smartdata的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/smartdata 玻璃性能、测试、成分设计和生产控制

博文

玻璃的颜色与光谱要求及着色剂的含量设计

已有 3110 次阅读 2019-8-22 22:41 |个人分类:颜色玻璃|系统分类:论文交流


摘要:玻璃在许多应用场合都会有颜色或者是光谱透过率要求,而影响玻璃的颜色和光谱透过率曲线的则是添加到玻璃中的各种着色剂。针对玻璃颜色和光谱要求以及如何快速、准确设计这些着色剂的含量以满足对玻璃颜色和光谱要求,给出直观具体的解决方案,以提高现代玻璃行业组成设计水平。

关键词:颜色玻璃;光谱;着色剂;成分设计


Color and Spectrum Requirements of Glass and Composition Design of Colorant

WANG Zebin

(Xiamen SmartData Software Co.,Ltd. ,Xiamen 361006,China)

 

Abstract:Glass has color or spectral transmittance requirements in many applications, and the colorants added to glass affect the color and spectral transmittance curve. In this paper, the requirements of glass color and spectrum and how to design the composition of these colorants quickly and accurately to meet the requirements of glass color and spectrum are discussed, and an intuitive and concrete solution is given to improve the composition design level of modern glass industry.

Key words:Color glass; Spectrum; Colorant; Composition design

 

1. 玻璃对颜色和光谱的要求

世界的美妙之处在于多姿多彩,可见颜色的重要性。玻璃可以作为容器、装饰材料以及光学元件,用途不同对颜色存在不同的要求。颜色是玻璃在可见光波段内(380nm-780nm)的透过率差异所呈现出的不同色彩,有些场合则需要紫外或者红外波段具有一定的透过率,这样即会产生对玻璃在包含可见光以及不可见光的在一定波段范围内的透过率要求,形成了对玻璃光谱特性要求。

玻璃的颜色可以明确的用色度坐标及色差来表示,但对于不可见光则只能用光谱曲线来表达,因此对于那些在可见光以及不可见光下都有要求的玻璃来说,仅仅用色度坐标则无法完整表达,此时就需要使用玻璃的光谱特性即光谱透过率曲线来描述这类要求了。

由于玻璃具有许多优异的性能而被广泛应用,常用于做包装容器、各种保护和隔离以及各种光学仪器、光源滤光等。有些对玻璃有一定的颜色要求,如:器皿玻璃、工艺品玻璃、酒瓶、药用包装玻璃等日用玻璃,以及各种滤光片玻璃,包括中性灰色玻璃,有些则要求玻璃在一定波长范围内,对具体波段的透过率要求,如汽车玻璃、光伏玻璃、显示玻璃、光学玻璃、防护护目镜用玻璃等。

2. 影响玻璃光谱特性的因素

光线照射到玻璃时,一部分透过玻璃,一部分被玻璃反射掉,还有一部分在穿透玻璃介质时被吸收掉。着色剂会影响玻璃对光的吸收程度,着色剂浓度的高低以及玻璃的厚度决定了玻璃对光线的吸收程度;玻璃的折射率则决定了玻璃的反射能力,折射率越高,反射能力。因此,最终影响玻璃光谱特性的因素就包括玻璃的折射率、着色剂的浓度即含量、以及玻璃的厚度。

3. 玻璃着色剂含量设计

玻璃的光谱设计一直是国际上知名玻璃企业在专利方面的重点,也是高端和高附加值玻璃的技术核心之一。随着社会的进步以及人们对玻璃要求的不断提高,对玻璃光谱特性的要求也越来越多,如药用包装玻璃对特定波长的吸收要求、汽车风挡玻璃对颜色以及紫外与红外双截止要求、光伏玻璃为了提高光电转换效率而对红外的高透过要求、各种电子显示用玻璃对特定波长的截止与透过要求等等,这些无不在玻璃的光谱透过率曲线上提出相应的特殊要求。

不同的颜色以及光谱透过率要求,其着色剂的选择与使用量不同,为了满足颜色和光谱透过率要求,就需要对着色剂是使用量进行设计计算。

着色剂使用含量基本上都ppm级,对于使用量很少的着色剂其定量分析测量均比较困难,测量误差也比较大,用量的设计计算就显得更困难。随着计算机计算能力的不断提高,相应的设计工具也应运而生。

专注于玻璃性能计算与组成设计的厦门灵捷软件有限公司为了满足日益复杂的玻璃光谱设计要求,开发出了颜色玻璃工程师系统(简称CGES),该系统既可以对玻璃着色剂含量进行全新设计,又可以进行增减量的调整设计(即在某种光谱特性的基础上,对着色剂进行增减量设计计算),并给出几种常用光源下的色度坐标、色差,同时给出340nm-1000nm波段内的光谱透过率曲线和最后形成的颜色

4. 设计案例

下面分别给出颜色和光谱的着色剂的调整设计示例。

4.1. 颜色设计

4.1.1. 调整前玻璃

4.1.1.1. 折射率1.5163

4.1.1.2. 厚度 2mm

4.1.1.3. 色度坐标:

CIE1931 D6500光源下的透过率为78.09%Yxy色度坐标为Y=78.09,x=0.3061y=0.33626,对应的 L*a*b*坐标为L*=90.82,a*=-6.5943,b*=1.4289

4.1.2. 调整后玻璃

4.1.2.1. 折射率1.5163

4.1.2.2. 厚度为2mm

4.1.2.3. 色度坐标:

CIE1931 D6500光源下的透过率40.0%中性灰,Yxy色度坐标Y=40,x=0.3138,y=0.3309,对应的L*a*b*坐标为L*=69.47,a*=-0.2776,b*=0.6840

4.1.3. 调整前后色差∆E22.28

4.1.4. 设计结果

我们使用CGES中的全面实验设计方法通过几次全面实验迭代后选择使用以下5种着色剂,并经15552次循环计算,给出与要求的颜色色差为0的着色剂使用量的设计结果见表1.

注:在颜色以及光谱设计软件CGES中,“基准”的含义是指与设计结果对比而言,若在指定玻璃基础上进行颜色增量调整的,该玻璃为“基准”,若进行全新设计则此时的“基准”对应为真空。

1  着色剂设计组成

Tab.1 Composition of the Colorant

着色剂

含量(ppm)

V2O5

5181   

CrO3

7501   

Mn2O3

3581   

Fe2O3

4154   

FeO

2187

上述着色剂的使用量为增量,即:在原玻璃着色剂的基础上增加的种类以及相应的含量。

 

玻璃调整前后的色度坐标对比分别见表2和表3.

2玻璃颜色调整前后4种光源下的CIE1931色度坐标对比

Tab.2 Colority Coordination Comparison Of CIE1931 With Four Light Source Before And After Glass Color Adjustment

Yxy

基准

设计计算

光源A-Y

76.49299727

40.0681414451149

    x

0.434500782080845

0.442965259810633

    y

0.414657169360841

0.413320849943645

光源B-Y

77.53645588

40.1782288118192

    x

0.338036466259006

0.346696511415116

    y

0.35684112591246

0.355051710692045

光源C-Y

77.8806414899999

40.1796730072339

    x

0.301385758753069

0.309256875181417

    y

0.320925830258358

0.318426705947862

光源D65-Y

78.08792028

40.0000000000144

    x

0.306067887026976

0.313799999999988

    y

0.336259138837376

0.330899999999951

 

3玻璃颜色调整前后4种光源下的色度坐标L*a*b*对比及色差

Tab.3 Colority Coordination Comparison Of L*a*b* and Colour Difference With Four Light Source Before And After Glass Color Adjustment

L*a*b*

基准

设计计算

△E/基准

光源A-L*

90.0877

69.5180

21.12

    a*

-7.1381

-3.0198


    b*

-1.3479

1.1336


光源B-L*

90.5680

69.5963

21.59

    a*

-6.8421

-1.8033


    b*

-0.1388

0.7597


光源C-L*

90.7254

69.5973

21.81

    a*

-6.6027

-1.1999


    b*

0.2831

0.5464


光源D65-L*

90.8200

69.4695

22.28

    a*

-6.5943

-0.2776


    b*

1.4289

0.6840


 

调整后的玻璃颜色坐标在色域图中所处位置见图1.

wps6DBF.tmp.jpg 

1 调整的玻璃的色度

Fig.1 Colorimetric Diagram of Adjusted Glass

 

 

 

调整前后玻璃的去掉着色剂吸收光谱曲线后的玻璃光谱透过率曲线对比见图2

wps6DCF.tmp.png 

2 基准和设计计算340nm-1000nm光谱透过率曲线对比图

Fig.2 Comparison of 340nm-1000 nm spectral transmittance curves by benchmark and design

 

 

 

4.2. 玻璃光谱曲线设计案例

对于某些应用场合的玻璃,要求其光谱透过率曲线符合特定要求,下面案例将展示出使用全新而非增量方式来设计玻璃的着色剂使用量使其满足特定的光谱透过率曲线要求。

使用光谱透过率曲线进行着色剂组成设计,可以非常方便地用来仿制特定产品,或者用来分析玻璃的着色剂成分。

4.2.1. 玻璃设计目标要求

4.2.1.1. 折射率1.5212

4.2.1.2. 厚度 9.69mm

4.2.1.3. 光谱透过率曲线

见图3目标玻璃340nm-1000nm光谱透过率曲线

wps6DD0.tmp.png 

3 玻璃340nm-1000nm目标光谱透过率曲线

Fig.3 Spectral Transmittance Curve of 340nm-1000 nm Target

 

 

 

4.2.2. 设计结果

我们使用CGES中的全面实验设计方法基准玻璃选择使用“真空”,仍然通过几次全面实验迭代后选择使用以下5种着色剂,并经7767次循环计算,给出的设计结果如下:

4.2.2.1. 着色剂使用量

设计的着色剂组成见表4.

4  着色剂设计组成

Tab.4 Composition of the Colorant

着色剂

含量(ppm)

V2O5

31

Cr2O3

5

Mn2O3

7

Fe2O3

21

FeO

34

上述含量为全部使用量。

4.2.2.2. 设计的光谱透过率曲线与目标曲线的对比

设计的光谱透过率曲线与目标光谱透过率曲线均方差0.5334,色差小与0.1,光谱透过率曲线对比见图4、图5.5为曲线对比放大后的细节图,详细光谱透过率数据对比见表7

wps6DBF.tmp.jpg 

4 设计玻璃340nm-1000nm光谱透过率与目标光谱透过率曲线对比

Fig.4 Comparison of 340nm-1000 nm spectral transmittance curves by Target and design

 

wps6DF1.tmp.png 

5 设计玻璃340nm-1000nm光谱透过率与目标光谱透过率曲线放大对比

Fig.5 Comparison of 340nm-1000 nm spectral transmittance curves by Target and design(Detail)

 

 

 

5  设计的玻璃4种光源下的CIE1931色度坐标对比

Tab.5 Colority Coordination Comparison Of CIE1931 With Four Light Source 

Yxy

基准

目标

计算

光源A-Y

100

90.148896371307

90.1975564262484

x

0.447566145932926

0.44666457

0.446549303697161

y

0.407452452030521

0.40797741

0.408000237988934

光源B-Y

100

90.234012395837

90.2868112151564

x

0.348421893179663

0.34770354

0.347601554450983

y

0.351616327515138

0.35199267

0.351908076059689

光源C-Y

100

90.261566586582

90.3147399034291

x

0.310061762646167

0.30946207

0.309370074977138

y

0.316164044876325

0.31649713

0.316369102377222

光源D65-Y

100

90.273269934968

90.3232944246025

x

0.313776221809332

0.31324717

0.31315807966644

y

0.330900661966774

0.33125583

0.331082151988559

 

 

6  设计的玻璃4种光源下的色度坐标L*a*b*对比及色差

Tab.6 Colority Coordination Comparison Of L*a*b* and Colour Difference With Four Light Source 

L*a*b*

基准

目标

计算

△E/计算与基准

△E/计算与目标

光源A-L*

100.0000

96.0585

96.0787

3.97

0.07

a*

-0.0076

-0.5390

-0.5896



b*

0.0049

-0.0795

-0.1169



光源B-L*

100.0000

96.0938

96.1156

3.92

0.06

a*

-0.0020

-0.5064

-0.5150



b*

0.0028

-0.0018

-0.0573



光源C-L*

100.0000

96.1052

96.1272

3.90

0.07

a*

-0.0070

-0.4879

-0.4707



b*

0.0059

0.0276

-0.0364



光源D65-L*

100.0000

96.1100

96.1307

3.89

0.09

a*

-0.3898

-0.8208

-0.7823



b*

0.9242

0.9306

0.8497



 

7  340nm-1000nm光谱透过率对比

Tab.7 Spectral transmittance comparison of 340nm-1000nm 

波长(nm)

目标

计算

波长(nm)

目标

计算

波长(nm)

目标

计算

340

77.31

78.88

570

90.31

90.42

800

86.70

86.76

350

87.28

84.87

580

90.28

90.30

810

86.32

86.56

360

90.23

88.00

590

89.93

90.15

820

86.61

86.41

370

88.73

90.04

600

89.91

90.00

830

86.06

86.26

380

89.87

90.50

610

89.66

89.76

840

85.76

86.11

390

90.33

90.66

620

89.72

89.52

850

86.20

85.95

400

90.16

90.93

630

89.44

89.30

860

85.98

85.87

410

90.12

90.85

640

89.28

89.20

870

86.09

85.72

420

90.11

90.69

650

89.17

88.99

880

85.56

85.57

430

90.23

90.55

660

88.96

88.90

890

85.64

85.42

440

89.97

90.36

670

88.79

88.75

900

85.37

85.33

450

90.35

90.27

680

88.98

88.65

910

85.18

85.25

460

90.06

90.28

690

88.69

88.48

920

85.14

85.23

470

90.37

90.29

700

88.67

88.42

930

85.21

85.15

480

90.42

90.30

710

88.64

88.32

940

85.02

85.13

490

90.57

90.41

720

88.34

88.16

950

84.87

85.05

500

90.49

90.44

730

88.26

87.98

960

84.71

84.97

510

90.41

90.49

740

87.97

87.81

970

84.62

84.96

520

90.56

90.56

750

87.89

87.64

980

84.66

84.88

530

90.50

90.57

760

87.69

87.45

990

84.68

84.87

540

90.53

90.66

770

87.35

87.29

1000

84.65

84.80

550

90.47

90.61

780

86.88

87.11




560

90.52

90.54

790

86.68

86.97




 

5. 结果与讨论

 

人们对颜色的反应存在主观个体差异,通过光谱及色度坐标的计算会消除这种主观差异。玻璃颜色计算复杂,涉及玻璃着色剂的光谱特性、着色剂的用量、玻璃的厚度以及玻璃的折射率等因素,而光谱透过率涵盖从340nm1000nm波长范围,其计算量巨大;而颜色玻璃的生产则更复杂,表现在着色剂的使用量均很小,有些着色剂的着色效果非常显著导致其使用量极低,而有些着色剂在玻璃中存在多种价态,这样在熔制玻璃的工艺控制尤其是氧化还原指数的控制显得特别重要。

对玻璃颜色而言,由于人眼对小于2.5的色差几乎感觉不到颜色差异,相对有光谱透过率曲线要求的玻璃来说设计会容易一点,设计计算的量也是巨大的,手工进行设计计算更是几乎不可能。有的有着色要求的,要呈现某种颜色,如机场跑道信号灯玻璃,有的则要求不能着色,透过玻璃不会改变被观察物体的颜色即为灰色,如摄影、光学成像用的ND减光镜,有对玻璃可见光波段透明度要求高且在近红外以及紫外波段有一定要求的,如隔热玻璃、太阳能光伏发电用的盖板玻璃等,这些要求会更加剧玻璃成分以及着色剂的设计与控制的难度。

玻璃成分在生产过程中会随着原料、生产工艺、生产装备的不同存在不同的挥发、飞散水平,本文介绍的相关设计技术及设计结果在日常生产中需要根据具体生产线的原料耗费情况作适当修正,目前在离子着色应用方面可广泛应用。

使用专业的玻璃组成和着色剂组成优化设计系统,是提高玻璃成分设计水平、加快玻璃材料开发速度并极大地降低研发成本、缩短研发时间的利器。

随着工业4.0和智能制造时代的到来,我们在玻璃制造领域亟须推广普及现代优化设计技术的开发与应用,在当前中美贸易摩擦导致许多高技术产品贸易被阻止的形势下,我们更应该踏踏实实在不仅仅是玻璃行业的所有制造业方面增加投资,加强相关基础理论与应用研究,早日摆脱落后局面,早日实现工业强国。

 

6. 结论

颜色玻璃以及玻璃透过率光谱曲线设计,应用CGES可以迅速进行多次迭代优化,可根据产品的要求随时增减着色剂的种类以及使用量,适合目前乃至今后包括太阳能光伏发电玻璃、高端汽车风挡玻璃、高端药用包装玻璃、高端平板显示用玻璃、光学玻璃等各种高性能、高附加值的玻璃研发和生产。

 

参考文献

 

[1] 王泽斌.光伏玻璃成分设计中的光谱特性与铁含量控制标准探讨[J].玻璃与搪瓷.2018.46(6):36-40

[2] 厦门灵捷软件有限公司.颜色玻璃工程师系统(CGES)用户手册M.2018

[3] 袁怡松,吴柏诚,罗红旗.颜色玻璃[M].轻工业出版社,1976

[4] 陈福,武丽华,赵恩录.颜色玻璃概论[M].化学工业出版社,2009

 




https://wap.sciencenet.cn/blog-246651-1194848.html

上一篇:SMARTWORKER®颜色玻璃工程师系统(CGES),给玻璃行业带来高效工具
下一篇:光伏玻璃成分设计中的光谱特性与铁含量控制标准探讨
收藏 IP: 117.30.160.*| 热度|

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-11-27 17:38

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部