида железа Bi2O3-Fe2O3-TiO2 (n=2.148-2.256), с учетом:

• Share

Таблица 3 Послойное и интегральное значение n, d

Таблица 4 Сравнительная таблица свойств исходного стекла и стекла с солнцеотражающим покрытием

Таблица 5 Сравнительная характеристика оптических стекол с покрытием на основе титана, полученным различными способами

В таблице 3 показано послойное и интегральное значение n, d.

В таблице 4 приведены свойства исходного стекла и стекла с солнцеотражающим покрытием.

В таблице 5 представлены результаты исследования оптических характеристик стекол с покрытиями на основе титана.

В исследуемых покрытиях установлено различие показателей преломления, что определяет природу и особенность их работы. Химические способы формования покрытий близки по своей сути как по использованию реактивов в пленкообразующих растворах, так и по режимам термообработки. При этом все же в покрытиях, получаемых по золь-гель способу, h выше, чем при пиролизном способе. Различие возможно из-за наличия применяемых соединений, а также присутствия связанных гидроксильных и карбонатных групп.

Теоретические разработки позволили создать опытную установку и разработать документацию на опытно-промышленную технологию получения стекла с однослойным двусторонним солнцеотражающим покрытием производительностью 100 тыс. м² в год.

Опытно-промышленная технологическая линия включает в себя накопитель исходного стекла с пневматически сбалансированным механизмом; блок очистки стекла, мойки, сушки и контроля качества поверхности; участок приготовления ПОР, нанесения и гидролиза покрытий; блок термообработки пленки с самостоятельной транспортной развязкой и механизмом разгрузки; блок конечных операций и складирования продукции.

В.И. Борулько, А.А.Иванин
УкрГИС, Константиновка