特种玻璃--智能变色玻璃

智能玻璃—智能变色玻璃
前言：
随着玻璃幕墙、大玻璃窗的流行，人们对玻璃节能材料的需求越来越迫切。

夏季人们希望尽可能地将太阳光挡在室外，减少空调耗能；冬季人们希望更多的太阳光进入室内，增加舒适度和减少采暖费用。

而目前市场上的Low-E玻璃、热反射镀膜玻璃等节能玻璃一旦制备完成，其对太阳光的调节都是一定的，无法随着季节和气候而变化，并非最佳选择，最理想的是遮阳性能可调节的玻璃，即智能变光玻璃。

随着科技的发展，各种利用新技术和新工艺制作生产的调光玻璃不断涌现，按其基本工作原理可分为，电致变色、光致变色、热致变色、液晶调光等多种类型。

本文将对工作原理和性能及研究进展、发展趋势等进行了介绍。

摘要：
介绍热致变色玻璃、电致变色玻璃和光致变色玻璃三类变色玻璃的变色原理及其研究进展，指出其在应用中应注意的若干问题及其发展趋势，提出应加强变色玻璃的开发研究，促进我国节能事业的发展。

关键词：热致变色玻璃电致变色玻璃光致变色玻璃变色原理
研究进展
1变色玻璃及其分类
变色玻璃是指在光照、通过低压电流或表面施压等一定条件下改变颜色，且随着条件变化而变化，当施加条件消失后又可逆地自动恢复到初始状态的玻璃，也叫调光玻璃或透过率可调玻璃[ 1 ]。

这种玻璃随环境改变自身的透过特性，可以实现对太阳辐射能量的有效控制，从而满足人类需求和达到节能的目的。

玻璃根据变色原理可分为四类，分别是热致变色玻璃、电致变色玻璃以及光致变色玻璃。

这些变色效应不同的玻璃均可不同程度地实现对太阳光的调节。

2热致变色玻璃
2.1热致变色玻璃的变色原理
热色玻璃是在普通玻璃上涂敷一层热色材料，它可随着环境温度的改变实现玻璃透光率的调节。

经过几十年的研究和发展，研究人员已经开发出了无机、有机、聚合物及生物大分子等各种可逆热致变色材料。

但热色材料通常都存在一个相变温度，在相变温度之上或之下，材料表现出不同的光学性质。

目前，以钒的氧化物为基础的薄膜涂层是人们研究的热点，其中无机热色薄膜VQ 是人们最感兴趣的氧化物，这种材料从低温半导体态相变到高温金属态的过程中，伴有明显的光学和电学性能的变化。

它在低温下呈透明状，高温下呈浑浊状，所形成的热色玻璃具有制备工艺简单、成本低廉、所需激励条件少等优点，其特点是相变前后光学性能的改变主要发生在红外区域，在可见光区域变化很小，对视觉不会造成影响。

2.2热致变色玻璃的研究进展
马一平[ 2 ]等经过研究发现，将聚苯乙烯、氧化聚丙烯、羟乙基纤维素等按适当比例与无机盐配合，将该材料与其他材料配合填充于玻璃夹层中制取了温致透光率可逆变化材料，该材料透光率可由28C以下的90%左右变化至32r以上的10％左右，研究结果表明，该材料能够应用于建筑物玻璃窗上。

3电致变色玻璃
3.1电致变色玻璃的变色原理电致变色玻璃是利用现有的夹层玻璃制造方法，将调光膜牢固黏结在两片普通浮法玻璃之间构成。

该类玻璃是一种新型的功能调光玻璃，通过改变电流的大小可以调节透光率，实现从透明到不透明的调光，是智能型高档功能玻璃。

双注理论认为，变色是电致变色玻璃中的离子和电子注入或抽出而产生的，当在玻璃的导电层加上正相直流电压后，离子储存层的离子被抽出，通过离子导体，进入电色层，实现无功耗记忆，当加上反电压后，电色层中离子被抽出，而后又进入储存层，玻璃恢复透明状。

3.2电致变色玻璃的研究进展目前，研究较多的具有该功能的玻璃材料主要是液晶类和电色类。

液晶调光玻璃的基本结构是在玻璃基体中分散一些几个微米大小的液晶小盒，夹在透明导电膜之间，形成一种特殊的夹层结构。

它是一种透过性可变的功能玻璃，例如日本开发的瞬间调光玻璃[ 3 ]，就是在两片玻璃中间夹入液晶薄膜层，当通电时，靠液晶晶体重新排列的优良性能，可随入射光的强弱随时调节透光率，满足会议室等的采光要求。

在无外加电压作用时，液晶分子呈无规则排列，当光照射到玻璃时，光线发生强烈的散射，透明性消失；当在两层透明导电膜间施加电压后，光线直接透过而显示透明性。

有电致变色特性构造的玻璃装置，称为智能窗或敏感窗[ 4 ]。

在电致变色玻璃结构中电致变色材料是其中的关键，一般可将电色材料分为两类。

一类是无机电致变色材料，多为过渡金属氧化物或其衍生物。

从目前的研究来看，W3是人
们研究最为深入的材料。

另一类是有机电致变色材料，从结构上主要有各种有机杂环化合物、导电聚合物类、金属有机聚合物类和金属酞花菁类。

4光致变色玻璃
4.1光致变色玻璃的变色原理[ 5 ]
4.1.1无机光致变色玻璃的变色机理及性能第一代光致变色玻璃材料的变色机理是卤化银在光辐射作用下。

发生光分解成为银和卤素，银原子和氯原子之间发生一种电子交换，通过氯化银和周围的环境来表现。

在没有光线的条件下，氯化银呈离子态，因银离子是透明的，所以镜片也是透明的；而在紫外线辐射下，不稳定电子离开了氯离子，与银离子结合为
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金属银并吸收光，镜片则变深。

当紫外线辐射减弱，移动电子离开银原子返回氯 原子，镜片逐渐恢复了原先的清澈状态。

经过适当的退火和热处理工艺的光致变 色玻璃，均具有优良的光致变色性能。

在所有的无机光致变色材料中，卤化银光 致变色玻璃具有优良的可逆变色性能和抗疲劳性能，
实验证明，可以进行几千次
的变暗褪色过程而性能不会变坏。

4.1.2有机光致变色玻璃的变色机理及性能
有机光致变色玻璃的变色机理是由所掺杂的光致变色材料的种类所决定的， 常见光致变色材料的变色机理可分为链的异裂和均裂，质子转移互变异构、顺反 异构反应，周环反应等。

如螺噁嗪光致变色玻璃受紫外光激发变为蓝色， 其变色 机理取决于螺噁嗪光致变色化合物。

如图 2所示.在紫外光或夏季强烈的太阳光 照射下。

光致变色玻璃中的螺噁嗪spirooxazine(SO)分子中螺C 一0键发生异裂， 引起分子的结
构以及电子组态发生异构化和重排，通过螺 C 原子连接的两个环系
由正交变为共平面，形成一个的共轭体系 Photomerocyanine(PMC)，在可见光区 有吸收峰，在可见光或热的作用下， 光致变色体系，这个过程是可逆的。

螺噁嗪光致变色玻璃在较强的太阳光照射下，由无色透明变为清晰的蓝色， 光线减弱则蓝色逐渐褪去，颜色的深浅随着辐射光强度而变化， 则浅。

螺噁嗪类化合物在有机光致变色化合物中抗疲劳性能较高， 稳定性好。

所以，螺噁嗪光致变色玻璃具有较高的抗疲劳性能， 前景。

4.2光致变色玻璃的研究进展
对于无机光致变色材料的研究，近年来，中国科学院周有福等人采用碱土铝 硼酸盐体系作为基体玻璃，以稀土离子为光敏剂制备了一种透明光致变色玻璃， PM 发生关环反应回到SO,构成一个典型的
光强则深，光弱 耐紫外线照射 具有广泛的应用
利用稀土离子丰富的受激辐射， 实现波长 (颜色) 变化。

根据所用的光致变色材料 不同，有机光致变色玻璃可以分为俘精酸酐、二芳基乙烯、螺吡喃、螺嗯嗪光致 变色玻璃等。

根据制备方法不同， 有机光致变色玻璃可以分为贴膜或涂膜光致变 色玻璃和光致变色有机玻璃两类。

第一种是将光致变色材料制成高分子膜， 复合 到无机玻璃表面， 目前，南开大学已开发出光致变色安全玻璃透明薄膜， 是利用有机玻璃作为基体材料， 将光致变色材料在有机玻璃成型过程加入而制备 的。

变色玻璃存在的问题以及今后的发展趋势 [ 6 ]
玻璃的应用正经历着迅速的变化，传统的玻璃材料已经不能满足今天的要
由于各种需求和挑战正变得日益复杂， 因此玻璃的性能、 质量和产量都有待 提
高，同时还要减少能源消耗。

变色玻璃的研究虽取得了一定进步， 于研究开发阶段， 还须进一步加强如稳定性研究、 商品化课题、 新体系
新品种的 变色材料的深入开发等等。

今后的研究应该主要侧重于以下几个方面：
(1) 热致变色玻璃主要应用于建筑上，由于受技术、成本等原因，其在建筑 应用方面一直受到限制， 因此，研制出变色温度处于低温区的变色玻璃才具有一 定的实用价值。

(2) 在电致变色玻璃材料中，非晶氧化钨的研究最实用。

寻找与阴极变色非
晶氧化钨的互补材料且比NiO 更加易得和廉价材料是电致变色玻璃研究中亟待解 决的问题。

(3) 光致变色玻璃主要用于眼镜行业，由于受技术、成本等原因，其在建筑 应用方面受到局限。

所以未来的研究应着重开发大规格的光致变色玻璃， 不断拓 展其应用领域。

6 结束语
由以上综述可以得出， 近年来， 关于变色玻璃的研究非常活跃． 科研人员在 不断探索新的变色玻璃体系， 改善生产工艺， 提高生产效率。

变色玻璃良好的性 能使其在民用、建筑等领域均具有广泛应用前景。

2009． 马一平，等．常温温致透光率可逆变化材料的研究 [J] ．建筑材料学报， 2005，8(2)t164 — 168． 谌英武，等．新型玻璃材料 [J] ．化工新材料， 2005，27： 26． 李清华，等．电致调光玻璃材料及其应用 [J] 2008，(3) ： 11—12． 王丽艳，张国. 光致变色玻璃的研究进展 [J]. 蒋国瑜，高虹 . 变色玻璃的特性及研究进展 [1] 刘志海，等．节能玻璃与环保玻璃 [M] ．北京：化学工业出版社， [2]
[3] [4] ．河南建材， [5] [6
] 科技创新导报， 2008，(35):249 [J]. 节能， 2009,(12):12 —14 第二种
求。

但我国尚处。