Оборудование для производства зеркал

 

Зеркала изготавливают из термически полированного листового стекла толщиной 4 - 7.6 мм путем нанесения на одну из его поверхностей тонкой отражающей металлической пленки, которую можно нанести химическим или физическими способами. Химический способ состоит в нанесении на стекло пленки металла, восстанавливаемого из раствора его соли. Физические способы основаны на распылении металла в вакууме или пульверизации. Для получения зеркал пригодны многие металлы: серебро, золото, алюминий, хром, никель и др. Цвет зеркального отражающего слоя определяется цветом металла. Для промышленного производства зеркал применяют в основном два способа: нанесение на поверхность стекла тонкого слоя серебра химическим способом или тонкого слоя алюминия термическим испарением в вакууме. Зеркальный слой снаружи покрывают защитными покрытиями - сначала медным, а затем лаковым или эмалевым.

Зеркала применяют для разных целей, поэтому их качество определяется разными ГОСТами. Зеркала могут быть бытовыми, мебельными, техническими и т.д. Размеры регламентируются только для мебельных зеркал: длина 400 -1500 мм, ширина - 200 – 600 мм.

Толщина серебряного слоя для всех зеркал должна быть не менее 0.15 мкм, для алюминиевого покрытия - не менее 0.12 мкм, толщина защитного медного покрытия должна быть не менее 0.1 мкм, а защитного лакового или эмалевого покрытия не менее 40 мкм. Коэффициент отражения света от зеркал с серебряным отражающим слоем должен быть в пределах 0.87 - 0.9, с алюминиевым слоем - 0.77 - 0.8, с хромовым - 0.35. Зеркала должны быть влагостойкими.

Химический способ нанесения зеркальных пленок. В основе процесса химического серебрения лежит реакция «серебряного зеркала», то есть восстановление серебра на поверхности стекла из раствора его комплексной соли (Ag(NH₃)₂)OH. Эту соль получают при взаимодействии азотнокислого серебра и водного раствора аммиака.

Процесс получения серебряных зеркал включает три стадии:

1. Подготовку поверхности стекла для серебрения;

2. Серебрение;

3. Нанесение защитных покрытий на слое серебра.

Подготовка поверхности стекла к серебрению. Для получения хорошего зеркального слоя поверхность стекла очищают от всех загрязнения, промывают водой, подполировывают и подвергают ее химической обработке, для получения на ней свежего коллоидного слоя кремневой кислоты, высоко активного к адсорбции ионов серебра. Химическая обработка состоит в последовательном промывании стекла азотной кислотой, раствором едкой щелочи, дистиллированной водой и слабым раствором (0.05 - 0.1%) хлористого олова. Обработка стекла раствором хлористого олова активирует поверхность стекла. На ней адсорбируются ионы двухвалентного олова или молекулы гидрата окисда олова, которые получаются при гидролизе SnCl₂. Так как олово восстановитель, то оно облегчает начало реакции восстановления.

Серебрение. Стекло серебрят сразу по окончании подготовки поверхности. Для серебрения готовят два раствора: серебрильный и раствор-восстановитель. Первый раствор содержит на 1 л воды 2 - 5 г AgNO₃, 2 - 5 г NaOH или КОН и 5 -10 мл 25% раствора NН₄OH; восстановитель представляет собой 7 - 10% раствор инвертированного сахара или глюкозы. Растворы смешивают перед самым началом серебрения. Их смесь называют серебрильной ванной.

Процесс серебрения состоит в поливе стекла смесью растворов и промывке дистиллированной водой на неподвижных или качающихся столах или же в распылении серебрильного раствора воздухом (способ аэрозолей). Второй способ лежит в основе поточного производства зеркал.

Первые восстановленные на поверхности стекла частички серебра являются центрами кристаллизации, которые ускоряют дальнейший процесс восстановления серебра. В результате выпадения частичек коллоидного серебра с размером 1 – 100 мкм в серебрильном растворе, часть из них закрепляется на поверхности стекла в виде зеркальной пленки. Остальное количество серебра выделяется в объеме раствора, коагулирует и не участвует в образовании пленки. Это так называемый шлам, который необходимо смывать с поверхности стекла, так как он ухудшает качество зеркальной пленки. Процесс серебрения повторяют 2 - 4 раза в зависимости от требований, предъявляемых к отражающему слою. Отражение света зеркальным слоем зависит от его толщины. Тонкий слой (до 0.04 мкм) полупрозрачен. Высокую степень отражения света (98%) получают при толщине слоя 0.15 мкм. Время осаждения зеркального покрытия составляет 10 – 12 мин. Мелкие заготовки и оптические детали серебрят в кюветах или ваннах. Крупные зеркала серебрят на специальных столах. Их укладывают на швеллеры, обтянутые байкой. Стол имеет большой резервуар, в который стекают все промывочные воды и излишки серебрильных растворов. Воду из резервуара удаляют фильтрацией через несколько слоев ткани, а осадок неиспользованного серебра остается в резервуаре. Периодически резервуар очищают, и осадок серебра отправляют на регенерацию.

При аэрозольном методе серебрения распыление серебрильных растворов на поверхность стекла осуществляется с помощью пистолета пульверизатора. В пистолете растворы серебра и восстановителя смешиваются и распыляются под давлением. При длине поточной линии 75 м достигается производительность 1500 м² в смену. Такая высокая производительность при методе аэрозолей объясняется тем, что использование растворов быстродействующих восстановителей (соединений гидразина N₂Н₂) позволят завершить процесс нанесения зеркального слоя за 30 с против 10 – 12 мин при методе полива.

Нанесение защитных покрытий. Полученный на поверхности стекла слой серебра немедленно защищают от механических и химических воздействий. Защитное покрытие должно быть механически прочным, иметь хорошее сцепление с серебряным слоем, иметь минимальное количество пор и не содержать веществ, вредно действующих на серебро. Наиболее надежный способ защиты зеркального слоя — омеднение, поверх которого наносят лакокрасочные покрытия.

При поливном способе омеднение зеркал производится с помощью электролиза. В качестве катода применяют серебряный слой, в качестве анода - листы электролитической меди с площадью, равной или больше поверхности зеркала. Расстояние между электродами 200 – 450 мм. Плотность электрического тока 0.9 – 1.2 А/дм²; время омеднения 10 –15 мин; напряжение 4 — 6 В. Электролиз происходит в ванне с раствором медного купороса (200 г/л) с добавкой серной кислоты (10 г/л). Медный слой после нанесения промывают дистиллированной водой и сушат в потоке теплого воздуха в течение 1.5 — 2 ч, затем на него наносят слой защитного лака (в три приема).

При аэрозольном способе на слой серебра распыляют раствор сернокислой меди (35 г/л купороса и 2.5 г/л серной кислоты в дистиллированной воде). Для восстановления сернокислой меди распыляют смесь: 1.5 г порошка металлического цинка, 1 мл спирта на литр дистиллированной воды. После сушки в камере с инфракрасным обогревом, на полученный медный слой в два приема наносят лакокрасочные покрытия. Воздух для распыления должен быть очищен от пыли и масел. Все отходы серебрильных растворов собирают и регенерируют.

Физические способы нанесения зеркальных покрытий.Металлизация стекла способом испарения в вакууме. Этим способом в нашей промышленности изготавливают зеркала с алюминиевым отражающим слоем на установках периодического и непрерывного действия.

Для производства зеркал служат вакуумные установки УВ-18М и 6ВБ, годовой производительностью 80 и 25 mыc.м²/гoд соответственно. Максимальный размер зеркал 800х1500 мм. Вакуумная установка состоит из цилиндрической камеры, в которой на стекло наносят пленку металла, арматуры для крепления стекла, нагревателей и насосов для создания вакуума.

Процесс производства зеркал проходит в три стадии:

Подготовка стекла. Отбирают заготовки стекла. Перед нанесением металлического слоя края заготовки стекла обрабатывают и наносят на них фацет. Заготовки подвергают обработке на полировальной моечно-сушильной машине, где поверхности заготовки промывают холодной водой и чистят капроновыми щетками, полируют войлочными полировальниками водной суспензией диоксида циркония, вновь промывают теплой (50 -70°С) водой и сушат. В завершении подготовки поверхности заготовки протирают аммиачным раствором и спиртом.

Напыление отражающего металлического слоя. Подготовленные заготовки подаются в аппараты для нанесения алюминиевого слоя, в которых их устанавливают с небольшим наклоном вертикальными рядами. Между двух рядов стекол устанавливают испаритель - рамку из красной меди, перемещаемую вдоль камеры особым приспособлением. Поперек рамки на пучках из вольфрамовых проволок навиты полоски из алюминия шириной 5 мм и толщиной 0.1 мм, Камеру закрывают, создают вакуум 13.3 Па и включают высокое напряжение (1500 В). При этом возникает электрический разряд, который удаляет с поверхности стекла остатки воздуха. Затем вакуум повышают до 0.133 Па, подают напряжение 4 – 5 В на раму, при этом через вольфрамовые проволочки течет ток 25 - 35 А, что достаточно для плавления алюминия. Для испарения металла напряжение повышают до 5 - 6.5 В, сила тока повышается до 45 – 50 А, причем испаритель непрерывно перемещается вдоль камеры туда и обратно. Весь цикл алюминирования от загрузки до загрузки промышленного производства представляют металлические и оксидно-металлические покрытия.

Металлические покрытия на стекле, как и при производстве зеркал, получают испарением соответствующего металла в вакууме. Такие пленки наносят для получения солнцезащитных, теплозащитных, цветных и токопроводящих изделий. Чаще всего для этих целей используют золото, серебро, никель, хром и некоторые смеси или сплавы других металлов. Тонкие металлические слои характеризуются высоким светопропусканием в видимой области спектра (40 - 70%) и высоки отражением в инфракрасной части спектра (60 - 75%). Толщина металлических пленок обычно не превышает 0.2 мкм, так как при большей толщине металлические пленки не прозрачны. Золотые пленки придают стеклу в отраженном свете золотистую окраску, а в проходящем — зеленую окраску. Серебро, в проходящем свете, придает стеклу голубую окраску, а в отраженном свете серебряно-металлический блеск. Пленки других металлов преимущественно окрашивают стекло в серый цвет.

Металлические пленки характеризуются низкой механической прочностью и малой химической стойкостью, поэтому на них наносят прозрачные защитные слои более стойких материалов (например: SiO₂, органические слои) или монтируют стеклопакеты из двух стекол, в которых металлические слои обращены вовнутрь. Причем при монтаже стеклопакета одно из стекол может быть обычным. Так изготавливают солнце- (тепло-) защитные пакеты с воздушной прослойкой.

Оксидно-металлические пленки наносят распылением растворов пленкообразующих солей на горячую (650-800°С) поверхность стекла. На поверхности горячего стекла растворитель начинает испаряться, соль начинает взаимодействовать с парами воды, вступая в реакцию высокотемпературного гидролиза. Продуктами этой реакции являются твердые оксиды металлов и побочные газообразные вещества. Оксиды конденсируются на поверхности стекла, образую на ней пленку, и частично диффундируют в поверхностный слой стекла, прочно закрепляясь на ней. Окисно-металлические пленки на поверхность строительных стекол целесообразно наносить непосредственно на горячую свежеотформованную поверхность стекла в машинах вертикальной (ВВС, БВВС), вертикально-горизонтальной (ВГС) выработки при горизонтальном прокате или флоат-способе.

При нанесении пленок на поверхность стекол, получаемых способами ВВС и БВВС, раствор распыляют в зоне от дополнительных холодильников до первой пары валков, где лента стекла имеет температуру 600 - 650°С, достаточную для пленкообразования.

При нанесении пленок на поверхность стекол полученных прокатом, методом ВГС или флоат-способом, распылитель располагают над движущейся свежеотформованной лентой стекла в том участке, где ее температура составляет 800 - 650°С.

Раствор распыляют с помощью распылителей, установленных на подвижных каретках, совершающих возвратно-поступательное движение поперек ленты стекла со скоростью 25 – 30 м/с. Скорость движения распылителя строго синхронизирована со скоростью движения формуемой ленты стекла.

По областям применения различают следующие виды пленок:

1. Поглощающие ультрафиолетовое излучение;

2. Поглощающие ту или иную часть видимой области спектра (цветные, тонированные);

3. С высоким отражением в видимой части спектра (полупрозрачные зеркала);

4. Задерживающие тепловую радиацию солнца (теплозащитные);

5. Отражающие длинноволновую инфракрасную радиацию (теплоотражающие);

6. Токопроводящие;

7. Экранирующие энергию радиоволн в диапазоне 1 – 150 см (радиозащитные).

Для получения заданных свойств, пленки из оксидов олова SnO, индия In₂О₃, цинка ZnO, железа Fе₂О₃, меди СuО, хрома Сг₂О₃, титана ТiO₂ модифицируют различивши примесями.

Токопроводящие стекла получают на основе оксидов олова, индия, цинка и др. Чаще всего используют пленки оксида олова модифицированного примесями сурьмы, фосфора, цинка, фтора и т.д. Эти пленки прозрачны, бесцветны, имеют удельное поверхностное сопротивление от 10 до 100000 Ом/см². Их толщина обычно не превышает 1 мкм.

Солнцезащитные или теплозащитные стекла получают путем нанесения на поверхность стекла пленки оксида олова модифицированного оксидом сурьмы. Светопропускание стекла может быть получено от 45 до 75% не зависимо от толщины пленки. Стекло имеет цвет от серо-голубого до сине-фиолетового. Пропускание тепловой радиации солнечного спектра не зависит от плотности и окраски и составляет 40 - 50%. В отличие от теплозащитных стекол окрашенных в массе, стекла с пленочным теплозащитным покрытием частично отражает радиацию солнечного спектра.

Теплоотражающие, прозрачные стекла получают на основе пленок оксидов олова. Эти стекла отражают от 60 до 90% энергии, излучаемой техническими источниками тепла, сохраняя прозрачность для видимого света в пределах 70 - 80%. Их можно использовать в качестве тепловых экранов на производствах с интенсивным выделением теплоты, а так же для остекления зданий в районах Крайнего Севера, что приводит к уменьшению потерь теплоты через окна примерно на 50%.

Радиозащитные, прозрачные бесцветные стекла могут быть получены на основе оксидов олова, индия и других металлов. Необходимое условие для радиозащиты - низкое удельное сопротивление около 10 О м/см². Такие пленки отражают до 20—40% падающей на них электромагнитной энергии радиодиапазона. Их используют для биологической защиты от вредного излучения СВЧ диапазона.

Цветные стекла с пленочными покрытиями получают на основе оксидов железа. В зависимости от толщины пленки и концентрации исходного раствора они могут быть окрашены в соломенно-желтый, золотистый или красно-оранжевый цвет. При этом их светопропускание уменьшается от 75 до 40%. Эти стекла значительно снижают пропускание в УФ области спектра, поэтому их используют как УФ-фильтры. Кроме того, эти стекла задерживают до 40% тепловой радиации солнечного спектра и могут использоваться как теплозащитные.

Бесцветные полупрозрачные зеркала получают на основе пленок из оксида титана. Эти стекла отражают до 40% видимого света и могут использоваться для декоративной отделки зданий.

Все пленочные оксидно-металлические покрытия характеризуются высокой атмосферной устойчивостью. Они не боятся влаги, резких перепадов температуры, устойчивы во многих агрессивных средах. Прочность их на истирание такая же, как у оконного стекла, а иногда значительно выше, что оправдывает их использование в качестве покрытии повышающих механическую прочность стекла.