一種高吸收地表太陽光黑色玻璃及其製備方法

2024-02-28 11:17:15

專利名稱：一種高吸收地表太陽光黑色玻璃及其製備方法
技術領域：
本發明屬於玻璃生產技術，具體涉及一種高吸收地表太陽光黑色玻璃及其製備方法。
背景技術：
目前黑色玻璃的製作方法很多，具體製作工藝與所用材料都有很大的差別，但目前所製作的黑色玻璃僅僅是從顏色上觀測到是黑色，也就是說它僅僅對可見波段是不透過的，而太陽光到達到地球表面的光輻射波長從200nm一直延伸到2500nm，可見波段的波長僅在400nm-780nm範圍內，地表太陽光在可見光外的紫外波段與紅外波段也具有一定的能量分布，對於這兩個波段，傳統的黑色玻璃就不能保證其不透過性。如專利申請號為03153789.8的發明專利《一種晶瑩黑色玻璃生產方法》，其中提到了使用Fe2O3、CoO、NiO作為著色劑可在常規玻璃體系中製作出黑色玻璃，但他所說的黑色僅僅是對可見光而言的。另外武漢理工大學的何峰等人在材料科學與工藝上發表的文章《CaO-Al2O3-SiO2系黑色裝飾微晶玻璃的研究》，也提到了使用Fe2O3、Co2O3、Ni2O3作為著色劑在CaO-Al2O3-SiO2系統基礎玻璃中製作出黑色玻璃，同樣該玻璃的黑色也僅僅一對可見光而言的。

發明內容
本發明的目的在於提供一種高吸收地表太陽光黑色玻璃，該黑色玻璃對地表太陽光高不透過；本發明還提供了該黑色玻璃的製備方法。
本發明提供的高吸收地表太陽光黑色玻璃，採用硼矽玻璃和著色劑製備而成，其特徵在於所述著色劑包括氧化鈷或者氧化亞鈷、氧化鉻和氧化銅，其中，每100摩爾硼矽玻璃使用的著色劑用量範圍為0.1-3摩爾的鈷離子，0.1-3摩爾的鉻離子，0.5-4摩爾的銅離子。
作為本發明的改進方案，在著色劑中加入氧化鐵和/或氧化鎳，每100摩爾硼矽玻璃使用的鐵、鎳離子的用量小於等於2摩爾。
上述黑色玻璃的製備方法為(1)將硼矽玻璃料與著色劑按比例混合均勻，置於1300-1500℃下熔化1-6小時；(2)經過模具成型後置入450-600℃退火爐下進行退火處理，1-3小時後再自然冷卻到室溫。
本發明選擇硼矽玻璃作為玻璃基質，實現在硼矽玻璃體系中製作對太陽光高不透過性的黑色玻璃。其基本原理如下，鈷離子在硼矽玻璃中以二價鈷出現，吸收帶處於500nm-700nm(不同組分的硼矽玻璃基質該波長範圍稍有變化)波段範圍內，鈷離子的著色能力非常強，鈷離子對1100nm-2500nm波段的太陽光也有一定的吸收效果。鉻離子在玻璃中存在三價鉻與六價鉻，六價鉻離子在高溫下極不穩定，故玻璃中鉻離子常以三價鉻離子存在，硼矽玻璃中三價鉻離子在430nm波段附近(不同組分的硼矽玻璃基質其波長範圍有著小幅℃變化)存在很強的吸收。銅離子在玻璃中存在一價銅與二價銅，一價離子無色，二價銅離子天藍色，硼矽玻璃中的二價銅離子可在700nm-1100nm波段(不同組分的硼矽玻璃基質其透射波長範圍存在小幅℃變化)存在很強的吸收作用。因此，複合摻雜鈷(Co)、鉻(Cr)、銅(Cu)離子對玻璃進行著色產生的顏色玻璃將地表的太陽光整個波段都有很好的吸收效果。二價鎳離子在紅外波段也有比較好的吸收效果，使用鈷、鉻和銅離子對玻璃進行複合著色製作出的黑色玻璃可對到達地表的整個太陽光波段(200nm-2500nm)範圍的太陽光達到很高吸收的效果。
二價鐵離子在紅外波段有很好的吸收效果，而三價鐵離子在紫外波段有很好的吸收效果，鐵離子在玻璃中存在二價鐵離子與三價鐵離子，二價鎳離子在紅外波段也有比較好的吸收效果，因此，在鈷、鉻、銅離子著色玻璃中加入鐵、鎳離子，可減少鈷、鉻、銅著色離子的用量。
具體實施例方式
本發明採用離子著色法對玻璃進行著色而製備出一種新型的黑色玻璃材料。確切的說是一種對到達地表的太陽光基本不透過(除反射外基本吸收)的玻璃材料。硼矽玻璃具有極其穩定的物理化學性能，廣泛用於製作各種玻璃儀器，該黑色玻璃以硼矽玻璃料為玻璃基質，採用離子著色法對玻璃進行著色，即通過在其中摻雜不同種類的過渡金屬離子對其著色，使其達到對整個太陽光波段高吸收的性能。所謂的玻璃的離子著色法就是在玻璃中摻雜過渡金屬化合物，玻璃中存在的過渡金屬離子的價電子在受到光子激發的情況下可進行能級間的躍遷。在太陽光照射下，過渡金屬離子受到太陽光激發產生能級躍遷，不同的能級躍遷需要吸收不同能量的光子，對應著吸收不同波段的太陽光，由此引發對太陽光的選擇性吸收，導致著色。本發明的基本依據在於使用不同的過渡金屬離子對玻璃進行著色產生的顏色玻璃將對不同波段的太陽光存在吸收，而在玻璃料中同時摻雜幾種的過渡金屬化合物，所形成的顏色玻璃對太陽光的吸收波段應為單離子著色玻璃產生的吸收帶的疊加，通過適當的選擇著色劑的種類與用量，可製作出對整個到達地球表面的太陽光全波段(250nm-2500nm)均有很高的吸收效果的玻璃。
本發明黑色玻璃採用硼矽玻璃原料與著色劑製備而成。硼矽玻璃原料可採用常規硼矽玻璃原料。
著色劑為氧化鈷或者氧化亞鈷、氧化鉻和氧化銅，也可以添加氧化鐵或/和氧化鎳。
用量範圍對應100摩爾硼矽玻璃基質，摻雜Co、Cr離子均為0.1-3摩爾，二價Cu離子為0.5-4摩爾，Fe離子、Ni離子均為0-2摩爾。
其製作工藝為將硼矽玻璃料與著色劑按上述比例混合均勻，置於1300-1500℃下熔化1-6小時，經過模具成型後置入450-600℃退火爐下退火處理1-3小時後再自然冷卻到室溫，即製得對太陽光波段光高吸收的玻璃材料，該材料經過光學加工，即可製備出所需要的各種光學器件，可應用於遮光玻璃器件，以及太陽能吸收利用等方面。
下面列舉實例對本發明作進一步詳細的說明，但本發明並不局限於此。本領域一般技術人員可以根據本發明公開的內容，採用其它多種具體實施方式
實現本發明。
實施例1取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.042克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.796克，將原料混合均勻，放入坩堝中，然後將坩堝在1400℃高溫度爐中熔制2小時，再將坩堝取出，將玻璃液倒入模具，成型後迅速將玻璃樣品置入550℃退火爐退火處理2-3個小時，將退火過後的玻璃樣品經過光學加工，製備出5mm厚的玻璃板，在光譜測量儀上進行其透過光譜曲線測試，對比大氣質量為1.5的地表太陽光的能量分布可估算出透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射能的2％以下。
實施例2取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量(取大氣質量為1.5)的0.25％以下。
實施例3取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷1.25克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量的0.1％(取大氣質量為1.5)以下。
實施例4取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑氧化亞鈷0.375克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.399克，三氧化二鐵將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量(取大氣質量為1.5)的0.25％以下。
實施例5取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.042克，三氧化二鉻0.038克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量(取大氣質量為1.5)的5％以下。
實施例6取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.042克，三氧化二鉻0.380克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量(取大氣質量為1.5)的2％以下。
實施例7取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.042克，三氧化二鉻1.14克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量(取大氣質量為1.5)的1.9％以下。
實施例8取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.398克，氧化銅0.194克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量(取大氣質量為1.5)的1％以下。
實施例9取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.398克，氧化銅0.398克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量(取大氣質量為1.5)的0.5％以下。
實施例10取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.398克，氧化銅1.59克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量(取大氣質量為1.5)的0.15％以下。
實施例11取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.380克，氧化銅0.398克，三氧化二鐵0.399克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量(取大氣質量為1.5)的0.25％以下。
實施例12取二氧化矽18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.166克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.796克，氧化鎳0.248克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量(取大氣質量為1.5)的0.25％以下。
實施例13取二氧化矽19.5克，硼酸10.5克，碳酸鈉9.54克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品製得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量佔地表太陽光輻射總能量(取大氣質量為1.5)的0.25％以下。
權利要求
1.一種太陽光波段高吸收黑色玻璃，該黑色玻璃採用硼矽玻璃和著色劑製備而成，其特徵在於所述著色劑包括氧化鈷或者氧化亞鈷、氧化鉻和氧化銅，其中，每100摩爾硼矽玻璃使用的著色劑用量範圍為0.1-3摩爾的鈷離子，0.1-3摩爾的鉻離子，0.5-4摩爾的銅離子。
2.根據權利要求1所述的黑色玻璃，其特徵在於所述著色劑還包括氧化鐵，每100摩爾硼矽玻璃使用的鐵離子的用量小於等於2摩爾。
3.根據權利要求1或2所述的黑色玻璃，其特徵在於所述著色劑還包括氧化鎳，每100摩爾硼矽玻璃使用的鎳離子的用量小於等於2摩爾。
4.一種製備權利要求1所述的黑色玻璃的方法，其步驟包括(1)將硼矽玻璃料與著色劑按比例混合均勻，置於1300-1500℃下熔化1-6小時；(2)經過模具成型後置入450-600℃退火爐下進行退火處理，1-3小時後再自然冷卻到室溫。
全文摘要
本發明公開了一種高吸收地表太陽光黑色玻璃及其製備方法。黑色玻璃採用硼矽玻璃和著色劑製備，著色劑包括氧化鈷或者氧化亞鈷、氧化鉻和氧化銅，每100摩爾硼矽玻璃，鈷離子為0.1－3摩爾，鉻離子為0.1－3摩爾，銅離子為0.5－4摩爾。先將硼矽玻璃料與著色劑按比例混合均勻，置於1300－1500℃下熔化1－6小時；再經過模具成型後置入450－600℃退火爐下進行退火處理，1－3小時後再自然冷卻到室溫。本發明使用鈷、鉻和銅離子對玻璃進行複合著色製作出的黑色玻璃可對到達地表的整個太陽光波段(200nm－2500nm)範圍的太陽光達到很高吸收的效果。
文檔編號C03C4/08GK101054263SQ200710052288
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月25日 優先權日2007年5月25日
發明者戴能利, 陸培祥, 吳剛城, 楊光, 李玉華, 蔣魯傑 申請人:華中科技大學