Стекла, поглощающие инфракрасную часть спектра (теплопоглощающие стекла)

Стекла, окрашенные в массе, в свою очередь делятся на:
— силикатные,
— фосфатные,
— фотохромные.
Как правило, их пропускание в ИК зоне очень мало, что снижает общее количество теплопоступлений в помещение. “Идеальным” теплопоглощающим стеклом стало бы такое, которое является непрозрачным экраном для ИК лучей и совершенно не поглощает видимую часть спектра. Кривая пропускания такого “идеального” стекла приведена на рис.1.

Рис.1. Селектривное пропускание теплопоглощающих стекол
1 — идеальное теплопоглощающее стекло;
2 — реальное теплопоглощающее стекло; 3 — оконное стекло

В таком идеальном случае в помещение будет проникать только та часть тепловой солнечной радиации, которую несут с собой видимые и ультрафиолетовые лучи — примерно 50% интегрального потока. Однако практически такое стекло получить невозможно. Реальные стекла, поглощающее ИК область стектра, поглощают обычно и часть видимых лучей, как правило, красных (l = 620-760 нм) и фиолетовых (l = 390-455 нм). Избирательность поглощения видимых лучей этими стеклами является следствием их зеленовато-голубой окраски.
Солнечная радиация, проходя через любое стекло, частично отражается, а частично поглощается, а оставшаяся часть падающей на стекло энергии проходит внутрь помещений. На рис.2 показан механизм перераспределения лучистого потока, падающего на обычное и теплопоглощающее стекла. Теплопоглощающие стекла значительно сильнее, чем обыкновенные поглощают лучистую энергию, то есть имеют ярко выраженную поглощательную способность.

Рис. 2. Схемы прохождения солнечной радиации через различные типы остекления
а — обыкновенное стекло; б — теплопоглощающее стекло;
в — теплопоглощающее стекло в сочетании с обычным

Несмотря на то, что механические и физические свойства силикатного теплопоглощающего стекла близки к свойствам обычного листового строительного стекла, при устройстве остекления с теплопоглощающим стеклом возникает ряд специфических требований, предъявляемых к таким ограждениям.
Обычное строительное силикатное стекло хорошо пропускает ИК лучи длиной до 2000 нм. Резкое снижение пропускания ИК части спектра наблюдается у него в зоне l = 2000-3000 нм, а при l = 5000 нм оно падает практически до нуля. Вместе с тем в солнечном излучении, доходящем до земли, присутствуют ИК лучи с длиной волны от 750 до 2500 нм. Таким образом, оказывается, что оконное стекло практически не задерживает и хорошо пропускает всю тепловую радиацию Солнца.
Для того чтобы силикатное стекло поглощало тепловые лучи, в его состав вводятся химические соединения, обладающие способностью поглощать ИК часть спектра. К таким соединениям относятся оксиды меди, кобальта, никеля и железа. В то время как присутствие в стекле оксидов меди, кобальта и никеля приводит к снижению пропускания не только ИК радиации, но и видимого света, оксиды железа в определенном состоянии поглощают ИК лучи без значительного поглощения видимого участка спектра. Железо образует ряд соединений, обладающих различной способностью поглощать ИК лучи. Исследованиями было установлено, что наибольшей способностью поглощать ИК лучи обладают стекла, содержащие закись железа. Стекла с малым содержанием оксида железа практически не поглощают ИК радиацию. На рис. 3 изображены кривые пропускания стекол толщиной 1 мм, содержащих от 0,5 до 15% оксида железа, сваренных в электропечи в атмосфере воздуха. Пропускание стекол с 0,5 до 1% оксида железа мало отличается от пропускания оконного стекла.

Рис. 3. Зависимость селективности пропускания стекла от содержания в нем оксида железа (Fe2O3)
1 — 0,5%; 2 — 1%; 3 — 5%; 4 — 10%; 5 — 15% .

При обычных условиях варки в расплавленной стекломассе устанавливается определенное равновесие между закисью и оксидом железа независимо от того, вводятся в шихту соединения оксида или закиси железа. В этом случае можно получить стекло, в котором свыше 90% железа содержится в виде оксида. Такие стекла имеют желто-зеленую окраску. В специальных условиях — при давлении кислорода в 15 атм. — было получено стекло, содержащее все железо в виде оксида. Оно имело желто-коричневую окраску. Для перевода оксидного железа в закисное необходимо вводить в шихту восстановители и варить стекло в восстановительных условиях.
Количество образовавшейся в стекле закиси железа зависит от общего содержания оксидов железа в составе стекла. Наибольший процент закиси железа в стекле образуется при малых содержаниях оксида железа (рис. 4).

Менее интенсивно окрашенное теплопоглощающее стекло пропускает 83% видимого света и около 50% ИК лучей. Более интенсивно окрашенное стекло пропускает 73% видимого света и всего 27% ИК лучей, что в 1,85 раза меньше. При снижении пропускания в ИК зоне до 8% пропускание в видимой части спектра снизится до 56,8%

При содержании в составе стекла более 2% Fe2O3 количество FeO остается неизменным. Таким образом, в состав теплопоглощающих стекол не следует вводить более 1% оксидов железа. Если требуется интенсивное поглощение тепловых лучей, то его следует добиваться за счет увеличения толщины стекла.
Введение восстановителя сдвигает равновесие в сторону FeO только до определенного предела. Получить в стекле все железо в закисной форме в условиях обычной варки не удается. Увеличение количества восстановителя приводит к образованию сернистого железа.

Рис. 4. Зависимость между количеством FeO и общим количеством Fe2O3
для стекол состава (в %):
SiO2 — 75, CaO — 10, Na2O — 15 (1); SiO2 — 75, CaO — (12-x), Na2O — 16, Fe2O3 — x (2).

При введении определенного количества восстановителя цвет стекла изменяется с желтовато-зеленоватого на голубой. При дальнейшем увеличении восстановителя появляется желтовато-зеленоватое, а затем и грязно-желтое окрашивание.
Появление желтой окраски связано с образованием сернистого железа. Даже малые доли процента серы в составе стекла способны вызвать желтую окраску. Появление сернистого железа наблюдается при избыточном применении восстановителей при использовании для варки стекла даже весьма чистых материалов. Образование сернистого железа можно свести к минимуму введением в состав стекла оксида цинка: при содержании 10-15% ZnO небольшие количества образующейся в стекле сульфида связываются с цинком.
Правильно сваренные теплопоглощающие стекла, содержащие закись железа, должны иметь голубую окраску. От количества оксида железа зависят светотехнические свойства стекла: поглощение в ИК и пропускание в видимой области спектра, причем между этими показателями имеется определенная зависимость.
Стекла с уменьшенным пропусканием можно легко получить, увеличивая толщину стекла. Если же необходимо получить 3-6-мм стекла с одинаковым пропусканием, то содержание Fe2O3 в них должно быть разным. Тонкое листовое стекло (толщиной около 2 мм) содержит обычно 1% Fe2O3, а витринное (толщиной 5 мм) — 0,3-0,4% Fe2O3. Таким образом, количество красителя выбирается с учетом требуемого пропускания видимого света, степени поглощения ИК радиации и необходимой толщины стекла.

Журнал ОКНА. ДВЕРИ. ВИТРАЖИ