Dlaczego niektóre szkła w kształcie litery U zmieniają kolor pod wpływem światła słonecznego?

Jako bardzo powszechny materiał do dekoracji budynków, szkło w kształcie litery U, jak pokazano na rysunku 1, powinno nie tylko spełniać różne funkcje wymagane w projektach architektonicznych, ale także mieć dobrą stabilność i trwałość oraz być odporne na wiatr i słońce przez cały rok. Nie będzie zauważalnej zmiany.

Dlaczego więc szkło w kształcie litery U zmienia kolor? Aby uzyskać dokładną odpowiedź, przetestowaliśmy kilka rodzajów szkła w kształcie litery U. Przed testowaniem musimy najpierw wyjaśnić następujące pojęcia:

1. Podstawowe pojęcia
1. Powody, dla których przedmioty wydają się kolorowe
Obiekty w przyrodzie można podzielić na dwie kategorie: obiekty świecące i obiekty nieświecące w zależności od tego, czy mogą emitować światło. Obiekty nieświecące dzielą się na przezroczyste i nieprzezroczyste. Kolor nieprzezroczystego ciała zależy od odbijanego przez nie odcienia; kolor przezroczystego ciała zależy od odcienia, który przekazuje. Szkło w kształcie litery U to przezroczysty korpus. Jeśli widzimy kawałek szkła w kształcie litery U, który wydaje się zielony, dzieje się tak dlatego, że pochłania światło czerwone i niebieskie, a ostatecznie zielone światło wpada do naszych gałek ocznych.

Najczęstszym źródłem światła w życiu codziennym jest słońce. Jak wszyscy wiemy, widmo słoneczne dzieli się na dwie części, światło widzialne i światło niewidzialne. Długość fali światła widzialnego wynosi 380-780}nm, jak pokazano na rysunku 6, po rozproszeniu dzieli się na siedem kolorów: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, niebieski i fioletowy; niewidzialne światło dzieli się na dwa rodzaje, a fale o długości większej niż światło czerwone nazywane są promieniami podczerwonymi, które mają fale krótsze niż światło fioletowe, nazywane są promieniami ultrafioletowymi. Nasze oczy widzą tylko światło widzialne.

Jak wspomniano wcześniej, kolor U-szkła zależy od koloru światła widzialnego przepuszczanego przez U-szkło. Co zatem decyduje o barwie światła widzialnego przepuszczanego przez szkło U? Zaczyna się również od składu szkła U. Okulary z różnymi komponentami mają różne kolory, takie jak zwykłe szkło i ultra-przezroczyste szkło na rysunku 7.

2. Skład i przyczyny starzenia się szkła U
W produkcji przemysłowej główny surowiec, piasek ze szkła U, zawiera pewną ilość pierwiastka żelaza, a jony żelaza (Fe2 plus) będą absorbować światło widzialne w pasmach niebieskim i czerwonym, przepuszczając więcej światła zielonego, co spowoduje to Wytworzone szkło U jest zielonkawe. Aby zrekompensować wpływ wysokiej zawartości żelaza na szkło, niektórzy producenci dodają do surowców utleniacze ziem rzadkich (dwutlenek ceru), ale to powoduje, że szkło wydaje się żółtawe. Aby zsyntetyzować żółto-zieloną barwę wniesioną przez pierwiastki ziem rzadkich, należy dodać związki takie jak selen, rubid czy mangan, które mogą dawać w szkle U purpurowy lub fioletowo-czerwony kolor, który tylko uzupełnia żółty ton [1]. Po tych regulacjach szkło nie jest już idealną „bezbarwną soczewką”, ale prezentuje „kolor białej mgły”. Chociaż wytworzone w ten sposób szkło U nie jest już zielonkawe, znacznie zmniejsza przepuszczalność światła szkła U, sprawiając, że szkło U nie jest już przezroczyste, ale białe. Poważniejszym problemem jest to, że utleniacz ziem rzadkich będzie wystawiony na działanie ultrafioletowych promieni słonecznych. Pod wpływem ekspozycji na słońce, jeśli jest używany jako szklana ściana osłonowa budynku lub ściana zewnętrzna, szkło U zmieni kolor w ciągu 1 do 2 lat i straci swój pierwotny połysk. Ze względu na różne stopnie nasłonecznienia szklanej ściany osłonowej budynku różnica koloru tej samej ściany osłonowej pojawi się po kilku latach ekspozycji.

„Solaryzacja jest zjawiskiem fizycznym, co oznacza, że ​​gdy materiał zostanie napromieniowany wysokoenergetycznymi falami elektromagnetycznymi, zmieni się jego kolor. Do powszechnych wysokoenergetycznych fal elektromagnetycznych należą promienie ultrafioletowe i rentgenowskie, a do typowych materiałów, które ulegną solaryzacji, należy szkło i plastiku”. - Wikipedii

3. Dlaczego szkło float nie zmienia koloru?
Ponieważ większość ścian osłonowych budynku wykorzystuje zwykłe białe szkło float, nie jest konieczne dodawanie utleniaczy do surowców szklanych, więc nie ma zmiany wartościowości utleniaczy pod działaniem promieni ultrafioletowych. Ultra-przezroczyste szkło float jest zasadniczo produkowane przez dużych producentów szkła float i nie dodaje się żadnych tanich utleniaczy ani wybielaczy, więc rzadko zmienia się kolor po ekspozycji. Aby zaoszczędzić na kosztach surowców, niektórzy producenci szkła w kształcie litery U dodają tanie środki wybielające szkło, a odbarwienie szkła jest nieuniknione.

2. Test starzenia się szkła U
Aby dodatkowo zweryfikować problem przebarwień szkła, przetestowaliśmy dostępne na rynku szkło w kształcie litery U. Istnieją dwa kluczowe punkty w eksperymencie starzenia się szkła U w tym eksperymencie. Jednym z nich jest zrealizowanie efektu ekspozycji za pomocą skrzynki testowej odporności na warunki atmosferyczne UV i postarzenie próbek szkła U różnych producentów. Później zmierzono przepuszczalność światła widzialnego o różnych długościach fal na każdym kawałku szkła U.

Użyliśmy trzech rodzajów próbek szkła U. Oprócz szkła U produkowanego przez firmę Appleton (oznaczonego jako ASG) porównaliśmy również dwa szkła U innych producentów szkła U na rynku, oznaczone odpowiednio jako A i B. Pocięliśmy szkło U trzech producentów na dwa małe kawałki, jeden kawałek został odpowiednio zakonserwowany jako próbka standardowa, a drugi kawałek został umieszczony w pudełku testowym odporności na warunki atmosferyczne UV. Po pewnym okresie przyspieszonego starzenia zmierzono fotometrem przepuszczalność światła i ostatecznie uzyskano, że może ona odzwierciedlać stopień starzenia i odbarwiania szkła U.

1. Komora do badania warunków atmosferycznych UV
W tym eksperymencie wykorzystano komorę testową UV z lampą 313, jak pokazano na rysunku 9, wyposażoną w 2 lampy ultrafioletowe UVB-313. Krótkofalowe światło ultrafioletowe emitowane przez lampy UVB{5}} jest silniejsze niż słoneczne promienie ultrafioletowe, które zwykle oświetlają powierzchnię ziemi. W ten sposób można maksymalnie przyspieszyć starzenie się materiału. Ilość światła ultrafioletowego napromieniowanego co 24 godziny jest równa ilości światła ultrafioletowego napromieniowanego w środowisku zewnętrznym przez 3 miesiące. Analogicznie napromieniowaliśmy szkło przez odpowiednio 480 i 960 godzin, aby zasymulować 5 lat i stan starzenia się szkła typu U po 10 latach.

2. Spektrofotometr Shimadzu UV-Vis-NIR SolidSpec-3700/3700DUV
W tym eksperymencie wykorzystano spektrofotometr Shimadzu UV-Vis-NIR SolidSpec{2}}/3700DUV, jak pokazano na rysunku 5. Firma Shimadzu, jako najważniejszy na świecie producent instrumentów spektroskopowych, opracowała spektrofotometr UV-Vis-IR SolidSpec{ {7}}/3700DUV z bardzo szerokim zakresem testowym, a SolidSpec-3700/3700DUV wykorzystuje kulę integrującą jako jednostkę wykrywania i integruje 3 wykrywanie Instrument znajduje się na kuli całkującej, co znacznie zwiększa dokładność pomiaru.

3. Eksperymentalne przetwarzanie danych
Po przeprowadzeniu opisanego powyżej 960-godzinnego testu starzenia możemy narysować następującą krzywą przepuszczalności światła. Niebieska krzywa to szkło w kształcie litery U produkowane przez ASG, a żółta i szara krzywe to szkło w kształcie litery U produkowane przez dwóch producentów szkła w kształcie litery U, A i B.

ASG ma najlepszą ogólną przepuszczalność światła, następnie A, a B jest najgorsza. Jednocześnie nietrudno zauważyć, że przepuszczalność światła czerwonego pasma szkła B jest znacznie niższa niż pasma niebiesko-zielonego, więc to szkło będzie wyglądało wyraźnie niebiesko-zielono.

Po pięciu latach promieniowania ultrafioletowego ogólna przepuszczalność światła ASG jest nadal najlepsza, a zmiana koloru jest również niewielka. Jednak szkło U A i B pokazuje, że przepuszczalność światła widzialnego w paśmie w pobliżu fioletu znacznie spada, co prowadzi do odbarwienia szkła U, pokazując matowy żółto-brązowy kolor.

Dziesięć lat później zmiana jest bardziej oczywista. Przepuszczalność światła widzialnego w pobliżu długości fali ultrafioletu spada nawet z wykresu, gdy przechodzi przez szkło U A. W ten sposób zmiana koloru szkła U będzie nieuchronnie bardziej oczywista.

Równie dobrze moglibyśmy porównać dane, obliczyć różnicę w spadku przepuszczalności światła każdego kawałka szkła po teście starzenia, a następnie narysować to na ikonie, abyśmy mogli intuicyjnie zobaczyć, jak bardzo przepuszczalność światła każdego kawałka szkła Szkło zmieniło się w porównaniu z oryginałem po starzeniu Różnorodność.

Po dziesięciu latach starzenia zmiany transmitancji trzech szkieł U pokazanych w tabeli 5 są podobne do tych w tabeli 4, ASG nadal ma najmniejszą zmianę, a A nadal ma największą zmianę. Możesz narysować krzywą korelacji A w tabeli, jak pokazano w tabeli 6. Można zauważyć, że przepuszczalność światła szkła U o numerze A znacznie spadła po 5 latach ekspozycji, zwłaszcza przepuszczalność światła w paśmie bliskim fioletowe światło widzialne ma urwisko W ten sposób odbarwienie szkła U będzie nieuchronnie bardzo oczywiste.

3. Podsumowanie eksperymentu
Podsumowując, nietrudno zauważyć, że główną różnicą pomiędzy U-szkłami różnych producentów jest przepuszczalność światła po opuszczeniu fabryki. Dobrej jakości U-szkło ma wysoką przepuszczalność światła i jest krystalicznie czyste, podczas gdy kiepskiej jakości U-szkło wygląda jak Pokryte warstwą białej mgły, a przezroczystość nie jest idealna. Jednak po latach ekspozycji na światło słoneczne przepuszczalność światła zmieni się w różnym stopniu. Im większa wartość zmiany, tym bardziej wyraźna zmiana koloru szkła. Następuje właściwa ocena stanu szkła po wielu latach.