Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и литературный обзор 11
1.1. Тенденции развития современного потребительского рынка новых видов архитектурно-строительного стекла с многофункциональными покрытиями 11
1.2. Особенности теплопередачи через стеклянную преграду и оптические характеристики светопрозрачных конструкций 19
1.3. Оптические характеристики и механизм работы стекол с пленочными покрытиями 22
1.3.1. Оптические параметры теплоотражающих стекол 22
1.3.2. Стекла с теплоотражающими низкоэмиссионными покрытиями 25
1.3.3. Стекла с фотокаталитическими самоочищающимися покрытиями 26
1.4. Способы получения стекол с пленочными покрытиями строительного назначения 30
1.4.1. Пиролитические методы 31
1.4.2. Вакуумные методы нанесения покрытий 34
1.5. Сравнительная оценка основных видов энергоэффективных стекол 39
1.5.1. Рефлектные стекла 40
1.5.2. Низкоэмиссионные стекла 43
1.5.3. Самоочищающееся стекло 45
Выводы и постановка задачи 45
Глава 2. Объекты и методы исследования 48
2.1. Описание характеристик стекол с пленочными покрытиями 48
2.2. Применяемые методы и режимы термической обработки стекол с пленочными покрытиями 50
2.3. Используемые методы исследования физико-химических свойств стекол 52
Выводы 59
Глава 3. Разработка способа получения теплоотражающих самоочищающихся стекол с повышенными эксплуатационными свойствами с титансодержащими покрытиями 60
3.1. Характер преобразований в теплоотражающих стеклах при термомодифицировании 62
3.2. Исследование фотокаталитической активности термомодифицированных стёкол с покрытиями на основе титана 66
3.3. Исследование параметров состояния покрытия теплоотражающих стекол на основе производных титана до и после термомодифицирования 83
3.4. Влияние процесса термической обработки на оптические характеристики стёкол с модифицированным покрытием, устойчивость пленки к истиранию, ее адгезионную прочность и микротвердость 86
Выводы 94
Глава 4. Исследование возможности использования теплоотражающих, термомодифицированных стекол в качестве токообогреваемых 96
Выводы 109
Глава 5. Маркетинговые, экологические и технико-экономические исследования по внедрению в производство и массовое потребление многофункциональных, термомодифицированных стекол с покрытиями.. 110
5.1. Анализ сильных и слабых сторон поточного производства стекла с модифицированными титановыми покрытиями (SWOT-анализ) 110
5.2. Технико-экономическая эффективность производства и применения теплоотражающих, термомодифицированных стекол... 114
5.3. Экологические аспекты рециклинга отходов теплоотражающего, термомодифицированного стекла 117
Выводы 123
Основные результаты и выводы 126
Список использованной литературы 128
Приложения 139
- Особенности теплопередачи через стеклянную преграду и оптические характеристики светопрозрачных конструкций
- Используемые методы исследования физико-химических свойств стекол
- Исследование фотокаталитической активности термомодифицированных стёкол с покрытиями на основе титана
- Анализ сильных и слабых сторон поточного производства стекла с модифицированными титановыми покрытиями (SWOT-анализ)
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в строительной индустрии широкое применение получили стекла с пленочными покрытиями - солнцезащитные теплоотражающие (рефлектные) и низкоэмиссионные, основное назначение которых -обеспечивать эффективное энергосбережение и при этом придавать зданиям определенную декоративную выразительность.
В связи с расширяющимися площадями остекления зданий разного функционального назначения к стеклу и конструкциям на его основе предъявляются чрезвьшайно жесткие требования, поэтому в настоящее время ведущими фирмами мира проводятся работы как по повышению прочности и безопасности стекол и конструкций, так и улучшению эксплуатационных характеристик покрытий, таких как износостойкость, твердость, прочность, термостабильность. Разработки ведутся как по созданию новых составов, так и новых технологий нанесения покрытий, благодаря чему рынок стекла развивается интенсивно и происходит постоянное пополнение ассортимента продукции.
В последнее время возрос интерес к стеклам с многофункциональными
покрытиями, проявляющими фотокаталитические, антибактериальные,
противотуманные и другие свойства. На данный момент существует несколько фирм, выпускающих в промышленных масштабах самоочищающиеся стекла с покрытием на основе Ti02 (AFG Industries, Pilkington, PPG Industries). Однако возникают технические проблемы при нанесении пленок ТіОг пиролитическим методом -обеспечение однородности, равнотолщинности покрытий и токсичности применяемых прекурсоров. В связи с изложенным исследования, направленные на создание стекол с фотокаталитическими покрытиями, улучшенными эксплуатационными характеристиками, являются перспективными и актуальными.
Целью работы является создание теплоотражающих стекол с новыми функциональными возможностями - эффектом самоочищения, электропроводностью и улучшенными оптическими и физико-механическими свойствами путем термомодифицирования титансодержащих покрытий, наносимых на стекло методом вакуумного магнетронного напыления.
Для достижения поставленной цели в задачи исследований входили:
- анализ существующих технологий нанесения покрытий и научное обоснование
выбора способа получения теплоотражающих стекол с эффектом самоочищения;
- оценка свойств титансодержащих покрытий, формируемых в результате термической обработки, с целью выбора марок исходных теплоотражающих стекол и оптимизация режимов их модифицирования;
- изучение физико-химических процессов, происходящих при термообработке
рефлектных стекол с покрытием из нитрида титана, и определение химического
состава, структуры и качества получаемого покрытия с применением современных
методов исследования объектов наноразмерной толщины;
отработка оптимальных технологических режимов получения стекол с титансодержащими покрытиями, обладающими в результате термомодифицирования улучшенными оптическими, физико-химическими и фотокаталитическими свойствами;
апробация разработанного способа получения самоочищающегося теплоотражающего стекла на промышленных установках ОАО «СИС» с выпуском опытно-промышленной партии изделий.
Научная новизна:
Выявлена и реализована принципиальная возможность придания фотокаталитической активности теплоотражающему стеклу с нитридотитановым покрытием путем его термомодифицирования, в результате чего стекло приобретает способность к самоочищению. Показано, что в процессе термомодифицирования имеет место окисление нитрида титана с образованием оксида и оксинитрида титана, обладающих фотокаталитическими и гидрофильными свойствами.
Установлена взаимосвязь повышения эксплуатационных характеристик термомодифицированного стекла - светопропускания, адгезионной прочности, микротвердости, стойкости к истиранию, коррозионной стойкости и сокращения фотокаталитической активации, с видом и составом исходного магнетронного покрытия.
3. Обнаружено изменение элементного и фазового состава покрытия при термомодифицировании, увеличение неоднородности микрорельефа и уменьшение толщины покрытия при повышении адгезии и возможном увеличении переходного слоя стекло - покрытие, что обеспечивает более высокий уровень эксплуатационных свойств.
Практическая значимость работы:
Разработан способ получения теплоотражающего самоочищающегося стекла, включающий магнетронное напыление покрытий с последующей их термообработкой в области температур Tg, приводящей к созданию нанопокрытий, сочетающих одновременно достоинства, присущие покрытиям, получаемым вакуумными методами off-line и пиролитическим методом on-line.
Определены технологические параметры получения теплоотражающих стекол с термомодифицированными титансодержащими покрытиями, обладающими фотокаталитической активностью, гидрофильностью и улучшенными оптическими и физико-техническими свойствами.
Изучены электрические характеристики стекол с магнетронными покрытиями, что позволило рекомендовать их для использования в качестве токообогреваемых.
Разработана схема рециклинга отходов теплоотражающего термомодифицированного стекла, обеспечивающая возможность их переработки в качестве «вторичного» стеклобоя, в основном флоат-процессе.
Диссертационная работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет (СГТУ) и ОАО «Саратовский институт стекла» и является частью комплексных научно-исследовательских работ ОАО «Саратовский институт стекла», а также разделом темы СГТУ, грант №2.1.2/1587 «Разработка теоретических и эксплуатационных основ реакции синтеза керамических нанокомпозитов различного назначения с использованием оксидных нанопорошков», в рамках аналитической ведомственной целевой программы развития научного потенциала высшей школы 2009-2010 гг. Министерства образования и науки РФ.
Внедрение результатов и реализация работы:
Разработанные технологические рекомендации по получению
термомодифицированных теплоотражающих стекол с эффектом
фотокаталитической активности планируется использовать на промышленных установках ОАО «Саратовский институт стекла».
Внедрена на базе ОАО «Саратовский институт стекла» модернизированная автором методика определения фотокаталитической активности стекол с покрытием до и после их термической обработки.
Выпущена опытно-промышленная партия теплоотражающих стекол толщиной 5 мм в объеме 120 м , полученных методом магнетронного напыления как однослойных, так и многослойных покрытий с последующей модификацией на линии закалки с конвекционным нагревом (Акт от 22.06.2009 г.).
По результатам проведенных маркетинговых исследований предполагаемый экономический эффект промышленного внедрения способа получения стекол с многослойными термомодифицированными покрытиями составит 720 тыс. рублей на один строительный объект общей площадью остекления фасада 3000 м .
Апробация результатов работы. Результаты работы доложены и обсуждены
на IV Международной научно-технической конференции «Надежность и
долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2005 г.), I Международной конференции «Стеклопрогресс-ХХ1» (Саратов, 2002 г.), II Международной конференции «Стеклопрогресс-XXI» (Саратов, 2004 г.), Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005 г.), III Международной конференции «Стеклопрогресс-ХХІ» (Саратов, 2006 г.), IV Международной конференции «Стеклопрогресс-ХХІ» (Саратов, 2008 г.) и на заседании секции научно-технического совета Саратовского института стекла (Саратов, 2009 г.).
Основное содержание работы изложено в 8 публикациях, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, подана заявка на патент.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов, изложена на 141 страницах, содержит 30 таблицы и 25 рисунков, список использованной литературы из 127 наименований и 2 приложения.
Автор выражает благодарность кандидату химических наук Бондаревой Лидии Николаевне за научную и техническую помощь при выполнении работы.
Особенности теплопередачи через стеклянную преграду и оптические характеристики светопрозрачных конструкций
Современное строительство характеризуется высоким ростом потребления стекла в связи с большими площадями наружного остекления. В таких условиях выбор стекла должен определяться не только эстетическими соображениями, но и оптико-энергетическими характеристиками остекления и ч его биологическим воздействием. Одной из главных задач является экономия энергоресурсов и повышение энергоэффективности зданий и комфортности в них человека. Обычное стекло, стеклоконструкции не решают указанных проблем и для контролируемого поступления солнечной радиации и снижения теплопотерь через остекление в зимнее время года используются специальные энергоэффективные стекла с пленочными покрытиями, придающими дополнительные необходимые свойства стеклу.
Стекло по своему функциональному назначению призвано обеспечивать связь человека, находящегося в помещении, с окружающим пространством, и является разделяющей средой между ним и солнцем. До земной поверхности доходит только часть лучистой энергии солнца в диапазоне длин волн 0,3 - 2,5 мкм. Эту часть солнечного спектра принято называть оптической, и она делится на ультрафиолетовую (УФ) видимую и инфракрасную области (ИК) с диапазоном длин волн, соответственно, 0,2 - 0,38; 0,38 - 0,75 и 0,75 - 2,5 (мкм). Тепловая энергия, поступающая с солнечной радиацией, распределяется следующим образом: УФ — лучи - 2-4% от общего количества тепловой энергии, видимая область лучи - 44-46%, ИК - лучи - 50-52%. Таким образом, лучистый нагрев всех тел происходит в основном, в результате совместного воздействия видимых и ИК - лучей [27-28].
Обычное оконное стекло почти полностью непрозрачно для УФ - лучей, но хорошо пропускает видимую часть и ИК - область солнечного спектра. Солнечная радиация, проникая внутрь помещения через стекло, нагревает поверхности стен, пола, предметов, которые, нагреваясь, становятся источником вторичного длинноволнового излучения (помимо солнечной инсоляции) с длиной волн в диапазоне 7-14 мкм (аналогично теплу от батарей в отопительный сезон). Для данного диапазона волн стекло непрозрачно и это в летнее время вызывает перегрев и дискомфорт для человека в помещении, особенно при больших площадях остекления.
Таким образом, существуют две совершенно обособленные области излучения. Одна полностью заключена в площади, ограниченной кривой пропускания стекла, когда солнечная радиация проходит через стекло. Вторая область излучения обусловлена излучением от предметов, нагретых различным путем - батареи, элементы конструкций и предметы внутри помещений нагретые солнцем и т.д., рисунок 1.5 [26]. Эти тепловые лучи не пропускаются стеклом, более того, оно поглощает длинноволновое излучение, что приводит к саморазогреву и интенсивным радиационным потерям в пространство, особенно в зимнее время.
Существует несколько путей потерь тепла через стекло: излучение, теплопередача и конвекция. Стекло является плохим изолирующим материалом, своеобразным «мостиком холода» в помещении. Для уменьшения потерь тепла за счет теплопроводности и конвекции воздуха применяется двойное, герметичное остекление, но это дает лишь незначительный эффект, так как основная доля теплопотерь через остекление происходит за счет поглощения и теплового излучения - лучистой теплопередачи энергии через стекло.
Поглощательная способность тел определяется формулой Друде [26] где (Xi - спектральный коэффициент поглощения, X - длина волны, р — удельное сопротивление. Из формулы следует, что поглощательная способность тел уменьшается, а отражательная, соответственно, увеличивается при увеличении длины волны излучения и уменьшении удельного сопротивления материала, т.е. увеличении его электропроводности.
Солнцезащитная эффективность стекла может быть определена из уравнения распределения излучения [27]: где Те - коэффициент пропускания прямого солнечного излучения; ре -коэффициент отражения прямого солнечного излучения; (Хе - коэффициент поглощения прямого солнечного излучения. Таким образом, из уравнения (2) видно, что для уменьшения поступления избыточного солнечного излучения через стекло необходимо уменьшить коэффициент прямого пропускания солнечного излучения за счет повышения поглощательной или отражательной способности стекла, последнее направление более эффективное.
Для улучшения солнцезащитных и теплозащитных функций остекления, необходимо придать стеклу дополнительные функции, которые реализуют путем нанесения специальных пленочных покрытий - теплоотражающих (рефлектных), энергосберегающих (низкоэмиссионных) и комбинированных многофункциональных покрытий, сочетающих солнцезащитные и теплозащитные функции. В последние годы появились стекла с активными фотокаталитическими покрытиями - самоочищающиеся стекла и стекла с термо — и электрохромными покрытиями. [29-31].
Используемые методы исследования физико-химических свойств стекол
Полученные данные прямо указывают на то, что термическая обработка стекол SN-20 приводит к трансформированию внешнего слоя покрытия от частично окисленного (в незначительной степени) нитрида титана, к форме оксида титана, содержащего включения азота. Согласно электронной теории полупроводников включения пятивалентных элементов, и в частности азота, в структуру оксидно-металлических полупроводников, в том числе оксида титана, придают базовой структуре свойства полупроводника n-типа, что приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны и увеличению фотокаталитической активности полупроводника [126].
Известно, что оксид титана в чистом виде, независимо от кристаллической формы (рутил, анатаз, брукит) является фотоактивным только в ультрафиолетовой часги спектра солнечного излучения, однако присутствие в нем допирующих примесей (полупроводники р или п типа) делает его активным и в видимой части спектра, что и вызывает увеличение его фотокаталитической активности [101]. Аморфный ТіОг в покрытии переходит в анатаз при нагревании свыше 300
С. При ультрафиолетовом излучении с длиной волны 193 нм в тонких пленках аморфного оксида титана энергия кванта излучения (hv = 6.4 eV) близка к энергии связи ТІО2 и более чем в два раза превосходит ширину запрещенной зоны (Eg = 3,18 eV) для анатаза. В соответствии с фазовой диаграммой анатаз и брукит переходит в рутил при нагревании до температур 700 С и 900 С. Возрастание степени кристаллизации покрытия происходит с увеличением толщины пленки оксида титана. Однако, при снижении толщины до 70 нм происходит значительное снижение пороговой энергии фазового перехода в рутил и анатаз. Поверхность покрытия приобретает рельеф, построенный из вертикально ориентированных относительно подложки зерен двухмерной структуры с размерами (di 20 - 25 нм и 5 — 8 нм), возможно тетрагональной сингонии. Исследование поверхности образцов с термомодифицированными покрытиями на атомно-силовом микроскопе показали, что покрытия имеют столбчатую структуру зерен со средней высотой 34 нм, что хорошо согласуется с информационными данными. Это позволяет при меньшей толщине покрытия сохранять развитую удельную поверхность (плотная мелкозернистая структура) и высокую фотоактивность. Сравнительный анализ топографии, зафиксированный на атомно - силовом микроскопе высокого разрешения (см. рис. 3.13), дает основание утверждать, что концентрация пиков по ТіОг самоорганизующейся структуры покрытия возрастает на образцах подвергнутых дополнительной термообработке. Модифицированное покрытие, сформированное таким образом, имеет более развитую удельную поверхность, что на наш взгляд характеризует увеличение контактной зоны и способствует ускорению фотокаталитического синтеза на поверхности рефлектного стекла и сокращению циклов его активации. Это подтверждают так же профилограммы полученные при исследовании шероховатости исходных и термомодифицированных покрытий. Таким образом, имеется возможность реализовать новый принцип термической стабилизации наносостояния покрытия путем термически -контролируемой сегрегации вторичных фаз, нерастворимых в объеме зерна. - При термообработке стекол с покрытиями, содержащими нитрид титана можно получить модифицированный слой диоксида титана, обладающий фотокаталитической активностью. - Выявлено, что покрытие SN-20 на поверхности бесцветного флоат-стекла после термомодифицирования по режиму I имеет более высокую однородность по сравнению с режимами II-IV. - Установлено, что поверхность стекла с покрытием SN-20 имеет в 1,5 раза более высокую гидрофобность по сравнению с поверхностью исходного стекла (без покрытия). Дополнительная термическая обработка теплоотражающего стекла увеличивает его гидрофильность, при этом эффект самоочищения слабо зависит от режима термомодификации. - Эффект самоочищеі ия у термомодифицированных стекол с покрытиями на основе Ті02 проявляется после 10 дневной экспозиции стекла на солнце (активация покрытия). У полученных образцов с термомодифицированными покрытиями были исследованы такие свойства, как толщина покрытия, его элементный состав и топография, а также комплекс эксплуатационных характеристик: оптические параметры, адгезиснная прочность, микротвердость, коррозионная устойчивость (влагостойкость), фотокаталитическая активность и другие. Толщину слоев нано-размерных покрытий исходных теплоотражающих стекол и стекол с термомодифицированными титановыми покрытиями определяли методом спектральной эллипсометрии на эллипсометрическом комплексе «Спектроскан» и лазерном эллипсометре ЛЭМ-ЗМ. Точность измерения толщин покрытий составила порядка единиц ангстрем при оптимальных условиях измерений на однородных по толщине, составу и свойствах образцах Т-30, SN-20, DBL-20. Измерялись спектральные зависимости эллипсометрических параметров Psi и Del всех исследуемых структур. Кроме того, снимались спектрограммы Psi и Del всех стеклянных подложек, на которые наносились покрытия. Это позволило найти спектральные зависимости оптических постоянных пик подложек, необходимых для обработки результатов измерений эллипсометрических спектрограмм Psi и Del исследуемых покрытий с целью получения значений их толщин и свойств.
Свойства подложек различаются между собой. И если коэффициент поглощения к пренебрежимо мал во всех исследуемых случаях, то значения показателя преломления п - отличаются. Так, для образца Т-30 (покрытие нитрида титана на стекле) показатель преломления подложки п = 1.58, и n = 1.50 для подложки тройной структуры DBL 20. Исследовалось влияние термообработки на свойства подложек. Оптические постоянные стекол изменяются после проведения термообработки, показатель преломления увеличивается.
Получение сведений о свойствах, в частности, о толщинах слоев в структурах, состоящих из двух и более слоев, требует знания спектральных зависимостей оптических постоянных каждого из упоминающихся выше слоев. Поэтому были проведены измерения оптических свойств не только перечисленных выше структур, но и структур диоксида олова (БпОг) на стекле и нержавеющей стали (SSTN) на стекле. Оптические постоянные получены при условии однородности свойств слоев по глубине. Высокая точность их определения подтверждена и измерениями на монохроматическом эллипсометре ЛЭМ-ЗМ. Остальные образцы не обладают однородностью оптических свойств по глубине. Поэтому значения толщин приводятся как диапазон величин, получаемых в предположении однородности слоя тестовых образцов с эталонным покрытием нитрида титана, нитрида нержавеющей стали и оксида олова. В данном случае мы имеем дело с ориентировочным значением толщины, значения которой лежат в пределах, указанных в таблице 3.7.
Исследование фотокаталитической активности термомодифицированных стёкол с покрытиями на основе титана
В предыдущей главе было показано, что при термической обработке теплоотражающих стекол с многослойными покрытиями, внешний слой покрытия, состоящий из нитрида титана, окисляется и преобразуется в покрытие, основу которого составляет оксид титана допированный ионами железа и натрия. Также было показано, что полученные стекла обладают набором свойств (высокая износостойкость, эффект самоочищения, высокие декоративные свойства), перспективных для их использования при остеклении зданий и сооружений. Тем не менее, полученный набор эксплуатационных свойств подобных стекол настолько интересен, что возникает вопрос о других направлениях их использования.
Токообогреваемое стекло — это стекло, электропроводящее покрытие которого работает как сопротивление при пропускании электрического тока, вследствие чего стекло нагревается.
Стекло и стеклоизделия с токопроводящей пленкой применяют в технике в качестве полупроводниковых элементов и низкотемпературных излучателей в составе приборов и аппаратуры. Последнее качество эффективно используется в транспортном машиностроении при изготовлении не запотевающего и незамерзающего остекления самолетов, автомобилей, электровозов и других видов транспорта, а также бытовых нагревательных элементов в виде стеклянных панелей или каминов. Перспективной сферой использования крупногабаритных токообогреваемых стекол является строительство. Электрообогреваемое остекление может применяться в зданиях с большими световыми проемами, в витринах магазинов, киосках, а также при изготовлении охранных витрин и окон [41].
Электрические свойства пленочных покрытий можно оценить способностью проводить электрический ток. Мерой электропроводности материалов служит величина удельного электрического сопротивления. Электрическое сопротивление проводника выражается формулой [115]:
Для сравнительной оценки удельного сопротивления тонких слоев различных материалов принимается единица, называемая сопротивлением квадрата (поверхностное сопротивление). Если измеряемый участок пленки имеет форму прямоугольника со сторонами / и s и стороны в прямоугольнике равны / = s, то последний превращается в квадрат, формула для R квадрата примет вид:
Измеряемое сопротивление в этом случае не зависит от геометрических размеров участка поверхности (квадрата), а зависит только от удельного сопротивления материала и толщины слоя. Для измерения поверхностного сопротивления пленок на практике обычно берется площадь 1 см , поэтому удельное поверхностное сопротивление (К$) измеряется в Ом/см2.
Для того, чтобы иметь возможность сравнивать электрические сопротивления различных пленок, обычно подбирают слои одинаковой толщины d. За стандартную толщину слоев при измерении сопротивления принята толщина, соответствующая интерференционным цветам третьего порядка (-387 нм).
В теплоотражающих покрытиях при окислении могут образовываться следующие оксиды: SnC , ТІО2, РегОз/РеО. В данном перечне полупроводниковыми свойствами обладают оксиды олова и титана. Если бы эти оксиды, имели строго стехиометрический состав, то их можно было бы отнести к диэлектрикам (веществам с очень высоким удельным сопротивлением). Однако общеизвестно, что электрические свойства вещества изменяются при нарушении строгой периодичности кристаллической решетки, которое может быть вызвано внесением в вещество различных примесей. В этом случае примесями являются не только посторонние включения, но и отступления от стехиометрического соотношения компонентов основного вещества, называемые собственными примесями. При синтезе полупроводниковых окисных слоев для регулирования электропроводности часто стремятся искусственно вызвать нарушения в структуре вещества за счет введения посторонних примесей и создания собственных примесей, например, путем изменения окислительно-восстановительных условий в зоне реакции.
Анализ сильных и слабых сторон поточного производства стекла с модифицированными титановыми покрытиями (SWOT-анализ)
Метод аэрозольного напыления имеет свои преимущества и недостатки. Достоинством метода является чрезвычайно высокая скорость формирования полупроводникового слоя — 3-5 секунд.
К недостаткам относятся присутствие в зоне пленкообразования паров хлористого водорода, в присутствии которого на щелочном стекле при недостаточной эвакуации отходящих газов образуются мутные разводы из хлоридов щелочей стекла (MeCl, МеОС12, MeOCl), которые к тому же уменьшают адгезию покрытия к стеклу. В случае мощной вентиляции происходят большие потери пленкообразующих веществ и формирование тонких пленок.
В последние годы за рубежом ведущими стекольными фирмами освоен и успешно реализуется парофазный способ нанесения тонких оксидных пленок с использованием газообразного пленкообразующего — CVD метод. Суть метода состоит в сжигании в кислороде газообразных металлоорганических соединений. Процесс образования слоя длится несколько минут. Образующиеся молекулы оксидов металла в смеси с атомарным металлом осаждаются на поверхность расплавленного стекла, практически внедряясь в него за счет спекания. Полученные таким образом покрытия очень прочны. Данный метод позволяет существенно улучшить внешний вид покрытия за счет возможности нанесения оксидных пленок переменного состава (с градиентом показателя преломления по толщине). Основной недостаток метода - использование сильно токсичных оловоорганических соединений.
Таким образом, химические методы нанесения - процессы многофакторные и часто не поддающиеся точному регулированию, поэтому, чем больше площадь обрабатываемого стекла, тем сложнее подобрать параметры нанесения качественного покрытия. Кроме того, химические методы относятся к разряду вредных производств и требуют особых условий для утилизации отходов.
Проведенные за рубежом исследовательские работы по изучению внешнего вида покрытия диоксида олова на электрообогреваемых стеклах завершилось в итоге созданием электрообогреваемого остекления с вакуумно-металлическими покрытиями. Подобные работы в нашей стране не проводились. Для нанесения металлических и оксидно-металлических покрытий используется экологически чистый метод реактивного магнетронного распыления, который позволяет получать качественные прозрачные «низкоомные» пленки, в отличие от рыхлых «многоомных» пленок, получаемых ранее термическим испарением в вакууме. Метод магнетронного напыления покрытия основан на явлении разрушения металлического катода в результате его бомбардировки молекулами инертного газа, содержащего примеси реактивного газа (кислорода или азота). Характер образования слоя зависит от природы материала катода (мишени), состава газовой среды, температуры подложки и других факторов. При ионно-плазменном способе вещество распыляется в плазме газового разряда низкого давления 10"3 - 10"5 мм. рт. ст. В этом случае состав и структура пленки аналогичны таковым для исходных материалов. Данная технология позволила напылять коммерческие пленки различного состава (от металлов до диэлектриков) на стекло больших размеров, в том числе оксидные слои и композиции на их основе хорошей проводимости и прозрачности с полифункциональными свойствами [108].
Согласно литературным данным вакуумным способом токообогреваемые стекла получают, в основном, с использованием оксидов индия и цинка и многослойные композиции состава: диэлектрик-металл-диэлектрик [109]. В нашей стране работы по созданию поточной технологии производства крупногабаритных токообогреваемых стекол с вакуумными пленками неизвестны.
В связи с наличием в ОАО «Саратовский институт стекла» линии магнетронного напыления, появилась техническая возможность проведения таких исследований на базе выпускаемых на линии стекол с солнце- и тепло-отражающими покрытиями, тем более что в основе функциональных свойств и тех и других лежит электронная проводимость поверхностного слоя.
Целью данного этапа работ было определение электрофизических параметров выпускаемых теплоотражающих стекол на соответствие их требованиям к токообогреваемому стеклу для транспортного остекления и радиационного обогрева. При этом проводилось сопоставление результатов, полученных для исходных теплоотражающих стекол с многослойными покрытиями и термомодифицированных стекол, полученных на их основе. Электронагревательный элемент представляет собой подложку из стекла, на одну из поверхностей которой нанесена токопроводящая пленка с контактными шинками для подключения к источнику тока. Эффективность работы нагревательных элементов определяются потребляемой мощностью, которая зависит от сопротивления токопроводящего слоя и от подаваемого напряжения. Известно, что выпускаемые в стране электрообогреваемые стекла рассчитаны на источники питания 50-220 В. Основной рабочий диапазон токообогреваемых изделий лежит в интервале 10-500 Ом/см . При разработке токообогреваемого стекла конкретного назначения сначала задается удельная мощность, исходя из допускаемого верхнего предела расхода тока и площади изделия; затем рассчитывается сопротивление между шинами (электродами) по формуле: