鍍膜玻璃膜層失效原因及分析方法探究

劉 雄 ，李中皓（.上海建科檢驗有限公司，上海 008；.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海 0003）

鍍膜玻璃作為改進玻璃性能的重要手段，在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是低輻射（Low-E）玻璃，它具有優(yōu)異的隔熱、保溫性能，能夠起到冬暖夏涼的效果，根據(jù)制作工藝可以分為離線鍍膜和在線鍍膜兩種。

在線鍍膜是指在浮法玻璃制造的過程中完成鍍膜，在玻璃退火階段，溫度接近 700 ℃ 時，用化學(xué)氣相沉積法將金屬氧化物沉積在玻璃表面，待玻璃冷卻后，膜層成為玻璃的一部分。通過在線鍍膜法得到的膜層經(jīng)久耐用，鍍膜基本不會發(fā)霉、脫落或變色，也不容易發(fā)生氧化，但是這種鍍膜玻璃的輻射率只能做到 0.25 以下。

離線鍍膜是指將已經(jīng)制好的浮法玻璃送入真空室，用磁控濺射法，將不同材料的原子濺射到玻璃表面，形成多層復(fù)合薄膜。通過離線鍍膜法制得的鍍膜玻璃輻射率可做到 0.15 以下，節(jié)能效果更好，還可以根據(jù)實際情況調(diào)整，玻璃顏色也可以自由變換。在復(fù)合膜層中，起主要作用的是Ag 層，可以是單銀、雙銀或三銀，層數(shù)越多，效果越好。但 Ag 的質(zhì)地較軟且化學(xué)活性高，容易受到外界影響及腐蝕從而導(dǎo)致膜層脫落、失效，為了保護其膜層，常制作成中空玻璃。

鍍膜玻璃膜層的質(zhì)量評估包括諸多的方面，有結(jié)構(gòu)方面的、理化方面的、功能方面的熱、電、光等。主要可從以下特性判斷其品質(zhì)，即針孔、結(jié)合力、耐磨性、均勻性、化學(xué)穩(wěn)定性、光學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能。

由于制作工藝復(fù)雜，受使用環(huán)境的影響，導(dǎo)致鍍膜玻璃失效的原因非常多。本文對鍍膜玻璃膜層失效的原因進行了探討，并在某工程案例中提出了針對膜層失效原因分析的檢測手段和方法。

1 膜層失效的原因

膜層失效的原因可從生產(chǎn)和使用兩個方面進行分析。生產(chǎn)方面主要針對生產(chǎn)過程中不規(guī)范的行為和不合格的材料。使用因素主要探究使用過程中環(huán)境和應(yīng)力的影響。

1.1 生產(chǎn)方面

(1) 本底真空度。真空磁控濺射法，先要將鍍膜室抽成真空，排除空氣對鍍膜的影響，然后通入氬氣，在電磁的控制下撞擊靶材，靶材粒子則散落在玻璃表面。根據(jù)鞠洪博的研究，本底真空度對膜層的質(zhì)量影響很大，本底真空度越小，膜層與基體之間的附著力越好，因此如果本底真空度太大的話，膜層與基體之間的結(jié)合不夠牢固，在使用過程中就有可能脫落。

(2) 玻璃原片從生產(chǎn)出來到被加工成鍍膜玻璃，其間原片的儲存時間最好不超過 1 個月。玻璃原片儲存時間越長，受到空氣中水汽和微生物的影響越大，越容易滋生出霉菌及難以清洗的污漬。這就導(dǎo)致玻璃與膜層的結(jié)合力降低，最終使得膜層脫落。

原片生產(chǎn)后由于管理不當(dāng)，在儲存和運輸過程中，玻璃表面出現(xiàn)了劃傷、磨損等物理性傷害，當(dāng)靶材粒子落在這些傷痕上時，不利于膜層的結(jié)合，鍍膜后膜層也容易脫落。

(3) 清洗環(huán)節(jié)是玻璃鍍膜的重要環(huán)節(jié)，玻璃如果不干凈，鍍膜效果就差，膜層就容易脫落。去離子水的純度要在10 MΩ 以上，如果低于該標(biāo)準(zhǔn)，會因為水質(zhì)不純導(dǎo)致膜層脫落。其次，清洗設(shè)備的水箱和管道如果不注意定時清潔，就會導(dǎo)致水質(zhì)受到污染，最終影響膜層與基體的附著力。

(4) 密封膠的密封性能要好，有的密封膠固化后有孔隙，不能很好地隔絕空氣中水汽和硫化氫的影響。不同的鍍膜應(yīng)當(dāng)使用不同的密封膠，聚硫膠中的硫成分可能會導(dǎo)致膜層硫化脫落；劣質(zhì)硅酮膠中的白油氣化后也會傷害膜層導(dǎo)致失效。

(5) 不合格的分子篩不能有效隔絕水汽，劣質(zhì)的干燥劑受潮可能會有氣體產(chǎn)生，污染膜層。

1.2 使用方面

(1) 在運輸存儲過程中，鍍膜玻璃的包裝如果不夠緊密，玻璃與玻璃之間發(fā)生摩擦，就會導(dǎo)致膜層脫落，損壞。LOW-E 離線鍍膜玻璃的膜層 Ag 層質(zhì)地較軟，容易受到應(yīng)力破壞，導(dǎo)致膜層失效，脫落。因此，單片 LOW-E 離線鍍膜玻璃不建議單獨使用。

(2) 在鍍膜玻璃做中空的時候，需要將打膠部位的膜層徹底清除，一是為了確保膠與玻璃的粘結(jié)性能，二是防止膠與膜層結(jié)合后，受外力影響，導(dǎo)致膜層被膠帶著脫落。

膜層暴露在高溫高濕的環(huán)境可能直接受到破壞，潮濕環(huán)境滋生的細菌、霉菌也會污染膜層，其次暴露在高溫高濕的環(huán)境中的密封膠可能產(chǎn)生化學(xué)變化，進一步影響膜層，最終使得膜層脫落失效。

2 工程案例分析

上海某酒店玻璃幕墻，其樓層非透明部分鍍膜夾膠玻璃出現(xiàn)變色情況，需分析鍍膜玻璃膜層脫落的原因。實地考察后，根據(jù)上海氣候環(huán)境調(diào)研，在現(xiàn)場溫濕度監(jiān)測的基礎(chǔ)上，用環(huán)境模擬的方法確認夾膠鍍膜玻璃表觀質(zhì)量受周邊環(huán)境的溫度和濕度等影響因素的變化情況，同時輔以玻璃光學(xué)性能檢測、掃描電鏡 SEM 和 X 射線探測 EDX 分析等微觀分析手段，檢測鍍膜玻璃在經(jīng)受環(huán)境模擬實驗后的性能變化情況。

2.1 環(huán)境監(jiān)測

選取酒店 5 樓靠西面的某間房間對層間位置玻璃的表面溫度進行了 24 h 不間斷地測量，監(jiān)測結(jié)果顯示，空氣溫度最高約為 33 ℃，玻璃表面溫度在 5 月 17 日 15 時 27 分達到最高值 56.1 ℃，高于空氣溫度 20 ℃ 以上，5 月 17 日 5時 17 分達到最低值 14.1 ℃，1 d 內(nèi)表面溫度變化幅度達到42 ℃，濕度約為 80% 左右。

查閱 2013 年上海地區(qū)的各個月份的相對濕度與溫度統(tǒng)計。該年上海年平均濕度在 68%，月相對濕度在 65% 以上的月份有 9 個月，平均溫度在 20 ℃ 以上的月份有 6 個月。在2013 年 7 月上海的最高溫度平均在 36 ℃ 以上，在該月上海有連續(xù) 10 d 最高溫度在 38 ℃ 以上的記錄。

2.2 環(huán)境模擬

通過在實驗室模擬現(xiàn)場的溫濕度環(huán)境，高低溫循環(huán)測試，并觀察測試玻璃的表觀質(zhì)量變化情況。

樣品從工程施工圖中選取相應(yīng)的板塊，面板材料、尺寸、玻璃配置、鋁框、背襯材料、材料表面處理等均需與實際工程一致。

樣品數(shù)量：2 個，一個用于循環(huán)測試，另外一個放在室內(nèi)作為對比樣。

測試方法見圖1，玻璃樣品安裝在環(huán)境模擬箱上，鍍膜面面向環(huán)境模擬箱。箱中盛放一定量的水，通過加熱光源的照射使環(huán)境模擬箱產(chǎn)生高溫高濕的環(huán)境，通過玻璃表面溫度控制加熱光源，周期性地開關(guān)模擬自然的變化。過程中定期拍照、記錄溫濕度數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后，將樣品拆卸檢查，拍照并記錄玻璃鍍膜面表觀質(zhì)量變化情況。

圖1 模擬裝置圖

循環(huán)測試 30 次后，空氣中含有的濕氣開始使試件表面結(jié)露；循環(huán)測試 200 次后，原先結(jié)露的部位開始有斑點，但不是很明顯；循環(huán)測試 500 次后，斑點開始連成片，逐步擴大，越來越明顯，玻璃表面的功能膜層出現(xiàn)黑斑等情況。玻璃邊緣區(qū)域的變質(zhì)情況連接成片，中心區(qū)域的變質(zhì)情況少而疏，邊緣區(qū)域變質(zhì)現(xiàn)象比中心區(qū)域更加嚴(yán)重。

2.3 光學(xué)性能

利用分光光度計和傅里葉紅外光譜儀測量，該項目夾膠玻璃的光學(xué)性能特點為透過率、反射率較低，吸收率很高，特別是在紅外光譜波段，其吸收率接近 0.8。因此可判斷該玻璃為鍍膜吸熱玻璃。

2.4 ATR 紅外圖譜分析

傅里葉紅外光譜通過測量不同波數(shù)的紅外光對樣品的吸光度，透光率和吸光率，判斷物質(zhì)的組成。通過對 PVB 膠片的紅外圖譜分析，判斷 PVB 膠片是否因為環(huán)境發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

分別對新玻璃的 PVB 膠片和熱循環(huán)后的玻璃 PVB 膠片做紅外分析，峰值的位置差不多，沒有新的吸收峰出現(xiàn)，說明熱循環(huán)后膠的變化不大。

2.5 電子顯微鏡 SEM 分析

掃描電子顯微鏡最高可以放大 100 000 倍，可以清晰地觀察到物體的微觀結(jié)構(gòu)，判斷膜層的損壞情況。對新樣品進行檢測發(fā)現(xiàn)，新玻璃表面的膜層粒子有序緊密排列，沒有較大的孔洞，膜層保持完好的性能。

對熱循環(huán) 500 次后的樣品進行放大觀察，如圖2、圖3、圖4 所示，A 區(qū)膜層破壞較小，B 區(qū)膜層破壞嚴(yán)重。A 區(qū)的膜層粒子在受到熱循環(huán)測試后出現(xiàn)粘結(jié)，變形等情況，原本細致排列的膜層粒子出現(xiàn)孔洞。B 區(qū)的膜層粒子，出現(xiàn)大面積孔洞，玻璃表面膜層脫落嚴(yán)重，導(dǎo)致玻璃變色。

圖2 放大 500 倍的失效玻璃圖片

圖3 A 區(qū)放大 100 000 倍的圖片

圖4 B 區(qū)放大 100 000 倍的照片

2.6 X 射線探測 EDX 能譜分析

分別從新玻璃（Spectrum 10）和經(jīng)過熱循環(huán) 500 次的玻璃（Spectrum 11）上取點進行 EDX 能譜分析，將結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)：

(1) 碳元素含量大大增加了，說明膜層表面有機物的含量增多了。

(2) 硅和氧的含量變動不大，說明玻璃本身的損傷不大。

(3) 金屬含量大多增加了，膜層粒子變得不均勻。

(4) 其中 Ti 的含量變?yōu)?0，說明 Ti 膜層脫落了。

3 結(jié) 語

通過對鍍膜玻璃膜層失效的理論原因進行分析后可知，生產(chǎn)過程中真空度、玻璃潔凈度，使用環(huán)境的高溫高濕、膠片和膠的污染，都會導(dǎo)致玻璃膜層污染乃至脫落。在該工程案例中，通過環(huán)境模擬測試證明該型號鍍膜玻璃直接暴露在空氣中使用，會導(dǎo)致膜層脫落、玻璃變色。采用分光光度計、ATR 紅外光譜儀、SEM 掃描電子顯微鏡、EDX 能譜分析儀可從物理，化學(xué)等多方面對鍍膜玻璃進行檢測，分析鍍膜玻璃質(zhì)量，是一種可行的檢驗手段。采用環(huán)境模擬測試，可有效判別鍍膜玻璃產(chǎn)生問題的原因。