CN101054263A - 一种高吸收地表太阳光黑色玻璃及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高吸收地表太阳光黑色玻璃及其制备方法。黑色玻璃采用硼硅玻璃和着色剂制备，着色剂包括氧化钴或者氧化亚钴、氧化铬和氧化铜，每100摩尔硼硅玻璃，钴离子为0.1－3摩尔，铬离子为0.1－3摩尔，铜离子为0.5－4摩尔。先将硼硅玻璃料与着色剂按比例混合均匀，置于1300－1500℃下熔化1－6小时；再经过模具成型后置入450－600℃退火炉下进行退火处理，1－3小时后再自然冷却到室温。本发明使用钴、铬和铜离子对玻璃进行复合着色制作出的黑色玻璃可对到达地表的整个太阳光波段(200nm－2500nm)范围的太阳光达到很高吸收的效果。
Description
技术领域
本发明属于玻璃生产技术，具体涉及一种高吸收地表太阳光黑色玻璃及其制备方法。
背景技术
目前黑色玻璃的制作方法很多，具体制作工艺与所用材料都有很大的差别，但目前所制作的黑色玻璃仅仅是从颜色上观测到是黑色，也就是说它仅仅对可见波段是不透过的，而太阳光到达到地球表面的光辐射波长从200nm一直延伸到2500nm，可见波段的波长仅在400nm-780nm范围内，地表太阳光在可见光外的紫外波段与红外波段也具有一定的能量分布，对于这两个波段，传统的黑色玻璃就不能保证其不透过性。如专利申请号为03153789.8的发明专利《一种晶莹黑色玻璃生产方法》，其中提到了使用Fe2O3、CoO、NiO作为着色剂可在常规玻璃体系中制作出黑色玻璃，但他所说的黑色仅仅是对可见光而言的。另外武汉理工大学的何峰等人在材料科学与工艺上发表的文章《CaO-Al2O3-SiO2系黑色装饰微晶玻璃的研究》，也提到了使用Fe2O3、Co2O3、Ni2O3作为着色剂在CaO-Al2O3-SiO2系统基础玻璃中制作出黑色玻璃，同样该玻璃的黑色也仅仅一对可见光而言的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高吸收地表太阳光黑色玻璃，该黑色玻璃对地表太阳光高不透过；本发明还提供了该黑色玻璃的制备方法。
本发明提供的高吸收地表太阳光黑色玻璃，采用硼硅玻璃和着色剂制备而成，其特征在于：所述着色剂包括氧化钴或者氧化亚钴、氧化铬和氧化铜，其中，每100摩尔硼硅玻璃使用的着色剂用量范围为：0.1-3摩尔的钴离子，0.1-3摩尔的铬离子，0.5-4摩尔的铜离子。
作为本发明的改进方案，在着色剂中加入氧化铁和/或氧化镍，每100摩尔硼硅玻璃使用的铁、镍离子的用量小于等于2摩尔。
上述黑色玻璃的制备方法为：
(1)将硼硅玻璃料与着色剂按比例混合均匀，置于1300-1500℃下熔化1-6小时；
(2)经过模具成型后置入450-600℃退火炉下进行退火处理，1-3小时后再自然冷却到室温。
本发明选择硼硅玻璃作为玻璃基质，实现在硼硅玻璃体系中制作对太阳光高不透过性的黑色玻璃。其基本原理如下，钴离子在硼硅玻璃中以二价钴出现，吸收带处于500nm-700nm(不同组分的硼硅玻璃基质该波长范围稍有变化)波段范围内，钴离子的着色能力非常强，钴离子对1100nm-2500nm波段的太阳光也有一定的吸收效果。铬离子在玻璃中存在三价铬与六价铬，六价铬离子在高温下极不稳定，故玻璃中铬离子常以三价铬离子存在，硼硅玻璃中三价铬离子在430nm波段附近(不同组分的硼硅玻璃基质其波长范围有着小幅℃变化)存在很强的吸收。铜离子在玻璃中存在一价铜与二价铜，一价离子无色，二价铜离子天蓝色，硼硅玻璃中的二价铜离子可在700nm-1100nm波段(不同组分的硼硅玻璃基质其透射波长范围存在小幅℃变化)存在很强的吸收作用。因此，复合掺杂钴(Co)、铬(Cr)、铜(Cu)离子对玻璃进行着色产生的颜色玻璃将地表的太阳光整个波段都有很好的吸收效果。二价镍离子在红外波段也有比较好的吸收效果，使用钴、铬和铜离子对玻璃进行复合着色制作出的黑色玻璃可对到达地表的整个太阳光波段(200nm-2500nm)范围的太阳光达到很高吸收的效果。
二价铁离子在红外波段有很好的吸收效果，而三价铁离子在紫外波段有很好的吸收效果，铁离子在玻璃中存在二价铁离子与三价铁离子，二价镍离子在红外波段也有比较好的吸收效果，因此，在钴、铬、铜离子着色玻璃中加入铁、镍离子，可减少钴、铬、铜着色离子的用量。
具体实施方式
本发明采用离子着色法对玻璃进行着色而制备出一种新型的黑色玻璃材料。确切的说是一种对到达地表的太阳光基本不透过(除反射外基本吸收)的玻璃材料。硼硅玻璃具有极其稳定的物理化学性能，广泛用于制作各种玻璃仪器，该黑色玻璃以硼硅玻璃料为玻璃基质，采用离子着色法对玻璃进行着色，即通过在其中掺杂不同种类的过渡金属离子对其着色，使其达到对整个太阳光波段高吸收的性能。所谓的玻璃的离子着色法就是在玻璃中掺杂过渡金属化合物，玻璃中存在的过渡金属离子的价电子在受到光子激发的情况下可进行能级间的跃迁。在太阳光照射下，过渡金属离子受到太阳光激发产生能级跃迁，不同的能级跃迁需要吸收不同能量的光子，对应着吸收不同波段的太阳光，由此引发对太阳光的选择性吸收，导致着色。本发明的基本依据在于：使用不同的过渡金属离子对玻璃进行着色产生的颜色玻璃将对不同波段的太阳光存在吸收，而在玻璃料中同时掺杂几种的过渡金属化合物，所形成的颜色玻璃对太阳光的吸收波段应为单离子着色玻璃产生的吸收带的叠加，通过适当的选择着色剂的种类与用量，可制作出对整个到达地球表面的太阳光全波段(250nm-2500nm)均有很高的吸收效果的玻璃。
本发明黑色玻璃采用硼硅玻璃原料与着色剂制备而成。硼硅玻璃原料可采用常规硼硅玻璃原料。
着色剂为氧化钴或者氧化亚钴、氧化铬和氧化铜，也可以添加氧化铁或/和氧化镍。
用量范围：对应100摩尔硼硅玻璃基质，掺杂Co、Cr离子均为0.1-3摩尔，二价Cu离子为0.5-4摩尔，Fe离子、Ni离子均为0-2摩尔。
其制作工艺为：
将硼硅玻璃料与着色剂按上述比例混合均匀，置于1300-1500℃下熔化1-6小时，经过模具成型后置入450-600℃退火炉下退火处理1-3小时后再自然冷却到室温，即制得对太阳光波段光高吸收的玻璃材料，该材料经过光学加工，即可制备出所需要的各种光学器件，可应用于遮光玻璃器件，以及太阳能吸收利用等方面。
下面列举实例对本发明作进一步详细的说明，但本发明并不局限于此。本领域一般技术人员可以根据本发明公开的内容，采用其它多种具体实施方式实现本发明。
实施例1
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：三氧化二钴0.042克，三氧化二铬0.190克，氧化铜0.796克，将原料混合均匀，放入坩埚中，然后将坩埚在1400℃高温度炉中熔制2小时，再将坩埚取出，将玻璃液倒入模具，成型后迅速将玻璃样品置入550℃退火炉退火处理2-3个小时，将退火过后的玻璃样品经过光学加工，制备出5mm厚的玻璃板，在光谱测量仪上进行其透过光谱曲线测试，对比大气质量为1.5的地表太阳光的能量分布可估算出透过的太阳光能量占地表太阳光辐射能的2％以下。
实施例2
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：三氧化二钴0.415克，三氧化二铬0.190克，氧化铜0.796克，将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量(取大气质量为1.5)的0.25％以下。
实施例3
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：三氧化二钴1.25克，三氧化二铬0.190克，氧化铜0.796克，将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量的0.1％(取大气质量为1.5)以下。
实施例4
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：氧化亚钴0.375克，三氧化二铬0.190克，氧化铜0.399克，三氧化二铁将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量(取大气质量为1.5)的0.25％以下。
实施例5
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：三氧化二钴0.042克，三氧化二铬0.038克，氧化铜0.796克，将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量(取大气质量为1.5)的5％以下。
实施例6
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：三氧化二钴0.042克，三氧化二铬0.380克，氧化铜0.796克，将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量(取大气质量为1.5)的2％以下。
实施例7
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：三氧化二钴0.042克，三氧化二铬1.14克，氧化铜0.796克，将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量(取大气质量为1.5)的1.9％以下。
实施例8
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：三氧化二钴0.415克，三氧化二铬0.398克，氧化铜0.194克，将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量(取大气质量为1.5)的1％以下。
实施例9
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：三氧化二钴0.415克，三氧化二铬0.398克，氧化铜0.398克，将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量(取大气质量为1.5)的0.5％以下。
实施例10
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：三氧化二钴0.415克，三氧化二铬0.398克，氧化铜1.59克，将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量(取大气质量为1.5)的0.15％以下。
实施例11
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：三氧化二钴0.415克，三氧化二铬0.380克，氧化铜0.398克，三氧化二铁0.399克，将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量(取大气质量为1.5)的0.25％以下。
实施例12
取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸钠13.26克，着色剂：三氧化二钴0.166克，三氧化二铬0.190克，氧化铜0.796克，氧化镍0.248克，将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量(取大气质量为1.5)的0.25％以下。
实施例13
取二氧化硅19.5克，硼酸10.5克，碳酸钠9.54克，着色剂：三氧化二钴0.415克，三氧化二铬0.190克，氧化铜0.796克，将原料充分混合均匀，加入坩埚，以下步骤同实施例1。测得该样品制得的5mm厚玻璃板透过的太阳光能量占地表太阳光辐射总能量(取大气质量为1.5)的0.25％以下。
Claims (4)
1、一种太阳光波段高吸收黑色玻璃，该黑色玻璃采用硼硅玻璃和着色剂制备而成，其特征在于：所述着色剂包括氧化钴或者氧化亚钴、氧化铬和氧化铜，其中，每100摩尔硼硅玻璃使用的着色剂用量范围为：0.1-3摩尔的钴离子，0.1-3摩尔的铬离子，0.5-4摩尔的铜离子。
2、根据权利要求1所述的黑色玻璃，其特征在于：所述着色剂还包括氧化铁，每100摩尔硼硅玻璃使用的铁离子的用量小于等于2摩尔。
3、根据权利要求1或2所述的黑色玻璃，其特征在于：所述着色剂还包括氧化镍，每100摩尔硼硅玻璃使用的镍离子的用量小于等于2摩尔。
4、一种制备权利要求1所述的黑色玻璃的方法，其步骤包括：
(1)将硼硅玻璃料与着色剂按比例混合均匀，置于1300-1500℃下熔化1-6小时；
(2)经过模具成型后置入450-600℃退火炉下进行退火处理，1-3小时后再自然冷却到室温。
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