纳米氧化锡锑涂料制备与透明隔热性研究

 建筑节能中玻璃的隔热是一个非常重要的方面[1 ] 。在高层建筑、透明顶棚、汽车、陈列等要求良好采光的场合,所使用的玻璃对可见光的透过性有较高的要求。由于普通玻璃对太阳光谱的透过选择性不高,因而在可见光透过时,位于红外光区的热量也会随之大量透过玻璃,导致室内温度升高,这使得空调等的负担大大加重,从而造成能源的浪费。为了节约能源,人们发明了热反射玻璃、中空玻璃、热反射玻璃薄膜[2 ] ,但是这些产品有的隔热效果不佳,有的透过率较低,有的价格过于昂贵。因此寻找一种兼有良好的透明隔热效果,并且成本在市场可承受范围内的透明隔热涂料[326 ] ,不仅具有重要的理论意义,而且具有广阔的应用价值和市场前景。本研究以水性聚氨酯为主要成膜物质和纳米氧化锡锑水性浆料制备成用于玻璃的透明隔热涂料,研究其透明隔热性能。

1  实验部分
1. 1  原料及仪器
纳米氧化锡锑水性浆料(固含量10 %) ,自制;水性聚氨酯(固含量4112 %) ,增稠流平剂,消泡剂均为市售。实验分散砂磨机,30μm 线棒涂布器,电热鼓风恒温干燥箱,可见光分光光度计722 型,红外光分光光度计IRPrestige221 ,玻璃片规格为50mm ×100mm ×3mm 和100mm ×200mm ×3mm。

112  ATO 透明隔热涂料及涂膜的制备
取一定量水性聚氨酯树脂( PU) ,用实验分散砂磨机在400r/ min 转速下按一定比例加入自制纳米氧化锡锑(ATO) 水性浆料,并加入适量增稠流平剂搅拌约30min ,搅拌均匀制得纳米ATO 透明隔热涂料。搅拌过程中出现气泡时,加入少量有机硅消泡剂消泡。将所制ATO 透明隔热涂料用30μm 线棒涂布器均匀涂覆于50mm ×100mm ×3mm 和100mm ×200mm ×3mm 玻璃片上,涂膜前使用稀盐酸对玻璃片表面进行预处理,清除杂质,使玻璃片表面光滑、洁净。涂布完成后,室温下放至表干,然后置于电热鼓风恒温干燥箱,在80 ℃下固化3~4h 成玻璃涂膜。并用相同方法制备未添加ATO 的空白水性聚氨酯涂料试样,用以对比实验。

1. 3  ATO 透明隔热涂料性能测试
1. 3. 1  玻璃涂膜透过率测试
将ATO 水性浆料与水性聚氨酯( PU) 按体积比1 ∶3 、1 ∶3. 5 、1 ∶4 、1 ∶4. 5 、1 ∶5 配制成涂料,使用50mm ×100mm ×3mm 玻璃片按上述工艺制备涂层,利用722 型可见光分光光度计及IRPrestige221 型红外光分光光度计对玻璃涂膜在整个波长范围内(400~2500nm) 进行透过率测试。ATO 水性浆料/ PU 体积比及相应颜料体积浓度( PVC) 见表1 。
表1  ATO 水性浆料/ PU体积比及相应颜料体积浓度

1. 3. 2  玻璃涂膜隔热性能测试
隔热性能测试所用到的辅助材料有玻璃片100mm ×200mm ×3mm;汽车隔热膜weekle803 ,台湾威克生产;建筑隔热膜H KDT800 ,网络专卖。试验分为自制碘钨灯光照条件下试验和自然日照条件下试验。
碘钨灯光照条件下使用图1 所示自制隔热效果测试装置对玻璃涂膜隔热效果进行测试,自然日照条件下隔热效果测试装置与碘钨灯光照条件下隔热效果测试装置类似,只是碘钨灯光照换为日照。

将涂有PVC = 01011 的玻璃涂膜与空白玻璃分别放置于两保温箱顶端,将热电偶测温仪的探头置于保温箱箱内。保温箱上方40cm 处以500W碘钨灯模拟太阳光源进行加热,加热一定时间后,每隔10min 记录一次数据,比较两保温箱箱内温度变化,分析其隔热效果。
日照条件下,实验当日室外平均气温与当地夏季平均气温相近。将涂有PVC = 0.011 的玻璃涂膜与空白玻璃分别放置于两保温箱顶端,将热电偶测温仪的探头置于保温箱箱内。每隔0.5h 记录一次数据,比较两保温箱箱内温度变化,分析其隔热效果。
将涂有PVC = 0. 011 的玻璃涂膜分别与贴有汽车隔热膜及建筑外窗用隔热膜的玻璃进行日照条件下隔热效果测试,
并对其隔热效果进行比较。
2  结果与分析
211  ATO 水性浆料与水性聚氨酯体积比对涂膜透
过率的影响
2. 1. 1  ATO 水性浆料与水性聚氨酯不同体积比涂膜透过率的测定
对玻璃涂膜在400~2500nm 波长范围内的透过率测定结果见图2 。其中不同体积比的玻璃涂膜厚度均设定为30μm。
由图2 可以看出,空白的水性聚氨酯涂膜在整个波长范围内(400~2500nm) 透过率变化不大且均保持在较高的数值上,对红外光几乎没有阻隔效果。对含有ATO 的涂膜,在400~720nm 的可见光区域,试样的透过率随着ATO 含量的增大而变小,所有涂膜都呈现了较高的透光率;在720~2500nm 的近红外区域,ATO 水性浆料/ PU 体积比从1 ∶5 到1 ∶3.5 的配比试样,随着ATO 含量的逐渐变大,对红外光的阻隔也越来越好,但当继续增大ATO 含量到1 ∶3 时,涂膜对红外光的阻隔效果反而变差。通过上述对比试验可以发现,加入ATO后,随着ATO 含量的增加,可见光区的透过率逐渐变小,但变小幅度不大,仍能保持70 %左右,而红外光区透过率明显下降,其中ATO 水性浆料与水性聚氨酯体积比为1 ∶3.5 的涂膜在红外光区的透过率最低,对红外光的平均屏蔽率能达到55.3 % ,并且在可见光区域的平均透过率也能达到73.2 % ,同时满足了对可见光较好的透过和对红外光有效的阻隔。

2. 1. 2  PVC 对红外光区平均透过率影响
以各涂膜红外光区(720~2500nm) 平均透过率和各样品PVC 之间的关系作图,比较纳米ATO 用量对涂膜红外光区透过率的影响,结果见图3 。

由图3 可知,随着ATO 用量的增加,其红外光区的平均透过率逐渐下降,在PVC = 0.011 时平均透过率最小,继续增大ATO 含量,透过率反而出现上升的趋势,表明存在一个最佳ATO 用量,即PVC = 0.011 时为此体系的最佳ATO 用量,此时涂膜的红外阻隔率最高,可以达到最佳的红外光阻隔效果。继续增加ATO 掺量对涂料的隔热效果并没有进一步的提高,反而有所下降,这种现象与涂料的临界颜料体积浓度有关。

212  涂膜厚度对透过率的影响
为了寻求更好的红外光屏蔽效果,在已经获得的最佳配比PVC = 0.011 的基础上增加涂膜的厚度,分别制得30μm 、60μm 、90μm 涂膜,对其在400~2500nm 范围内透过率进行测定,结果见图4 。

图4  不同厚度涂膜可见光2红外光透射光谱

由图4 可以发现, 60μm 涂膜在可见光区的透过率与30μm 涂膜相差不大,均能保持在70 %以上,在红外光区的透过率则明显降低,红外阻隔效果更好; 90μm 涂膜在红外光区的透过率与60μm 涂膜相比有所下降,但是变化幅度较小,同时在可见光区的透过率却明显降低,不能满足透明性要求,所以涂膜厚度以60μm 为宜。

2. 3  涂膜隔热性能测试结果
2. 3. 1  光照条件下涂膜隔热性能
对涂膜玻璃保温箱箱内温度及空白玻璃保温箱箱内温度测试结果见图5 。由图5 可知,光照条件下,置有涂膜玻璃的保温箱箱内温度均低于置有空白玻璃的保温箱箱内温度。随着时间的变化,两保温箱内的温度逐渐上升,箱内温差随之增大,2h 后,温度变化趋于平缓,箱内温差最大达到2. 5 ℃。

图5  光照条件下箱内温度随时间的变化曲线

2. 3. 2  日照条件下涂膜隔热性能
在日照条件下,对涂膜玻璃保温箱箱内温度及空白玻璃保温箱箱内温度测试结果见图6 。

图6  日照条件下箱内温度变化曲线

由图6 可知,日照条件下,置有涂膜玻璃的保温箱箱内温度均低于置有空白玻璃的保温箱箱内温度。随着时间变化,两保温箱内温度逐渐上升,箱内温差随之增大,下午14 时温度达到最高,此时盒内最大温差约为4 ℃。之后,随着光照强度的降低,箱内温度开始下降,温差亦随之减小,至下午18 时箱内温差降至2. 7 ℃左右。
实验过程中,涂膜玻璃表面温度极高,触摸有明显的灼烫感,空白玻璃表面则无此感觉,是因为ATO 中含有一定浓度的电子(空穴) ,能引起自由载流子对入射光尤其是红外波段光的吸收。同时由于存在自由载流子,会激发起与气体等离子体相类似的、由自由载流子集体运动引起的等离子体振动。ATO 的等离子体振动频率处于红外波段,入射光频率小于ATO 等离子体振动频率,因而对入射光呈强反射。反射和吸收都起到了屏蔽红外光的作用,即产生了良好的隔热效果。

2. 3. 3  与其他隔热材料的对比
涂膜玻璃与市售汽车隔热膜及建筑外窗用隔热膜对比
(1) 透过率的比较
玻璃涂膜( PVC = 0.011 ,涂层厚度为60μm) 与某市售汽车隔热膜及建筑外窗用隔热膜在400~2500nm 范围内透过率的比较结果见图7 。

图7  玻璃涂膜与汽车隔热膜及建筑外窗用隔热膜可见光2红外光透射光谱

由图7 计算可知,玻璃涂膜在可见光区平均透过率达71.3 % ,红外光区透过率迅速下降,平均透过率为39.7 %(平均屏蔽率60.3 %) ,能很好地实现可见光区高透过率,红外光区高屏蔽率的性能要求。某市售汽车隔热膜在可见光区和红外光区的平均透过率在45 %左右,对红外光的阻隔效果较好,但是在可见光区的低透过率是它的缺点。某市售建筑外窗用隔热膜在可见光区、红外光区透过率均在55 %左右,达不到在可见光区较高透过率和红外光区较好的阻隔效果。

(2) 隔热效果的比较
涂膜玻璃( PVC = 0.011 ,涂层厚度为60μm) 与某市售汽车隔热膜及建筑外窗用隔热膜的隔热效果进行对比测试分析。比较结果见图8 。

图8  玻璃涂膜与汽车隔热膜及建筑外窗用隔热膜箱内温度随时间变化曲线

由图8 可知,室外日照时,置有玻璃涂膜的保温箱箱内温度均低于置有汽车隔热膜和建筑外窗用隔热膜的保温箱箱内温度。随着时间的延长,玻璃涂膜与汽车隔热膜及建筑外窗用隔热膜的箱内温度逐步上升,温差随之增大。下午14 时,箱内的温度达到最高,此时汽车隔热膜及建筑外窗用隔热膜与涂膜玻璃箱内最大温差分别约为4 ℃和3 ℃。此后,由于日照强度的降低,箱内的温度开始下降,温差亦随之减小,至下午6 时,汽车隔热膜及建筑外窗用隔热膜与涂膜玻璃箱内温差分别降至0.8 ℃和1.6 ℃。
通过数据分析可以发现,与某市售汽车隔热膜及某市售建筑外窗用隔热膜相比,自制纳米氧化锡锑透明隔热涂料不仅具有在可见光区高透过率的优点,也有很好的隔热效果,能更好的解决透明、隔热这一矛盾性问题,实现可见光区高透过率,红外光区高屏蔽率的理想性能,因此自制纳米氧化锡锑透明隔热涂料的透明性能以及隔热性能都更优良。

3  结论
(1) 在涂膜厚度为30μm的情况下,随着纳米氧化锡锑透明隔热涂料中ATO 掺量的增加,涂膜可见光区透过率逐渐降低, 但仍能保持70 %左右, 红外光区透过率下降明显。ATO/ PU 体积比为1 ∶315 的玻璃涂膜在红外光区的透过率最低,对红外光的平均屏蔽率能达到55.3 % ,在可见光区的平均透过率为73.2 % ,同时满足了对可见光较好的透过和对红外光有效的阻隔。
(2) 在PVC = 0.011 ,涂层厚度为60μm 时可实现可见光区高透过率,红外光区高屏蔽率的性能要求。此时涂膜可见光区平均透过率高达71.3 % , 红外光区平均屏蔽率达60.3 %。
(3) 用自制隔热装置对PVC = 0.011 ,涂层厚度为60μm的玻璃涂膜的隔热效果进行测试。置有玻璃涂膜保温箱与置有空白玻璃保温箱相比,光照条件下,两者箱内最大温差可达2.5 ℃,日照条件下箱内最大温差可达4 ℃, 涂膜隔热性能良好。
(4) 纳米氧化锡锑透明隔热玻璃涂膜比某市售汽车隔热膜及某市售建筑外窗用隔热膜透明隔热性更优良。

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