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一种热致变色调光玻璃的光学性能研究
热致变色调光玻璃可随温度的不同自动改变光线透射的比例。因温度对其光学性能的影响很大,目前尚未有完善的试验方法,也缺乏热致调光玻璃的可见光透射比、遮阳系数等供建筑节能设计选用的光学参数。从工程设计检测的需求出发,得到了热致调光玻璃光学性能的试验方法,以及热致变色调光玻璃在不同温度下的直射和散射光学性能。试验结果表明,热致调光玻璃对不同波长的光是选择性透过的,透射现象主要集中在波长为320~1 420 nm可见光和一部分近红外光波段,其他波段透射比很低。温度越高,热致调光玻璃的可见光透射比、太阳光透射比和紫外线透射比都降低,雾度逐步增加。
随着现代建筑技术及建筑美学的发展,建筑立面、屋面越来越多地融入了幕墙、天窗等元素,其通透性加强了室内外视觉互动,可以给室内的人们带来舒适的自然光线和自然景观,但大面积的玻璃幕墙使得室内环境受太阳热辐射影响增大,特别是在辐射强烈的夏季,太阳光不仅造成了建筑室内眩光现象,影响视觉舒适性,而且由于玻璃的高传热性和透明性,增加了空调系统的制冷能耗。可逆变色玻璃是解决该问题的一种方案,利用其特定条件下玻璃的颜色会发生改变的特性,从而改变光线的透射和反射比例。
变色玻璃有很多种类,蒋国瑜等人介绍了热致变色玻璃,电致变色玻璃、光致变色玻璃和气致变色玻璃四类变色玻璃的变色原理及其研究进展"。张凤对有机可逆热致变色材料的变色机理进行了介绍(2]。高虹制备了一种热致变色玻璃材料,并做成了热致变色调光玻璃3。热致变色调光玻璃不消耗电能等人工能源,在低温条件下呈现无色透明状态,在高温条件下自动变成雾化状态,相对其他调光玻璃具有容易制备成本低廉的特点,近期已经在―些建筑中使用。热致调光玻璃光学性能受温度影响很大,尚未有完善的试验方法,也缺乏热致调光玻璃的可见光透射比、遮阳系数等供建筑节能设计选用的光学参数,是其仍未有大规模的应用的影响因素之一。蔡小龙、王锋、范德松等人测试了热致变色调光材料的光谱透射率情况,但是没有区分光线透过调光材料的后直射和散射光线比例的情况,也没有按照现行的玻璃光学性能标准进行测试,没有得出可供建筑设计选用的光学参数*-6]。因此,本次研究从工程检测的需求出发,研究热致调光玻璃在不同温度下的光学性能及其试验方法。
1热致调光玻璃常用光学性能指标及测试1.1热致调光玻璃常用光学性能指标
热致调光玻璃常用的工程光学性能包括遮阳系数,可见光透射比、雾度等。遮阳系数是指在给定条件下,玻璃,门窗或玻璃幕墙的太阳光总透射比,与相同条件下相同面积的标准玻璃( 3 mm厚透明玻璃)的太阳光总透射比的比值。可见光透射比是指采用人眼视见函数进行加权,标准光源透过玻璃、门窗或玻璃幕墙成为室内的可见光通量与投射到玻璃、门窗或玻璃幕墙上的可见光通量的比值?。按照这种说法,直射可见光透射比包括了直射–直射可见光透射比和直射-散射可见光透射比,对于普通透明玻璃,直射-散射可见光透射比只占有极少部分,直射可见光透射比约等于直射-直射可见光透射比,但是对于磨花、印花玻璃,直射-散射可见光透射比所占比例很大,这个时候可见光透射比并不能完全表征通过玻璃透射外界的能力,还需要另外―种光学性能指标-——雾度。雾度是指透过试样而偏离入射光方向的散射光通量与透射光通量之比,一般仅把偏离入射光方向2.5°以上的散射光通量用于计算雾度 8]。
1.2热致调光玻璃常用光学性能试验方法
我国建筑玻璃常用的光学性能检测方法有GB/T 2680——1994《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》],GB/T 5137.2——2002《汽车安全玻璃试验方法第2部分:光学性能试验》[ 1o]、GB/T 2410—2008《透明塑料透光率和雾度的测定》,其中标准GB/T 5137.2——2002规定:测试时,接收器不接受透过样品的散射光,不适用于热致调光玻璃。标准GB/T 2410—2008中测试光源采用A光源,A光源代表卤素钨丝灯,即普通白炽灯,常用于模拟家庭或商店灯光,不适合评价在太阳光下使用的热致调光玻璃。而GB/T 2680——1994中测试光源采用D65光源。D65光源代表北方天空平均日光,是使用最多的日光灯光源,适用于评价建筑玻璃在日光情况下的光线透反射特性。但标准GB/T 2680—1994中并没有说明雾度的测试方法。JG/T 356——2012《建筑遮阳热舒适、视觉舒适性能检测方法》"测试原理和标准GB/T 2680——1994一致,均采用用具有积分球的分光光度计,在太阳光谱区域内测试透过试样的光通量与透过相同厚度的空气层的光通量之比,再采用标准太阳辐射相对光谱分布进行加权。因此热致调光玻璃可以按照JG/T 356—2012《建筑遮阳热舒适、视觉舒适性能检测方法》测试直射–半球透射比、直射-散射透射比,然后计算雾度。
1.3热致调光玻璃光学性能测试设备
常用的建筑玻璃光学性能测试设备为双光束分光光度计,与单光束分光光度计相比,两束光中的一束光通过测试样品、另一束通过参考的标准物质,这种方式可以克服光源不稳定,检测样品随时间变化的不利因素,特别适合用于测试热致调光玻璃。分光光度计,装配预校准并可自动切换的碘钨灯与气灯作为光源,通过光栅后形成标准的 D65光源,测量波长范围可达190~3 300 nm,包括了紫外,可见、近红外波段等太阳光光谱波段。同时可以配备大直径的积分球,可以获得很高的准确度。通过试样的各方向的光线进入积分球后,经过内壁白色漫反射的涂层多次反射,在内壁上形成均匀照度,利用高灵敏度光电倍增管作为接收器,这时候接收器测得样品的直射-半球透射比。积分球正对直射-直射光的内壁板拿走后,直射光线进入黑色的光陷阱中被吸收,得到这时候接收罃测得样品的直射–散射透射比。
为保证测试过程中样品温度稳定,采用一块中间有小孔不影响光束透反射的电热膜作为加热器,电热膜与玻璃尺寸一致,紧贴在调光玻璃垂直于入射光线一侧,同时在调光玻璃垂直于入射光束的两侧面各贴一个热电偶,以两个电热偶测得的平均温度作为调光玻璃的测试温度,根据浏试温度与设定温度的差异,采用PID控制电热膜的加热功率,将整个装置包装在保温泡沫板中,以减少环境温度的影响,实现了对样品温度的控制,经过多次对比,温控误差为±1 ℃。2热致调光玻璃测试样品与实验方案
2.1热致调光玻璃测试样品
本次测试采用某企业生产的热致调光夹层玻璃100 mm x l00 mm 的小样品,厚度规格型号为6 mm +2 mm +6 mm,表示中间热致调光层的厚度为2 mm,与两块6 mm厚的普通无色透明玻璃组成热致调光夹层玻璃。其中热致调光层是由温敏变色材料、成膜单体.增稠剂.分散剂、交联剂、氧化剂.还原剂等配备而成的胶片。温敏变色材料主要为聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物.聚氧乙烯-聚氧丁烯-聚氧乙烯嵌段共聚物和聚氧乙烯-聚氧戊烯-聚氧乙烯嵌段共聚物的一种或两种混合[”)。根据配备材料的比例不同,热致调光层的变色临界温度也不同。本.
次试验采用的两种在建筑中的最常见的样品,变色临界温度分别在16 C和35 C附近,一种在常温20 C以上表现为白色雾化状态,另一种在常温20 C下表现为无色透明状态,不妨分别命名为常温雾化热致调光夹层玻璃和常温透明热致调光夹层玻璃。
2.2 热致调光玻璃试验方案
按照1.2小节所述的试验方法以及1.3小节所述的试验设备,分别检测这两种热致变色玻璃在15 C、20 C、25 C.30 C.35 C、40 C.45 C温度下
的光学性能,在没有特别说明的情况下,透射比测试均为直射-半球透射比。测试的参数主要包括紫外线透射比.可见光透射比去,可见光直射-散射透射比r,山田、可见光直射-直射透射比,a山、太阳光直接透射比τ可见光反射比p,、太阳光直接反射比p.、太阳光吸收比a。、遮阳系数sc和雾度H。其中可见光透射比t等于可见光直射-散射透射比τ,与可见光直射-直射透射比τ,山山之和。3热致调光玻璃测试结果3.1 常温雾化热致调光夹层玻璃的光学性能图1为常温雾化热致调光夹层玻璃在25 C环境温度”下的光谱透射比情况。可以看出,热致调光夹层玻璃对不同波长的光是选择性透过的。波长为320~1420nm可见光和一部分近红外光透射比比较高;波长为1 500~1 880 nm的光透射比低,不超过10%;波长为1 880-~2 500 nm的光几乎不会透过。可见光通过常温雾化热致调光夹层玻璃的主要为散射光线,直射光线只占一小部分,经过计算,可见光总透射比为57. 6% ,而可见光直射-散射透射比达55.2%,雾度为92. 1%,因此,可见光通过热致调光玻璃以雾化散射方式透人,,牺牲了窗口的通透感,但避免了窗口的眩光现象,也保护了室内的隐私,可应用在需要遮阳防热.的位置。
图2为常温雾化热致调光夹层玻璃在不同温度下的光谱透射比。可以看出,在不同温度下,热致调光夹层玻璃对不同波长的光选择性透过都是一致的。除15 C .20 C透射比曲线趋于重合外,随着环境温度的升高,这种玻璃的光谱透射比逐步降低。当温度超过35C时,其光谱透射比比较稳定,透射比随着温度的变化不明显,此时基本上达到了样品雾化状态的极限。









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