玻璃的着色方法及颜色测量
关于玻璃的发明过程，有一段有意思的小故事，在3000多年前，腓尼基人的一艘商船在地中海意外搁浅，需要涨潮之后才能重新起航。在等待涨潮的过程中，水手们决定在沙滩上煮饭吃，但沙滩上除了沙子就是贝壳，找不到合适的材料来架锅，这时，他们想到了船上搭载的天然碱，这是一种块状的自然矿物，可以用来架锅，于是水手们便搬出一些天然碱，在沙滩上搭起了灶台煮饭，当他们吃完饭收拾餐具准备回船时，突然发现锅下沙子上有种亮晶晶的东西，而这种亮晶晶的东西就是玻璃。
其实最早的玻璃并不是无色的，它带点颜色，因为原料中有较多的杂质，这些杂质会使玻璃着色，随后玻璃便向着越来越透明、颜色越来越浅、杂质越来越少的方向发展，但是随着人类社会的发展，玻璃的发展也逐渐多元化，有时人们需要有颜色的玻璃，特别是最近几十年，着色玻璃引起人们的极大兴趣。着色玻璃的用途有很多，比如：可吸收特定的可见光波段，使透过的阳光变得柔和，避免眩光并改善室内色泽；可有效吸收太阳的辐射热，产生“冷室效应”，达到隔热节能的效果；能较强地吸收太阳的紫外线，有效地防止紫外线对室内物品的褪色和变质作用，对建筑物的外形有很好的装饰效果。经过多年的发展，玻璃行业出现了很多使玻璃着色的方法，本文重点介绍了玻璃的主要着色方法，并简要介绍了玻璃颜色的测量方法。
01玻璃的着色方法
玻璃的着色方法多种多样，各种方法的原理截然不同，下面让我们了解一下目前主流的玻璃着色方法。
（1）离子着色
铁、铬、钴、铜、铈、钕等过渡金属或稀土金属的离子可使玻璃着色，离子着色的原理可以用配位场的理论进行解释。对于过渡金属离子来说，正价的过渡金属离子作为中心离子被按照一定对称性分布的配位体（由氧离子构成）所包围而形成一个结构单元，配位场就是配位体对中心离子作用的静电势场。自由过渡金属离子的3d能级是简并的，在配位场的作用下，使简并的能级分裂为能量高低不同的两个能级，根据d能级电子从分裂的低能级跃迁到高等级（d-d跃迁）所需要的能量，而产生配位场吸收带，在玻璃中，该吸收带多数情况进入可见光区域，最终使玻璃着色。·同理，稀土金属离子易产生f-f跃迁而引起光的吸收，从而使玻璃着色。表1为部分过渡金属离子与稀土金属离子导致的玻璃着色。
表1部分过渡金属离子与稀土金属离子导致的玻璃着色
除此之外，还可以通过将不同的离子混合而得到我们想要的颜色，这里不再赘述，感兴趣的读者可自行查阅相关资料。
（2）金属胶体着色
金属胶体着色玻璃是利用金、银、铜等贵重金属单质在乳浊玻璃中形成胶体粒子，对可见光产生选择性吸收而使玻璃着色。不同金属形成的胶体粒子尺寸不同，而不同尺寸的胶体粒子对可见光的吸收波长不同，所以由金属胶体导致的玻璃着色取决于胶体粒子的尺寸。色饱和度则与胶粒的浓度有关。使用金胶体粒子着色可以制备色彩鲜艳的金红色玻璃，使用银胶体粒子着色可以制备出黄色和橙色玻璃，使用铜胶体粒子着色能制备出颜色由浅红—鲜红—红—深红逐渐变化的一系列颜色的玻璃。表2为部分金属胶体导致的玻璃着色。
表2部分金属胶体导致的玻璃着色
（3）辐射着色
辐射着色是指在太阳光的紫外线或高能射线（X射线、γ射线、中子、α和β粒子射线）的照射下，玻璃发生着色的现象。辐射着色可分为两类，第一类是在射线的照射下，玻璃结构中或杂质的电子被击出，被击出的电子被玻璃结构中某处捕获，形成新的电子结构，即着色中心（色心）；第二类是在射线的照射下，玻璃结构被破坏，同样有电子被击出，并形成着色中心。玻璃经辐射作用后，会形成一系列的色心，在紫外、可见光及红外区域产生一系列的吸收峰，使玻璃着色。
（4）硫、硒化合物着色
硫、硒化合物着色是利用CdS和CdSe等着色剂的半导体性质制备而成的，这是由于硫、硒化镉等着色剂在玻璃中以具有半导体性质的化合物存在，这种半导体化合物与硫、硒化镉等半导体单晶有相同的有序程度，玻璃的光吸收也与相应的半导体单晶基本一致，所以硫、硒化合物着色也被称为半导体着色。在此之前，很多人认为，硫硒化合物的着色原理是玻璃中存在CdS和CdSe胶体，即属于胶体着色，其实不然，硫硒化合物着色效果主要由CdS和CdSe的比值确定，当硫化镉与硒化镉的比值减小时，玻璃的颜色依次由黄色-橙色-红色向深红色方向发展，与胶体粒子大小并无太大关系，所以应将其单独归为一类。
（5）由表面镀膜引起的着色
首先要提到的就是阳光控制镀膜玻璃，即通过膜层改变其光学性能，对波长范围300 nm～2500 nm的太阳辐射具有选择性反射和吸收作用，使玻璃呈现不同的颜色。常见的阳光控制膜玻璃膜层材料有：氮化钛、氧化钛、不锈钢、氧化不锈钢、铬、氧化铬等，这些材料根据与玻璃附着力的大小、对颜色影响程度、耐磨性能的不同以及耐酸碱性能的好坏，或单独使用或组合使用，可制成不同颜色的镀膜玻璃产品。
随着社会的发展，我们对应用在建筑外围护结构的玻璃，如幕墙玻璃、外门窗玻璃等的节能要求越来越高，但是，一些通过吸收特定波长的光产生光谱选择性的本体着色玻璃与阳光控制镀膜玻璃等会将吸收的光能量转换成热量，一部分热量就会进入室内，这些玻璃显然不适用于建筑外围护结构的玻璃。有没有既满足玻璃节能要求又能够使玻璃着色的方法呢？我们可以在阳光波段吸收很小的白玻或超白玻璃上镀制低辐射膜（Low-E膜），一方面满足遮阳和保温的要求，另一方面通过膜层参数的匹配调整可见光波段的透反射光谱曲线，达到所要求的透反射颜色效果。
一般情况下，镀膜玻璃由于反射较高，其反射颜色较艳丽，相比之下，本体着色玻璃并不能产生艳丽的反射颜色，但我们可以在着色玻璃上镀膜，增大反射，在非膜面即可产生明显的反射色，如果是Low-E膜与本体着色玻璃结合的话，还可以大大提高其节能性能。
02怎样测量着色玻璃的颜色
玻璃颜色的测量方法及仪器应符合GB/T 36142-2018 《建筑玻璃颜色及色差的测量方法》。建筑玻璃透射和反射颜色采用光谱光度测色法测量，即通过测定被测物体的光谱反射比或光谱透射比求出三刺激值和色品坐标的方法，亦称为分光光度测色法。
光谱透射比的测量几何条件为0°/0°，照明光束和接收光束的光轴与样品表面法线的夹角不超过10°；照明光束光轴和接收光束光轴的夹角不超过3°；照明光束或接收光束至少有一端光束中任一光线与自身光轴的夹角不超过5°。
光谱反射比的测量几何条件为8°：8°，偏角光谱反射比的测量几何条件为30°：30°，45°：45°，60°：60°，照明光束的入射角、接收光束的接收角偏差均不应大于1°。在垂直反射测量几何条件下，照明光束或接收光束中任一光线与自身光轴的夹角不超过5°；在偏角反射测量几何条件下，照明光束或接收光束中任一光线与光轴的夹角不超过2°。
根据测得的光谱透射比和光谱反射比，在CIE标准照明体D65条件下，计算CIE1964标准色度系统中被测物体色的三刺激值X10、Y10、Z10，再将X10、Y10、Z10经CIE1976均匀色空间转换公式计算得到色空间坐标L*、a*、b*，即为被测样品的透射颜色和反射颜色。
根据上述测色原理，我们可以对本体着色玻璃、阳光控制镀膜玻璃、Low-E玻璃、本体着色+膜层着色玻璃等进行颜色的测量，市面上已有这类型的仪器，在这里向大家推荐五种由北京奥博泰科技有限公司出品的专业玻璃颜色测量仪器。
(1)光谱透反射比快速测色仪Filmeasure2300（波长范围380-1000nm）
该仪器可对平板玻璃，着色玻璃、Low-E玻璃、阳光控制镀膜玻璃、ITO玻璃、触摸屏玻璃等的光谱透射比、光谱反射比、透反射颜色进行测量。
(2)手持宽光谱测色仪GlassQ（波长范围380-1100nm）
该仪器是首款专门针对于节能玻璃幕墙、门窗玻璃等设计的，是测量玻璃光谱透反射比、颜色及色差的专用手持仪器。可在工程现场，直接测量已安装好的双玻或三玻中空玻璃。
(3）建筑玻璃阳光波段分光光度计GlasSpec2500（波长范围300-2500nm）
该仪器是专门为玻璃行业设计的实用快速测量仪器，不仅可测单片玻璃的光学参数，还可直接测量中空玻璃的光学参数，无需破坏中空玻璃结构。可直接、快速获得玻璃的透反射颜色及色差。
（4）建筑中空玻璃分光光度计GlasSpec 1000（波长范围380-1000nm）
该仪器是专门为玻璃行业设计的实用快速测量仪器，可直接、快速获得玻璃的透反射颜色及色差。不仅可以测量单片玻璃，还可以直接测量中空玻璃。
（5）分光偏角测色仪Filmeasure2200
该仪器可快速准确的测量45°、60°等大角度下镀膜玻璃的光谱反射比、反射颜色及色差，对于保障镀膜玻璃产品质量、指导镀膜生产工艺具有重要意义。
