智 能 溫 室 大 棚 用 玻 璃

李軍明

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

我國優(yōu)質(zhì)良田面積有限，且在生產(chǎn)過程中大量使用農(nóng)藥、化肥導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品存在數(shù)量和質(zhì)量雙重安全隱患。智能溫室大棚種植一般采用無土栽培，這樣的項目完全可以建在鹽堿地塊、沙漠地帶，可以置換出很多優(yōu)質(zhì)良田進(jìn)行其它作物的種植。智能溫室大棚作為一種用于無害化農(nóng)產(chǎn)品批量生產(chǎn)的智能控制種植配套載體，近幾年得到了快速的發(fā)展。

1 智能溫室大棚透光保溫覆蓋材料選擇

智能溫室大棚主要由鋼骨架、透光保溫覆蓋材料、智能控制系統(tǒng)組成。保溫和光照是溫室大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要工作，選擇一種適合的覆蓋材料尤為重要。

目前溫室大棚覆蓋材料主要有兩種：塑料薄膜和玻璃。塑料薄膜大棚和玻璃大棚優(yōu)劣對比：

（1）大棚建設(shè)方面

塑料薄膜大棚建設(shè)周期短，建造成本低，易施工；玻璃大棚建設(shè)周期長，建造成本高，施工要求高。

（2）環(huán)保方面

塑料薄膜破損后造成白色垃圾污染；玻璃可回收，無污染。

（3）大棚使用壽命

塑料薄膜易老化，抗風(fēng)雨冰雹等自然破壞能力低，易損壞，壽命短；玻璃強度高，耐腐蝕，不懼紫外線，因此經(jīng)久耐用，可用25年以上。

（4）大棚利用率

塑料薄膜大棚設(shè)有土墻等，且高度低，故空間利用率低；玻璃大棚可做20 m高，空間利用率高。

（5）大棚保溫性能方面

塑料薄膜大棚白天升溫明顯，夜間溫度下降快，造成夏季白天溫度過高，冬季夜間溫度太低，不利于作物生長，夏季白天降溫和冬季夜間升溫需大量的人力和物力，溫室大棚種植成本高；玻璃溫室大棚在白天和夜間的保溫效果都比較好，溫室大棚種植成本低。

（6）光照方面

塑料薄膜大棚有圍擋土墻，面積小，高度低，塑料薄膜透光較低、無散射功能，因此塑料薄膜大棚采光率較低，光照較集中；玻璃大棚可建的面積大、高度高，五面采光，因此玻璃大棚采光面積大，玻璃經(jīng)鍍膜處理可見光透光率可達(dá)97.5%［2］，玻璃大棚采光率高，玻璃制造具有一定的霧度，讓透射光散射，光照均勻，因此不會灼傷棚內(nèi)種植物。

（7）智能方面

塑料薄膜大棚多采用人工密集型、經(jīng)驗式種植，勞動效率低；玻璃大棚基本都是采用計算機聯(lián)控的智能化生產(chǎn)，具有種植模式多樣化、產(chǎn)量高、智能通風(fēng)遮陽降溫等特點，能夠有效減少人工成本，減少作物的病蟲害。

玻璃大棚用玻璃通過原料低鐵和鍍增透膜技術(shù)可使玻璃透光率達(dá)97.5%，通過壓延法成形可使玻璃具有適宜的霧度。

通過對比，超白壓延鍍膜玻璃以其無污染、使用壽命長、大棚利用率高、綜合保溫效果好、光照均勻、可見光透光率高（可達(dá)97.5%）、方便計算機智能聯(lián)控等優(yōu)異性能作為智能溫室大棚透光保溫覆蓋材料的首選。

2 超白壓延玻璃原片的制造

超白壓延玻璃原片采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，低鐵玻璃原料經(jīng)熔化、澄清、均化后壓延成形再經(jīng)退火切裁即可。具體要求：

（1）玻璃每增加1%的透光率，棚內(nèi)種植物就會增產(chǎn)1%，所以就要盡可能增加玻璃的透光率。對于原片玻璃，降低鐵含量，減少玻璃對有用光的吸收是增加其透光率的有效辦法。但玻璃鐵含量降低會增加玻璃的生產(chǎn)成本。兩方面綜合考慮，目前原料鐵含量控制在120×10-6以下，可見光透光率達(dá)91.5%以上是切實可行的。

（2）現(xiàn)有壓延玻璃有多種花型，光伏玻璃一般采用倒金字塔型，智能溫室大棚用玻璃為了光照均勻的需要，將超白玻璃壓成淺香梨紋，霧度采用20%～50%，對進(jìn)入大棚的光進(jìn)行散射。

3 超白壓延玻璃鍍膜

智能溫室大棚用玻璃鍍上增透膜，增加有效光的透光率，對玻璃大棚增產(chǎn)效果明顯，比普通浮法玻璃溫室大棚增產(chǎn)36.43%。

3.1 增透膜原理

超白壓延玻璃對可見光有8%的反射，1%的吸收，91%的透過，減少其反射可有效提高透光率［3］。光是一種電磁波，具有干涉效應(yīng)，減反射膜是利用入射光在膜與玻璃兩種介質(zhì)中的反射光的相位干涉而使反射光線互相抵消，增加了透光率。

3.2 膜系選擇

光的波長對植物生理的影響：

①280～315 nm紫外光對作物生長的影響很小，可殺菌；

②315～400 nm紫外光被農(nóng)作物吸收少，影響光周期效應(yīng)，阻止莖伸長，起固化作用；

③400～520 nm藍(lán)色光通過葉綠素與類胡蘿卜素吸收比例較大，對光合作用影響較大；

④520～610 nm綠色光被農(nóng)作物吸收率不高；

⑤610～720 nm紅色光通過葉綠素吸收率高，顯著提高農(nóng)作物的光合作用與光周期效應(yīng)；

⑥720～1000 nm紅外光被農(nóng)作物吸收率低，刺激細(xì)胞生長延長，影響開花與種子發(fā)芽；

⑦＞1000 nm遠(yuǎn)紅外光以熱量形式使植物溫度升高。

由此可見，農(nóng)作物光合作用需要的光線波長主要為400 ～ 720 nm。波長440 ～ 480 nm（藍(lán)色）的光線以及波長640 ～ 680 nm（紅色）的光線對于光合作用貢獻(xiàn)最大。因此選擇雙層膜系，在玻璃的兩面分別鍍兩層膜，同時提高波長440 ～ 480 nm和640 ～ 680 nm光線的透光率。

玻璃增透膜反射率計算公式：

設(shè)玻璃的折射率為nG， 高折射率膜折射率為nH， 低折射率膜折射率為nL， 空氣折射率為nA，系統(tǒng)反射率為R，則：

R=（nA- （nL/nH）2nG）

2 / （nA+ （nL/nH）2nG）2

3.3 智能溫室大棚用玻璃鍍膜工藝

目前智能溫室大棚用玻璃鍍膜工藝主要有輥涂法、提拉法、蝕刻法、彎月面法四種。

（1）輥涂法

輥涂法鍍膜示意見圖1。

圖1 輥涂法鍍膜示意圖

減反射鍍膜液通過齒輪泵打入1#輥和4#輥之間的狹縫，經(jīng)1#輥和4#輥對鍍膜液的擠壓，將鍍膜液均勻地分布在4#膠輥表面，過剩的鍍膜液沿狹縫兩端溢流至下部的承接槽中，回收以備循環(huán)使用；通過調(diào)整3#輥對4#輥的擠壓，調(diào)節(jié)鍍膜液的存量；調(diào)整4#輥與玻璃之間的距離，將4#膠輥表面的鍍膜液大部分擦涂到玻璃板上。

（2）提拉法

先將玻璃浸泡在鍍膜液中，然后緩慢將玻璃從鍍膜液池中提出，通過控制鍍膜液的濃度和提拉速度得到理想厚度的薄膜。

（3）蝕刻法

將玻璃浸泡在氫氟酸溶液中，氫氟酸將玻璃表面腐蝕成眾多的微孔，從而形成約100 nm厚的膜層。通過調(diào)節(jié)氫氟酸濃度和溫度及蝕刻時間，控制膜厚和微孔的大小及數(shù)量。

（4）彎月面法

彎月面法是在玻璃的上下方布置帶狹縫的液槽，鍍膜液通過毛細(xì)現(xiàn)象從狹縫中探出與玻璃接觸，從而將鍍膜液涂覆到玻璃表面固化形成薄膜。

彎月面法鍍膜生產(chǎn)線主要包含玻璃面板清洗、彎月面法鍍膜、熱處理三個部分，產(chǎn)線包含清洗工段、鍍膜工段、熱處理工段、輸送裝置、機械手裝置。彎月面法產(chǎn)線工藝布置簡圖見圖2。鍍膜液和膜層工藝指標(biāo)見表1。

表1 鍍膜液和膜層工藝指標(biāo)

圖2 彎月面法產(chǎn)線工藝布置簡圖

涂層具有以下特征：

①鉛筆硬度：3H；

②抗劃傷：耐無紡布摩擦> 20000次；

③高附著力：百格刀測試，0級；

④高度透明：透光率97.5%。

圖3是膜層的掃描電鏡俯視圖和剖面圖。

圖3 膜層掃描電鏡圖

從俯視圖看，表面光滑無氣孔，無裂紋，理論上膜層固化硬度高，抗劃傷能力、耐酸性、耐堿性、耐鹽霧性、耐高溫高濕性、耐冷熱循環(huán)性等性能良好，適應(yīng)外部不良自然環(huán)境能力強，使用壽命長。

從剖面圖看，共有兩層膜，底層相對致密，氣孔尺寸小，與玻璃緊密結(jié)合，頂膜氣孔尺寸較大，氣孔均勻，為閉孔結(jié)構(gòu)，頂膜與底膜緊密結(jié)合，理論上形成了高折射率的底膜和低折射率的頂膜。選擇適宜的膜厚配合即能降低玻璃的反射率，形成高透光率的鍍膜玻璃。

圖4是大棚玻璃采用彎月面法涂增透膜后的透射率曲線。

圖4 大棚玻璃涂增透膜后透射率曲線

從圖4可以看出：雙層單面在440 ～ 480 nm光譜處增透不太明顯，在640 ～ 680 nm光譜處增透明顯，雙層雙面在440 ～ 480 nm光譜處和640 ～680 nm光譜處均增透明顯。雙層雙面鍍膜明顯優(yōu)于雙層單面鍍膜，其中2#鍍膜液配方雙層雙面鍍膜在整個可見光區(qū)寬譜增透，平均透光率增加7.5%，玻璃原片對可見光反射率為8%，幾乎將反射光完全轉(zhuǎn)化為透射光，玻璃大棚玻璃采用彎月面法雙層雙面鍍膜可經(jīng)濟有效地提高智能溫室大棚的光照，增加單位面積農(nóng)作物產(chǎn)量。

4 四種智能溫室大棚用玻璃鍍膜工藝比較

輥涂法采用有機硅作鍍膜液，輥涂剩余液體溢流到儲槽收集，可循環(huán)利用，對環(huán)境污染輕；輥涂從原始的2 m/min的鍍膜速度提高到現(xiàn)在的12 m/min，鍍膜速度很快，適宜大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；輥涂法將鍍膜液擦涂到玻璃板上時，在壓延玻璃凸起部位膜層薄，在壓延玻璃凹陷部位膜層厚，造成膜層均勻性差，增透效果不太理想；一次只能在玻璃一面鍍膜，鍍雙面雙層膜需多次鍍膜。

提拉法采用有機硅作鍍膜液，鍍膜液在鍍膜槽中，可循化利用，對環(huán)境污染輕；提拉速度100～300 mm/min，鍍膜速度慢；提拉速度需從0到正常提拉速度再回歸0，提拉速度的變化會引起膜層厚度的變化，因此提拉法鍍膜膜層均勻性一般；提拉法鍍膜速度慢，膜液中的溶劑揮發(fā)較徹底，后續(xù)加溫固化對膜層影響小，膜層增透效果理想；提拉法鍍膜，玻璃兩面均接觸膜液，一次性進(jìn)行雙面鍍膜。

蝕刻法采用氫氟酸對玻璃表面進(jìn)行100 nm厚度層的腐蝕，氫氟酸有劇毒，對環(huán)境污染嚴(yán)重；玻璃需在氫氟酸中浸泡較長時間，鍍膜速度較慢；由于是浸泡的形式，一次性雙面蝕刻鍍膜；蝕刻時玻璃與氫氟酸沒有相對的移動，膜層均勻性較好；蝕刻能有效控制蝕刻的深度和孔洞，增透效果較好。

彎月面法采用有機硅作鍍膜液，玻璃板通過輥道水平運動，鍍膜液在緩存槽中，鍍膜后多余的鍍膜液通過承接槽收集循環(huán)使用，對環(huán)境污染輕；可在玻璃板上下面設(shè)多道鍍膜器，實現(xiàn)雙面快速鍍膜；鍍膜液不動，玻璃板運行速度平穩(wěn)，因此膜層均勻性很好，可達(dá)光學(xué)鏡片要求；玻璃與鍍膜液充分接觸，有充足的涂敷、流平、成膜時間，增透效果較好。

5 結(jié)語

超白壓延鍍膜玻璃以其無污染、使用壽命長、大棚利用率高、綜合保溫效果好、光照均勻、可見光透光率高（可達(dá)97.5%）、方便計算機智能聯(lián)控等優(yōu)異性能作為智能溫室大棚透光保溫覆蓋材料的首選。用彎月面法在超白壓延玻璃雙面雙層鍍增透膜環(huán)境污染輕、鍍膜速度較快、可一次雙面鍍膜、膜層均勻性好、透光率高（99%）。智能溫室種植不僅可以置換出很多優(yōu)質(zhì)良田進(jìn)行其它作物的種植，而且采用超白壓延鍍膜玻璃溫室大棚種植產(chǎn)量高、無污染，是解決糧農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量問題的有效手段。