水性透明隔热涂料的制备与研究
张冠琦 陈何国 侯甫文
广州市白云化工实业有限公司
广东白云国际科学研究院
1·前言
随着经济的快速发展，建筑能耗占社会总能耗的比例已达27.8％并逐年升高，对社会造成了沉重的能源负担和严重的环境污染。据统计，中国每年新建建筑面积近20亿平方米，其中80％以上为高能耗建筑，既有建筑近400亿m2，95％以上为高能耗建筑[1]，建筑的环保节能化迫在眉睫。门窗(尤其是玻璃)是建筑能量损失的最薄弱部位，面积约占建筑外维护结构面积的30%，其能量耗散约占建筑总能耗的2/3，是建筑采暖和制冷能耗最主要的原因，是建筑节能的重要研究对象。为了节约能源，科研人员进行了广泛的探索和研究，先后研制出低辐射镀膜玻璃[2]、阳光控制镀膜玻璃、玻璃贴膜、吸热玻璃、中空玻璃[3]、真空玻璃[4]等玻璃节能产品，但这些产品往往因可见光区透过率低、工艺条件复杂、价格昂贵等原因，限制了其推广应用。透明隔热涂料[5-9]是最近发展起来的一种能实现近红外光良好阻隔，同时又能保持较高的可见光透过率的玻璃节能涂料，因为环境友好、隔热效果佳、制备工艺简单、成本廉价等因素，为玻璃隔热问题的解决提供了新的方向，在建筑玻璃和汽车玻璃等领域的节能应用前景广阔。
本文以环保水性聚氨酯为成膜物，自制纳米ATO分散体为功能性填料，加入一些必要的流平剂、消泡剂、分散剂、增稠剂等助剂，经特殊工艺制得透明隔热涂料。将其涂覆在玻璃表面后，能够形成一层透明隔热涂膜，使玻璃在满足采光需求的同时又具备较好的隔热效果。
2·实验部分
2.1主要试剂
———水性聚氨酯购自拜尔化工；
———纳米ATO分散体(自制)；
———分散剂、消泡剂、流平剂、增稠剂等购自广州市华夏助剂化工有限公司；
———其余去离子水、乙醇等皆为市售产品。
2.2仪器和设备
———SFJ-400高速分散机：上海现代环境工程技术有限公司；
———JY92-2D超声波细胞粉碎机：宁波新芝生物科技股份有限公司；
———BGD506铅笔硬度计：广州标格达实验室仪器用品有限公司；
———QFZ-Ⅱ型漆膜附着力试验仪：天津市材料试验机厂；
———UV-3150紫外-可见光－近红外光度计：日本岛津仪器有限公司。
2.3水性透明隔热涂料的制备
2.3.1纳米ATO分散体的制备
参考李历历[10]的方法合成ATO粉体，粒径范围为5nm~15nm左右。在高速分散机中加入ATO粉体，并加入去离子水、分散剂、润湿剂、增稠剂等，高速分散约20h，调pH值到8.0，制得固含量约为18%的纳米ATO分散体。
2.3.2透明隔热涂料的制备按表1所示比例加入水性聚氨酯树脂，去离子水、分散剂、润湿剂、增稠剂、消泡剂、流平剂等以及上述制备的纳米ATO分散体，先在中速条件下分散2h~3h，再接着超声0.5h~1.0h，可得不同隔热参数的透明隔热涂料。
表1 透明隔热涂料的配方
2.4涂膜试样的制作
制备的透明隔热涂料A~F，用特定厚度的湿膜涂布器分别涂覆在150mm×100mm×5mm的浮法玻璃表面，单面涂覆。涂覆后试样在室温条件下自然干燥。
2.5透明隔热涂料的测试
2.5.1物理性能
依据相关国家标准，对透明隔热涂膜玻璃进行涂膜附着力、硬度、耐酸碱性、耐水性、耐温变性、耐老化性等方面的测试。
2.5.2光学性能
用岛津UV-3150紫外-可见光－近红外光度计测量涂膜玻璃200nm～2500nm的光学透过率，按GB/T268—1994标准测试并计算涂膜玻璃的可见光透过率以及遮蔽系数。
2.5.3隔热效果
按文献[11]自制了一个隔热效果模拟演示装置(如图1)，在同一高度放置2个完全相同的250W红外灯作为光源，正下方放置一只空心箱，箱体内部装有隔热泡沫板，箱体中间隔开分成两个一样大小的隔室，隔室里各装有一个风扇搅动空气，使空气温度在很短的时间内达到平衡。测试时左右两隔室上端口各放一块经透明隔热涂料处理后的涂膜玻璃及空白对照玻璃。每个隔室里各接1个热电偶，记录隔室里空气温度随时间的变化。
图1 隔热效果模拟演示装置简图
3·结果与讨论
3.1物理性能
依据相关国家标准，我们测试了透明隔热涂层的一些基本性能，测试结果列于表2中。从表中可以看出，所制备的透明隔热涂料对玻璃底材的附着力比较好，并具有良好的耐水性、耐酸碱性、耐老化性、耐温变性等，各项性能优异，完全能够满足作为玻璃表面涂层使用和维护的各项要求。
表2 透明隔热涂料的主要物理性能
3.2纳米ATO分散体含量对隔热效果的影响
纳米氧化锡锑(ATO)在涂料中主要起隔热作用，它的含量决定涂料的隔热性能和隔热效果。为了弄清纳米ATO分散体的含量与涂膜玻璃试样隔热效果的关系，我们制备了一组不同纳米ATO分散体含量的透明隔热涂料，并测定相应涂膜试样在200nm~2500nm区间内的可见光透过率和光谱透过曲线。表3列了不同纳米ATO分散体含量的隔热涂膜玻璃试样的可见光透过率及遮蔽系数(湿膜厚度为100μm)，图2为不同纳米ATO分散体含量隔热涂膜玻璃的透过光谱曲线。从表3和图2中可以看到与参照的空白玻璃试样相比，隔热涂膜玻璃试样在表现出较好近红外光区阻隔效果的同时还能保持相对较高的可见光透过率，能够满足采光的要求。随着ATO分散体含量的增加，隔热涂膜玻璃试样的可见光透过率和遮蔽系数也相应随之下降。ATO分散体含量为40％的F试样的隔热效果要比D、E好很多，遮蔽系数降到0.70，但可见光透过率也相应地降低至67.0％。从成本、可见光透过率及遮蔽系数等综合考虑，30％的ATO分散体含量是比较适宜的。
表3 透明隔热涂膜玻璃试样的光学性能
图2 不同ATO分散体含量的隔热涂膜玻璃试样的透过光谱
3.3涂膜厚度对隔热效果的影响
透明隔热涂料外观略显蓝色，在玻璃表面施涂后会形成一层浅蓝色的膜层，它的厚度直接影响涂层的光学性能和隔热效果。因为干膜的厚度很难控制，我们采用控制透明隔热涂料的固含量和湿膜厚度来实现控制涂层厚度的目的。表4列的是纳米ATO分散体含量为30％的隔热涂料在5mm浮法玻璃表面50μm～200μm厚度涂膜玻璃试样的光学性能，图3是5个不同厚度涂膜玻璃试样的光谱曲线。从表4和图3中可以看到随着湿膜厚度的增加，试样对近红外光的阻隔性能也相应增强，同时可见光透过率和遮蔽系数呈下降趋势；当湿膜厚度超过100μm以后，可见光透过率和遮蔽系数的下降趋势更为显著，样品的可见光透过率降至70％以下，特别是200μm试样的可见光透过率降至48.9％，这将会对建筑的采光造成极大的影响。透明隔热涂料的主要技术优点是在阻隔太阳光中近红外光区能量的同时还能保持较高的可见光透过率。但200μm试样使用后会大幅牺牲采光性能，通过增加采光能耗的方式来达到降低制冷和采暖能耗的目的，这有违节能降耗的意义。因此，透明隔热涂料应用时较佳的湿膜厚度为100μm。
表4 不同涂膜厚度隔热涂膜玻璃的光学性能
图3 不同涂膜厚度的隔热涂膜玻璃的透过光谱
3.4隔热效果模拟
为了检测所制备的透明隔热涂料的隔热效果，我们自制了一套模拟测试装置。测试光源选用光谱曲线和太阳光类似的250W红外灯，测试时左侧的隔室上方放置涂膜玻璃试样(本文选用纳米ATO分散体含量为30%的D样品，涂膜厚度为100μm，涂膜面背对光源)，另一侧放置相同参数的5mm普通浮法玻璃作为参照。以12h作为一个测试周期，每隔10min记录两隔室的空气温度。
图4为涂膜玻璃和空白玻璃的隔热效果对比曲线，横坐标为照射时间，纵坐标为两隔室的空气温度。
图4 涂膜玻璃和空白玻璃隔热效果对比模拟
从图中可以看到测试刚开始1h内，两隔室的空气温度迅速增加，1h后呈缓慢升高的趋势；并且在整个测试过程中，装有涂膜玻璃的隔室空气温度始终低于空白玻璃那侧。当照射时间达到0.5h时，两隔室的空气温差约为5℃，随着照射时间的增加，空气温差缓慢增大；当照射时间为12h时，空气温差为7.1℃。虽然在实际情况下，太阳光辐射强度、玻璃朝向、风速、建筑环境等条件会影响涂膜的隔热效果，但这组隔热效果对比模拟试验还是证明了透明隔热涂料具有明显的隔热效果。
4·结论
以自制的纳米ATO分散体和水性聚氨酯为主要成分制备的透明隔热涂料，涂覆在玻璃表面能形成一层透明隔热涂层。经实验验证，纳米ATO分散体的含量和涂膜厚度会影响涂层的隔热效果，30%的纳米ATO分散体含量和100μm湿膜厚度条件下，涂膜玻璃的综合性能较好。在模拟环境下，涂膜玻璃能使室内空气温度下降5℃~7℃，表现出较为明显的隔热效果。水性透明隔热涂料所具有的高可见光透过率、高红外阻隔性能，以及环保、低成本等优势，在建筑玻璃和汽车玻璃的隔热保温和环保节能方面拥有十分广阔的应用前景，必将给人类生活带来极大的改善。