UV吸收/反射材料在鸟类友好建筑玻璃领域中的研究

周泓崑 宋宇 吕宜超 熊建

（1.中国南玻集团开发研究院 深圳 518067；2.南玻集团咸宁南玻节能玻璃有限公司 咸宁 437000）

0 引言

随着玻璃生产制造技术的发展成熟，玻璃幕墙在建筑装饰上的使用率越来越高。玻璃幕墙具有包括降低墙体承重、提高审美价值等许多优点，已经成为能够满足建筑装饰的实用性与审美性要求的最优选择。但对于鸟类来说，应用越来越广泛的玻璃幕墙却成为了夺走它们性命的一大杀手。

自然界中的鸟类无法理解玻璃的概念，也无法辨认出玻璃上植被的倒影与真实植被之间的区别，因此每年有数以亿计的鸟类在高速飞行时误将玻璃面上植被的倒影认作栖息地从而一头撞死在玻璃上。此种现象被称为“鸟撞现象”，被认为是由人类造成的仅次于家猫捕食导致鸟类死亡的第二大原因，常常发生在鸟类的迁徙途中或捕食活动中。

鸟撞现象使得每年非正常死亡的鸟类数量激增，从而带来一系列生态问题与经济损失。抛开鸟类对于人类而言的文化价值不谈，人类在生态功能方面也对其有着很深的依赖，其中包括但不限于鸟类对于昆虫的消耗、对于啮齿动物种群的控制、对于登革热和疟疾等病毒的传播的限制等。在经济方面鸟类也能提供巨大的价值，根据美国鱼类和野生动物管理局的数据，观鸟在北美已经发展成为一个价值数十亿美元的休闲产业。而今频频出现的鸟撞事件导致的经济与自然方面的损失已经不为人们所接受，由此，防鸟撞玻璃应运而生。

目前国内市场上所采用的玻璃幕墙大多具有很高的反射性和透明度，高反射性会导致玻璃表面在合适的条件下反映出天空、云或者对鸟类具有吸引力的栖息地，从而诱导鸟类撞击玻璃表面。而高透明度会误导鸟类对玻璃另一边通路的感知从而导致它们对穿过玻璃做出尝试。为了防止这样的撞击发生，国外曾有先行者提出过几个经测试证实颇有成效的方法。其中，较为广泛应用的是遵循“2×4”原则的预防鸟撞贴纸法和在玻璃建筑上增加碎石、网、格栅、百叶窗或外部阴影等装饰的方法。此两种方法虽然已经被证实能够显著降低发生鸟撞事件的概率，但是它们有一个共同的缺点，即牺牲了玻璃幕墙的美学价值。而本文将要介绍的以聚四氟乙烯为主要成分的附有吸收/反射紫外线作用的防鸟撞涂料玻璃能够完美地平衡玻璃幕墙的防鸟撞需求与审美需求，成为解决鸟撞现象难题的灵丹妙药。

1 对UV吸收/反射防鸟撞玻璃的主要特点

1.1 定义

UV吸收/反射防鸟撞玻璃是表面涂覆有功能性防鸟撞涂料的表面改性玻璃，其主要成分为聚四氟乙烯，能够反射波段在250～400 nm的紫外线。

1.2 作用原理

紫外线无法被人类看到，但是研究表明80%以上的鸟类，尤其是候鸟的眼睛对紫外线有着惊人的敏感度。在野外，鸟类利用它们的这种能力捕食、分辨动物以及寻找伴侣，即使是在恶劣的天气条件下它们的这种能力也从未失灵。蜘蛛在蛛网上覆满紫外线以规避鸟类对蛛网的碰撞与毁坏，就是完美利用了鸟类能够识别紫外线的特性。参照蜘蛛对蛛网的设计，当在玻璃表面涂覆上具有能够向外反射紫外线的材料时，这种表面改性玻璃对于减少甚至杜绝鸟撞玻璃现象也能起到一定的积极作用。

广泛存在于自然界的能够反射紫外线的物质，如蜘蛛网、动物体液等所反射出的紫外线能够被鸟类看到从而有助于鸟类的捕食以及避免障碍物，然而人类的眼睛不具备看到紫外线的能力。当这种透明的紫外线反射涂料被涂覆在玻璃表面上时，对于人类来说玻璃依然是透明的，而在鸟类的眼中这块玻璃则是拥有颜色和图案的，可以有效地避免鸟类撞击。通过这种作用方法，对UV吸收/反射防鸟撞玻璃可以完美地平衡人类对于玻璃的透明度和防鸟撞性的需求。除此之外，对UV吸收/反射防鸟撞玻璃的这种特性也可以被用来提升城市居民对于保护鸟类的积极性。

在白天，对UV吸收/反射防鸟撞玻璃可以吸收和反射来自太阳光和环境中的紫外线来规避鸟类的碰撞。而在夜晚，对UV吸收/反射防鸟撞玻璃可以持续向外辐射其在白天有日照条件下时所吸收的紫外线，当这些少量的被吸收的紫外线被全部辐射出去之后，可以采用紫外线灯光照射的方法来使它恢复工作。在夜晚自然环境中的紫外线较为微弱，此时打开紫外线灯光向对UV吸收/反射防鸟撞玻璃幕墙进行照射，人眼就可以看见幕墙上所反射出的紫外线构成的图案，即鸟类在白天看到的图案。由此，观众们得以从鸟类的视角去观察自己所处的城市，从而建立起与自然的联系，并激发他们对于保护鸟类的主观能动性。

2 防鸟撞玻璃生产工艺

2.1 生产方法

防鸟撞玻璃是采用丝网印刷工艺，将已制作好的网版、调配好的功能性防鸟撞涂料借用丝印机将釉料通过网版承接在玻璃表面后经过烘干、烧结制成的。印刷在玻璃表面的釉料图案呈现透明状态，已丝印烘干完的防鸟撞玻璃需进行钢化处理，使玻璃表面的釉料与玻璃烧结成一个整体。完成钢化处理的防鸟撞玻璃涂层具有耐酸碱、耐划伤、不易被机械及化学试剂剥离掉的特性。

2.2 加工流程

防鸟撞玻璃的加工流程可分为切片磨边、丝印准备、施釉、烘干、钢化五个主要环节。其中需重点注意的环节为丝印准备环节，因为防鸟撞玻璃需具有防鸟撞功能的涂料和图案才能发挥作用。

①切片磨边

项目来料需要使用超白玻璃基片进行切磨，切磨后的玻璃表面界面需使用专业的清洗机清洗，保证丝印前玻璃界面是超亲水状态。

②丝印准备

丝印前需根据鸟类体积涉及鸟撞可接收到的波长设计图案大小及图案覆盖率，准备好相应的涂料和网版。

涂料制作：防鸟撞玻璃需提前调配具有防鸟撞作用的功能性涂料，成分为石英粉、氧化铝、聚四氟乙烯和烷烃类物质。其中聚四氟乙烯具有反射紫外线的功能，能够反射紫外线的波段为250～400 nm；石英粉和氧化铝能够增强防鸟撞涂料与玻璃之间的附着力、抗划伤及耐酸碱性优异。

网版制作：菲林网版的制作需要的辅材为图案菲林、网框、网纱、粘网胶、感光胶等。满足防鸟撞特性的图案菲林，其图案大小及覆盖率需根据鸟类的体型及防鸟撞涂料辐射范围制作。常见的小型鸟类有雨燕、麻雀、东方大苇莺、红耳鹎等，它们展开双翅的宽度大于8 cm，高度大于5 cm，原则上要制作的图案间隙应小于此范围。本次设计的防鸟撞图案如图1所示。

图1 防鸟撞玻璃图案

在制作网版时，应将精度及目数较高的网纱（制作防鸟撞网版需球网纱目数需高于350目）通过绷网机贴附在网框上，网纱与网框接触的部分需涂抹粘网胶使其牢靠的粘结在一起，空白的网框上需均匀涂抹感光胶，而后将其晾干。晾干后将图案菲林贴附在网纱上进行曝光、晒版，即可完成防鸟撞网版的制作。

③施釉

在制作完涂料和网版后，就进入到施釉环节，施釉是将已经制好的涂料适量倾倒于丝印网版上，再通过胶刮使得涂料均匀地通过网版上的空隙承印在玻璃基片上。

④烘干

施釉完成后的玻璃基片进入烘干炉（温度设定：200～230 ℃、辐射烘干时间：10～12 min）将涂料表面的挥发分去除掉，使釉层表面是干燥状态。

⑤钢化

根据玻璃的厚度调试钢化的温度及时间、钢化后的玻璃涂料层与玻璃结合成整体。加工完毕后，玻璃就拥有防鸟撞功能和耐酸碱、耐划伤等特性。需注意，在进行烧结时温度过高会导致颜色不稳定，温度过低则熔化不彻底，应在650～700 ℃范围内进行。

3 防鸟撞玻璃的性能优势

按照生产步骤制得防鸟撞6 mm超白玻璃后，经测试得到各项数据，见表1、表2、表3和图2。

表1 颜色性能测试数据

表2 耐酸碱实验数据

图2 950光谱测试数据

表3 光谱数据对比

续表3

通过以上测试数据可以说明，该防鸟撞玻璃耐酸碱、耐划伤、不易被机械及化学试剂剥离掉，并在理论上可以满足防鸟撞需求。由于鸟类视觉主要是紫外区域，通过防鸟撞6 mm超白玻璃光谱与普通6 mm超白玻璃光谱对比，在紫外波段300～320 nm处，防鸟撞6 mm超白玻璃比普通玻璃反射高0.7%～14.2%，在紫外波段325～445 nm处防鸟撞6 mm超白玻璃比普通玻璃反射高15.8%～25.2%。防鸟撞玻璃图层对比普通玻璃紫外反射明显高于普通玻璃。

为测试玻璃在实际应用时对于鸟类的防撞功能，效仿ABC的隧道测试研究试验方法，准备一节五面封闭的集装箱，在唯一一面透光面分别加装按照本制作方法制成的防鸟撞6 mm超白玻璃和普通6 mm超白玻璃，制成“隧道”。隧道示意照片见图3。

图3 隧道示意图

从理论上讲，在此隧道中的鸽子会在想要飞出集装箱时撞在其无法辨识的普通6 mm超白玻璃上，而能够反射紫外线让鸽子看到的防鸟撞6 mm超白玻璃则会被它们避开。为验证这一点，在隧道准备就绪后，研究人员将随机抓取的鸽子置入隧道中，观察并记录鸽子在想要飞出集装箱时在两块玻璃上的碰撞次数，并以此推断鸽子对于这两种玻璃的选择倾向。

经过试验得出结论：鸽子在防鸟撞6 mm超白玻璃上发生碰撞的次数远远低于在普通6 mm超白玻璃上发生碰撞的次数，根据本方法制得的防鸟撞6 mm超白玻璃达到此次设计的防鸟撞性能标准。

4 结语

采用物理镀膜工艺制作的鸟类可识别的波段膜系工艺复杂、稳定性差、实现量产的难度较高。而本方法采用丝网印刷技术，生产工艺流程简单、效率高、适合连续大规模生产。

制样采用的功能性涂料成分主要是二氧化硅、氧化铝、聚四氟乙烯、烷烃类等，因而可根据应用环境、制作方法的不同将涂层微调为多种透明近似无色的颜色，并与镀膜膜层形成新的干涉颜色，以此保证Low-E玻璃在保有原有绿色、环保的光学数据的同时，能够应用出新的图案和颜色。新的图案、颜色也可以更好地表达设计理念、建筑文化和内涵，具有一定的市场需求。

在玻璃上粘贴、印刷的防鸟撞贴纸或防鸟撞图案都是有颜色的，这会导致在接受太阳照射时这一部分会比无色透明的玻璃加热得更快，从而出现热张力带来玻璃上微小的热裂纹，降低玻璃的强度。而对UV吸收/反射防鸟撞玻璃是完全无色透明的，并不存在加热不匀的可能性，在未来对UV吸收/反射防鸟撞玻璃或许会成为解决热裂问题的有效方法，具有很高的投资价值。

对UV吸收/反射防鸟撞玻璃既能满足防鸟撞需求，又能提供审美价值，消除了建筑与保护鸟类之间的冲突，且能顺应国际环境发展、满足社会对于保护野生动物的美好期望。