金屬與玻璃的完美結合 視覺與空間的新體驗
清玻璃
經浮式生產的無色透明玻璃,一般稱為清玻璃。
色板玻璃
色板玻璃因隔熱度比清玻璃好,可阻絕更多的熱能穿透,又稱熱控玻璃,常用於公共工程。其作法即是在玻璃中加入各種金屬和金屬氧化物,便可以改變玻璃的顏色。
例如少量錳可以改變玻璃內因鐵造成的淡綠色,多一點錳則可以造成淡紫色的玻璃。硒亦有類似的效果。
少量鈷可以造成藍色的玻璃。
錫的氧化物及砷氧化物可造成不透明的白色玻璃,這種玻璃好像是白色的陶瓷。
銅的氧化物會造成青綠色的玻璃。以金屬銅則會造成深紅色、不透明的玻璃,看起來好像是紅寶石。
鎳可以造成藍色、深紫色、甚至是黑色的玻璃。
鈦則可以造成棕黃色。
微量的金(約0.001%)造成的玻璃是非常鮮明,像是紅寶石的顏色。
鈾(0.1%至2%)造成的玻璃是螢火黃或綠色。
銀化合物可以造成橙色至黃色的玻璃。
而一般建築用的色板玻璃大多以茶色、綠色、灰色及藍色等四種顏色為主。
超白玻璃
一般玻璃因含有微量的鐵,使玻璃呈現出淡淡的綠色,不僅使透光度下降,同時也影響展示品原有的質感與色彩。而超白玻璃是一種含鐵量低的玻璃,也稱為低鐵玻璃,其透光率可達90%以上,具有極佳的透光性能,外觀有著與無色水晶相似的視覺效果,能充分顯現展示品原有的色澤與質感。
自潔玻璃
隨著奈米科技的進步,於玻璃表面塗上約50奈米(nm)厚的鈦氧化物,在紫外線照射下會促使玻璃上的有機物分解,使雨水能把分解的有機物沖走,而不殘留水跡,達到自潔效果,以減少清洗外牆的維護成本。
熱控玻璃(Solar Control Glass)
為一種可阻擋太陽熱能直接穿透的玻璃,尤其當太陽光直射進入室內時,室內溫度會明顯且快速的上升,使得空調耗能急速的增加。因此,藉由玻璃隔熱能力的提高,阻斷太陽熱能的穿透,便是熱控玻璃的絕佳性能。
在評估熱能對建築節能的影響時,常會使用到U-Value「熱傳導係數」與Shading Coefficient (SC)「遮蔽係數」兩種指標。
熱傳導係數指的是因為玻璃兩側的溫度差而產生的熱流失或熱獲得,其單位為W/m2K(公制)或BTU/hr ft2F(英制)。單層玻璃的熱傳導係數約為5.8W/ m2K,也就是每一平方公尺面積的玻璃在溫度差為一度時會傳遞5.8瓦(焦耳/秒)的熱量。U值愈小表示該玻璃的熱絕緣性愈佳。
Shading Coefficient (SC)「遮蔽係數」就是該玻璃的太陽能因子在相同的環境情況下與一片3mm透明清玻璃的太陽能因子的比值。遮蔽係數的數值較小,代表通過該玻璃的熱量較低,也就是說該玻璃對太陽熱能有較佳的「遮蔽」效果。
其中,太陽能因子(Solar Factor)又稱太陽能係數,其代表的是穿過玻璃進入室內的總能量與入射光能的比值。進入室內的總能量就直接穿透部份與經過吸收後再內輻射部份的總合。
入射能量=100﹪
直接透過=83﹪
直接反射=8﹪
被吸收=9﹪
吸收後再外輻射=6﹪
吸收後再內輻射=3﹪
太陽能因子=83+3=86﹪=0.86
通常,熱傳導值(U-Value)強調的是保溫的能力,寒帶地區的室內外溫差大,為避免室內暖氣熱能的流失,特別重視U值;而熱帶及亞熱帶地區,卻必須依賴冷氣空調,以維護室內環境的舒適,因此,減少太陽穿透熱能便成為最有效的節能方式,而遮蔽係數SC便成為最重要的考量。
位處亞熱帶的台灣地區,即使是冬天,室內外溫差並非很大,但是陽光照射的熱量卻是很驚人的。因此,注重保溫的熱傳導值U-Value,重要性不如隔熱的遮蔽係數SC來得重要;也就是說,我們在討論空調節能時,最應該重視的,應該是玻璃的遮蔽性能。
鍍膜玻璃
鍍膜玻璃是將浮式玻璃表面鍍上一層或多層金屬氧化物,使玻璃產生不同的視覺或隔熱效果。此種鍍膜玻璃大致可分為兩大類,反射玻璃及低輻射玻璃。
反射玻璃
反射玻璃可由金屬氧化物的鍍膜厚度,使玻璃呈現不同的反射效果,如半反射或微反射玻璃。
反射玻璃在隔熱性有不錯的表現,能隔絕大部分的太陽熱能,尤其是反射性能越高的產品,隔熱性也相對增加。但由於其高反射的鏡面效果,也迫使可見光穿透率大幅的降低,然而可見光卻是自然採光的主要來源,因此,使用者必須提高室內的照明能耗;除此之外,高反射玻璃對建築物四週的環境亦產生嚴重的光害。
近幾年來,反射玻璃的運用已逐漸由全反射玻璃,轉而使用半反射玻璃,甚至是微反射玻璃。
低輻射玻璃(Low-E玻璃)
低輻射玻璃是一種表面具有一層或多層極薄的氧化金屬鍍膜的浮式玻璃,這種鍍膜層具有極低的輻射率,可容許可見光穿透,但對於紅外線的反射率相當高,可有效阻擋太陽熱能的穿透。在寒帶地區可以隔熱保溫,在熱帶或亞熱帶地區可以減少室外陽光所傳遞的熱能,減少空調的負荷。除此之外,極低的反射率也減少建築物對環境造成之光害。
就生產技術而言,低輻射玻璃採用下列兩種方式生產:在線鍍膜與離線鍍膜。
在線鍍膜,即在浮式玻璃生產過程中,當玻璃膏離開窯爐後,使用化學氣相沉積法(CVD)將鍍膜材料噴灑於成型的浮式玻璃上,使玻璃表面沉積一層極薄的氧化金屬層,形成節能鍍膜,此種生產方式亦稱為硬鍍膜。
離線鍍膜,即以真空濺鍍(Sputter)方式,將玻璃表面鍍上多層不同材質的鍍膜。其中,鍍銀層對紅外線具高反射功能,可斷熱;二氧化錫(SnO2),可增加透光度並保護鍍膜層;鎳鉻合金(NiCr),用以保護鍍銀層。此種生產方式又稱為軟鍍膜。
一般而言,在線鍍膜的Low-E玻璃加工性較佳,除了製成複層玻璃外,亦可製成膠合玻璃,甚至可單片使用,成本低。而離線鍍膜玻璃雖有較高的節能效果,但保存性較差(鍍膜易氧化),必須製成複層玻璃來使用,成本較高。
Low-E玻璃能夠提供更低的U值及遮蔽係數,以減少太陽熱能的穿透,降低空調的耗能。
強化玻璃(Tempered Glass)
浮法玻璃,即為一般通稱的普通玻璃。由於普通玻璃較不耐衝擊而容易碎裂,因此,在玻璃的運用上,提升玻璃強度便成為一個重要的課題。
玻璃強度的提升,可以應用「化學」及「物理」方式來達成。
所謂化學強化,即是以化學藥劑作用,利用離子交換法改變玻璃表面的成份,使得玻璃得以產生很大的抗壓力;而物理強化,就是以溫度的變化,來改變玻璃內部應力分佈而提升其強度,故此法又稱作熱處理玻璃(Heat Treated Glass)。
熱處理方式除了成本低廉外,更重要的是其玻璃強度一旦改變,就不會有隨時間變化而衰減之問題。由於建築物使用年限甚長,且必須承受自然環境之考驗,所以,穩定的強化品質是建築安全中不可或缺的條件,因此,以熱處理方式來提升玻璃強度是建築玻璃最佳的選擇。
以熱處理來提高普通玻璃的強度,不單只是讓玻璃再經回火加熱即可,真正能讓玻璃強化的要素,決定於加熱後溫度變化的控制。也就是說,當我們將玻璃升溫至接近軟化點(攝氏600度以上)時,然後再迅速降溫,此時熾熱的玻璃表面便會因急速冷卻而收縮,形成「壓縮應力」;而內部則因餘熱而呈現「張應力」;於是玻璃便藉由表面應力分佈的改變,而提升了強度。以熱處理提高玻璃強度時,依據溫度變化控制的不同,產生不同的強度表現。在建築玻璃中,最常見的熱處理有以下兩種:
‧ 強化玻璃(Tempered Glass)
強化玻璃是以急速降溫方式,讓玻璃表面快速形成強大的壓縮應力,達到提高強度的目的。強化玻璃的表面壓縮應力超過10,000psi,強度約較普通玻璃提高4~5倍。
‧ 熱硬化玻璃(Heat-Strengthen Glass)
熱硬化玻璃則以較和緩的降溫曲線來達到目的,相對而言,強度自然就比不上急速降溫的劇烈方式所獲致的效果。而熱硬化玻璃的表面壓縮應力超過5,000psi,強度約較普通玻璃提高2倍。
故以上兩種玻璃會呈現不同強度表現,主要在於降溫時間的控制。另外,太厚的玻璃無法進行熱硬化處理(厚度約以10mm為上限),但強化玻璃則較不受限制。
經過熱處理的玻璃,因為玻璃內的應力需要平衡,所以,如果強化玻璃上出現任何損壞或裂痕,會造成表面壓縮應力的破壞,導致內外應力平衡失調,內部的張應力便爆發出來,整塊玻璃都會碎成指甲大小,沒有尖角的碎片。而對於熱硬化玻璃,因為表面壓縮應力與內部張應力皆不如強化玻璃那麼大,所以當破壞發生時,便不會如強化玻璃般形成散狀碎塊,而呈現大面積之碎片或裂痕。
熱處理玻璃在進行強化處理前,就必須事先切割、磨邊及加工。也由於製程關係,使強化玻璃總免不了有極微小的波紋,而熱硬化則較不會有此問題,表面可有較佳之平整度。
強化玻璃在建築上的用途甚多,很多無框組件如玻璃門,玻璃帷幕等都經常使用強化破璃。需要負重的玻璃亦會採用強化玻璃。
自爆(Spontaneous Breakage)
玻璃的破損是一個讓人困擾的問題,除了破損時造成使用上的不便外,其碎片更可能對人體造成傷害。當然,造成玻璃破損的原因很多,但不外乎是外力撞擊、瞬間溫差、不當形變等等。而在建築玻璃工程中,除了運輸或安裝過程的破損外,幾乎絕大部份完工後的破壞,都是因外力撞擊所致。當然,形成外力撞擊的原因很多,例如異物碰撞、人為破壞、堆置或安裝不當導致邊角不當受力等。但是,除了上述因素外,對於強化玻璃而言,還有一個不能排除的因素,那便是玻璃的自爆(Spontaneous Breakage)。
所謂自爆,就是玻璃本身自發性地發生破壞;根本的原因就是玻璃中含有微量雜質,硫化鎳(NiS)所致。其實,在玻璃原料中,微量的NiS便存在其間,因此在玻璃的生產過程裡,總免不了有極少部份的製品含有NiS成份。就學理上來說,NiS以兩種型態存在,分別為α-type(穩定態)及β-type(不穩定態)。在常溫下,NiS會以α-type的穩定態存在,但當溫度上升時,NiS便會轉化成β-type的不穩定態。浮式玻璃生產時熔爐的高溫會使NiS轉化成β-type,但因為其過程為自然降溫,NiS便可隨玻璃降溫退火過程自動轉回α-type。所以,普通玻璃即使存在NiS,也不會對玻璃產生不良影響。但是,對於經過熱處理來提升強度的強化玻璃而言,NiS便可能會造成負面影響。玻璃強化過程中,會使得玻璃內NiS再度被活化,但由於強化玻璃是採急速降溫,NiS來不及轉換成穩定的α-type,便以不穩定的β-type存在於強化玻璃中。一旦環境對它發生誘導,便可能會自行爆裂,這也就是自爆發生的成因。事實上,自爆只會發生在強化玻璃中,並不會發生在熱硬化玻璃,這是因為熱硬化玻璃雖然經過同樣的加熱步驟,但其降溫較為和緩,NiS便可隨溫度下降而轉換回穩定的α-type,因此不會有自爆的疑慮。
當玻璃突然破裂,而一時又找不到原因時,便會推論是玻璃的自爆。其實,這是不公平的說法,因為造成玻璃破損的原因很多,自爆只是其中之一,更何況會發生自爆的機率相當低,通常只是萬分之幾到千分之幾的機率,當然這與玻璃的原料、品管等因素有關。對建商或營造廠而言,有時候幾個工地碰不到一片自爆,有時候同一個工地卻自爆了幾片,所以這是機率問題。不過總歸而言,碰到自爆的機率總是相對較低的。此外,對於外牆玻璃,因為直接暴露於室外環境,在日夜冷熱溫差循環的交替作用下,若玻璃含有不穩定態NiS成份,也應會在使用的前期便被誘發出來,應該不致於在使用數年後,才發生自爆現象。
熱浸試驗(Heat Soak Test)
自爆的問題可說是強化玻璃無法避免的宿命,但是我們可以透過一些方法來降低自爆發生的機率。「熱浸試驗」可用來篩檢出這些含不穩定態NiS的強化玻璃。從另一個角度看來,熱浸試驗也可視為是對強化玻璃中不穩定態NiS成份所進行之品管篩檢方法。其步驟是將強化玻璃緩慢地加熱(約需2個小時)至攝氏290 ± 10度,並保持在此溫度約2到8小時,最後再緩慢地降至常溫(亦約需2個小時)。所以熱浸試驗的過程相當的冗長,其目的就是藉由溫度的升高,讓不穩定態NiS提前被誘發,並於爐中爆破。
對於熱浸試驗,還有一個非常重要的觀念,熱浸試驗是一種對強化玻璃是否含有不穩定態NiS成份的篩檢方法,但是,它並不能將NiS從強化玻璃中去除。除此之外,任何試驗都有其誤差值,熱浸試驗也是一樣,它雖可過濾出含不穩定態NiS的強化玻璃,但仍無法百分之百篩檢出含NiS的所有製品。所以,熱浸試驗可有效降低自爆的風險,但仍然不能完全排除自爆發生之機率。
高溫網印玻璃(Screen Printed Glass)
網印玻璃是將陶磁漆料經過網板印刷,將圖案印至玻璃上,再以高溫將陶瓷漆料熱融在玻璃表面,使玻璃更加美觀。網印玻璃的圖案及顏色具多樣性,可搭配設計並創造優異的視覺效果,讓玻璃更多采多姿。
由於陶瓷漆料在製作過程須經過高溫熱熔,同時也將玻璃強化,因此具有強化玻璃之特性。
膠合玻璃(Laminated Glass)
膠合玻璃是以兩層或更多層的普通或強化玻璃組成,中間的夾層大多為PVB膜(Polyvinvl butyral,聚乙烯醇縮丁醛)。把PVB膜放在兩層玻璃之間,加熱至攝氏70度左右,然後以滾軸把中間的空氣壓出,讓PVB膜把兩層玻璃緊黏在一起。一般的膠合玻璃是以兩層玻璃,中間夾上PVB夾層。亦可以用更多層、更厚的玻璃來增加強度。例如防彈玻璃即是用多層厚玻璃膠合而成,總厚度可達50毫米以上。
當膠合玻璃被擊碎時,膠膜仍然會把兩層玻璃黏著,避免玻璃碎片傷人,為一種安全玻璃。
膠合玻璃中間的PVB膜可使玻璃的隔音效果增加,且可阻絕99%以上的紫外線穿透。除此之外,目前PVB膠膜亦有越來越多的顏色變化,可增加視覺上的效果,提供更多樣的選擇。
複層玻璃(Insulated Glass)
複層玻璃亦稱中空玻璃,即是在兩層或多層玻璃之間以鋁條間隔,形成中空的乾燥空氣層,四周再以結構膠密封,形成複層玻璃。其中,中空層大多為乾燥空氣或惰性氣體,可有效增加熱阻,並抑制音波的傳遞作用,達到斷熱及隔音效果。同時,也因為多了中空層,即使室內外溫差增加時,亦不至於產生結露或起霧現象,而影響視覺上的透視度。