Стекло с солнцеотражающим покрытием

Т акие возможности предполагают, с одной стороны, расширение ассортимента пленочных покрытий, с другой -- конструирование прозрачных пленок с полифункциональными свойствами. Последние должны удовлетворять следующим требованиям:

• интегральное светопропускание -- не ниже 75%;
• коэффициент отражения в ближней ИК области спектра -- не менее 40%;
• хорошая адгезионная, механическая прочность, химическая устойчивость, декоративность, а также способность быть однослойным или многослойным, одно- или двухсторонним.

Исследование как прямого, так и обратного решения эллипсометрии при математическом моделировании однослойной отражающей среды позволило получить основное уравнение работы данного покрытия:
nh = 1/4y
где: n -- показатель преломления (2,15);
h -- толщина покрытия (120 нм);
y -- длина волны (700-850 нм.)

Изучена пленкообразующая система,включающая оксиды с показателем преломления более 1,7. Выбрана наиболее перспективная система:
Bi₂O₃-Fe₂O₃-TiO₂
где массовая доля твердой фазы 2,5-5,0%, рН<=4. А.С. N 1799856 "Теплоотражающее покрытие на стекле".

Пленкообразующий раствор готовили растворением хлоридов висмута и железа, и алкооксида титана в этаноле. Катализатором гидролиза являлась соляная кислота. После созревания раствора покрытие наносили на образцы термически полированного стекла методом окунания. Скорость перемещения образца -- 10 мм.с-¹. После просушки на воздухе образцы подвергались термообработке при температуре 450-550°С.

Для рентгенофазового и дифференциально-термического анализа использовали порошки, полученные выпариванием ПОР. Структуру покрытия изучали по фотографии при 100X и 1000X- кратном увеличении; коэффициент зеркального и диффузного отражения измеряли спектроколориметром "Пульсар"; показатель преломления и толщину покрытия -- на эллипсометре ЛЭФ-3М; качество поверхности покрытия определяли профилометром.

Установлено, что получаемое покрытие -- аморфное. При термообработке до 400°С основная фаза рутил, выше 450°С -- анатаз, что существенно сказывается на показателе преломления покрытия.

Технологический процесс получения солнцеотражающего покрытия на стекле состоит из следующих основных стадий:

• подготовка поверхности стекла;
• нанесение ПОР;
• собственно образование пленки.

Подготовка поверхности стекла заключается в механической ее обработке с использованием водной дисперсии глинозема. Как известно, силикатное стекло по объему образовано конденсированными циклами кремнекислородных тетраэдров, где количество последних в цикле обусловлено полнотой реализации валентных связей и наименьшей деформацией валентных углов.

На поверхности стекла, в частности, в момент формования, возможно образование как отдельных SiO_4-2 -тетраэдров, так и их сообществ, обладающих дополнительными степенями сво боды. Водная обработка стекла дисперсией глинозема, который является абразивом, приводит к механическому разрыхлению поверхности, сопровождающемуся обменом ионов раствора и поверхности стекла, частичной ее гидратацией, повышением энергетического потенциала поверхности. Имея в виду, что дисперсия глинозема содержит всю гамму оксо- и гидропроизводных алюминия, в том числе катионы алюминия и алюминат-анионы, взаимодействие последних с поверхностью гидратированной силикатной матрицы приводит к возникновению Si⁺ и SiO^- поверхностных групп.

ПОР представляет собой сложный состав из соединений титана, железа и висмута в органическом растворителе (спирте). Основная пленкообразующая составляющая -- тетраалкоксид титана, подвергающийся гидролитической конденсации. Причем при недостатке воды образуются линейные полиалкоксититаноксилы. Кроме того, ПОР содержит сольватированные в различной степени катионы железа, висмута и титана и связанные функциональные группы -ОН, -Cl, -OR. В свою очередь, подготовленная поверхность стекла имеет свободные силанольные группы. Таким образом, первичное закрепление пленки на стекле обязано в основном реакциям конденсации по типу SiOH + ROTi Si-OTi + ROH и в известной степени обеспечивается унос в момент нанесения ПОР на поверхность стекла. Наличие на поверхности стекла групп Si⁺ и SiO делает возможной хемосорбцию катионов ПОР в ионном виде.

Образование пленки -- это последовательный ряд процессов, обеспечивающих получение сплошной полититаноксановой структуры, химически связанной с поверхностью стекла. Непродолжительная сушка на воздухе при комнатной температуре способствует удалению интермицелярной жидкости из нанесенного слоя ПОР. Выдержка во влажной атмосфере обеспечивает полноту омыления алкосигрупп Ti-OR + H₂O Ti-OH + ROH.

В дальнейшем при образовании трехмерных структур 2 TiOH Ti-O-Ti H₂O осуществляется захват и закрепление в оксидной матрице катионов висмута и железа. При термообработке происходит дегидратация остаточных гидрооксидов, образование дилиталлоксиновых связей, сопровождающихся полным удалением всех нелетучих компонентов, термолиз солей.

На поверхности стекла остается прозрачная пленка из нерастворимых оксидов, прочно связанная со стеклом химическими или хемосорбционными силами с поверхностью стекла. Покрытие придает стеклу не только золотисто-бронзовый оттенок, что обеспечивает широкое использование такого стекла в архитектурно-художественном оформлении зданий и сооружений, но и увеличивает его эксплутационные характеристики -- прочность, микротвердость, абразивную устойчивость, водо-, щелоче-, кислотостойкость, а наличие в покрытии оксида титана создает условия для грязеооталкивающих свойств покрытия, что важно при очистке оконных проемов зданий и сооружений.

В лаборатории на опытной установке (АС N 1811513 "Устройство для нанесения покрытия на изделия из стекла") получены образцы стекла с однослойным двухсторонним покрытием золотисто-бронзового оттенка размером 2 м². При этом покрытие имеет достаточную оптическую однородность -- при толщине 100-120 нм; показатель преломления ~ 2,0-2,1 и коэффициенте отражения ~ 40%. Погрешность в значении коэффициента отражения в теоретических и экспериментальных расчетах составила не более 6%

В. И. Борулько, УкрГИС, Константиновка.