纳米透明隔热涂料隔热性能的研究

纳米透明隔热涂料隔热性能的研究
黄 燕1 涂伟萍2(1.广东石油化工学院化工与环境工程学院,茂名525000;2.华南理工大学化学与化工学院,广州510640)

目前市场所用的隔绝热辐射产品有的隔热效果不佳,有的透光率较低,有的则需要昂贵的设备,工艺条件的控制也很复杂,不利于向市场大面积推广。因此,市场急需性价比高的隔热产品来解决这一关键问题。纳米透明隔热涂料可见光透过率高,红外屏蔽率高,能够有效隔绝太阳热辐射,可应用于建筑物幕墙玻璃、汽车窗玻璃等场合,具有很好的节能效果,同时由于使用方便,价格较低廉,能满足大众的消费要求,因而其市场前景被广泛看好。

1 实验部分
1.1 原料与仪器
水性聚氨酯(Bayhydrol XP 2593/1),工业级,拜耳材料科技贸易(上海)有限公司;纳米氧化锡锑(ATO)浆料,分析纯,自制。34970A自组装的在线测温装置,安捷伦科技有限公司;CS101-AB型电热鼓风干燥箱,重庆试验设备厂。
1.2 实验方法
1.2.1 纳米透明隔热涂料的制备
将自制的纳米ATO水性浆料与水性PU、消泡剂、增稠剂及成膜助剂采用共混法制备纳米透明隔热涂料。
1.2.2 隔热性能测试
纳米ATO/PU复合膜的隔热性能测试装置采用如图1所示的自组装在线测温装置。

图1 自组装在线测温装置
(1.光源;2.调节杆;3.固定器;4.平台;5.样品台;6.参照物;7.绝热室A;8.绝热室B;9.Agilent在线数据采集器;10.笔记本电脑)

2 涂膜隔热性能的分析与探讨
涂层隔热性能与多种因素有关,为了考察各种因素对透明隔热涂层的隔热效果的影响,建立相应的涂层传热数学模型是很必要的。为了便于研究,现作如下假设:(1)假设无内热源仅考虑碘钨灯辐射;假设碘钨灯辐射光强度均匀;(2)假设木盒为一个理想状态下的六面体隔热模型;(3)假设木盒内空气分布均匀,忽略木盒内空气的二次逆辐射。建立如图2所示简化隔热模型,从图中可以看出,其热源主要来源于碘钨灯的辐射,则单位时间内,玻璃获得的能量为从碘钨灯辐射的热量,传入木盒内空气的能量为碘钨灯辐射透过的热与对流、辐射的热之和。

图2 隔热简化模型
以玻璃为研究对象:

其中:Tw、Ti、T0为玻璃温度、盒内空气的温度、室温,Qτ为碘钨灯辐射能量中透过光的能量,Q1为受热玻璃向盒内侧传递的能量。Aw为玻璃面积,为辐射-对流联合传热系数,m1、m2分别为玻璃质量、盒内空气质量。
对于绝热体系,所得热量仅对体系气体进行加热,则:
Qm=m2CP2(Ti-T0) (7)
  整理可得到透明隔热涂层体系的数学模型:
τQ+αTAW(TW-Ti)=m2CP2(Ti-T0) (8)
  结合式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可解出体系的数学模型,令



式中N、ε0、m*、μ分别为介质折射率、真空电容率、电子(空穴)有效质量以及导磁率,均为定值,λ和n分别为入射光波长和电子(空穴)的浓度。参照国标GB/T 2680-94“建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳光总透射比及有关窗玻璃参数的测定”来计算样品的透射比τ。由式9可得,木盒内空气的温度受到入射光波长λ、电子(空穴)浓度n、透射比τ、联合传热系数的影响,下面通过实验来验证。
3 结果与讨论
3.1 不同位置隔热性能的测试
下面为采用图1所示的自组装的在线测温装置分别测得样品和空白玻璃的背面、木盒内空气、底板3个位置的升温曲线(室内温度为27℃),结果如图3~图5。

由图3~图5可以看出,当升温趋于平稳后,空白玻璃所对应的3个位置中,底板背面温度最低,木盒内空气的温度次之,玻璃背面最高,依次为30℃、44℃、50℃;对于样品玻璃,玻璃背面平衡温度在60℃左右,木盒内空气为50℃,底板面为34℃。三者均低于空白玻璃对应位置的温度。这是部分热辐射被样品涂层阻隔的缘故。
图3为碘钨灯照射下玻璃背面升温曲线。空白玻璃和样品之间的升温速度差异很明显,开始时空白玻璃曲线斜率很大,温度急剧上升,样品升温相对缓慢。随着时间的增加,升温速率减慢,温度逐渐接近平衡状态,30min时基本达到升温平衡,此时样品和空白玻璃之间的温差为10℃,可见样品具有明显的隔热效果。图4为碘钨灯照射下盒内空气的升温曲线。空气升温速度比样板背面升温速度慢,而且温度达到平衡所需的时间较长,空白玻璃和隔热玻璃的温差为6℃左右。图5为碘钨灯照射下木盒底部的升温曲线。底部升温速度最慢,温度最低,而且温度达到平衡所需的时间也长,空白玻璃和隔热玻璃的温差为4℃左右。关于样品3个位置的平衡温度产生差异的原因,做如下解释。一束光通过介质时,其中一部分被透过(τ),其它部分被反射(ρ)或吸收(α):α+ρ+τ=1。可以认为光源的热辐射被样品涂膜反射走了一部分,另一部分被样品涂膜吸收,如果全部被吸收则样品背面的温度则基本和空白玻璃一致。由于绝热室白铁皮的反射作用可以避免热量直接由光源辐射到探温头上,所以由样品吸收的热量,以及透过样品的热量一并传导至探温头,引起其温度升高。而当位于木盒内和底板背面时,样品吸收的热辐射是感应不到的。当光源照射到样品涂膜表面时,热辐射一部分被自由载流子吸收,而另一部分由于入射光频率低于等离子体振荡固有频率而被等离子体反射掉。因而吸收和反射的总效果导致样品背面、木盒内空气和底板的温度比空白玻璃更低一些。综上所述,涂膜对热辐射的阻隔作用是吸收和反射共同作用的结果。
3.2 纳米ATO用量对隔热性能的影响
图6为纳米透明隔热涂料的玻璃(1#~5#样品)与空白玻璃盒内空气的升温曲线。

图6 纳米ATO用量对盒内空气温度的影响
(blank:空白玻璃;1#:颜基比1∶50;2#:1∶20;3#:1∶15;4#:1∶7;5#:1∶3)
由图6可以得出,1#隔热效果偏差,温差2℃,2#和3#的隔热效果相对较好,温差4~6℃,4#和5#隔热曲线不稳定,温差7~8℃。综合考虑涂膜的隔热性能,当w(ATO)/w(PU)=1∶15时,3#配方有较好的隔热效果,曲线较平坦,达到平衡时样品比空白玻璃温差为6℃。与空白玻璃相比,纳米ATO的加入均可产生热辐射阻隔效果,屏蔽了部分光线的透过,改变了材料在可见红-近红外区的漫反射系数,使透过膜的光线减弱,温度降低。随着体系纳米ATO用量的增加,颜料和填料在树脂基体内间隔不断缩小,更有效地防止光辐射的穿透并将其反射出去。复合膜所透过的光线依次减弱,其热辐射阻隔效果增强,相应的温度依次降低。因为吸收与入射光的波长的平方以及载流子的浓度成正比,随着涂料中ATO 用量的增加,电子(空穴)的浓度相应的增大,涂膜对红外辐射的吸收系数也随之增大,由α+ρ+τ=1可得,最终使隔热效果增强颜料和填料在树脂基体内间隔不断缩小,能更有效地防止光辐射的穿透并将其反射出
去。
3.3 不同涂膜厚度对隔热性能的影响
图7是在碘钨灯照射下不同涂膜厚度对隔热效果的影响。

图7 不同涂膜厚度的玻璃背面升温曲线
由图7可以看出,随着涂膜厚度的增加,玻璃的隔热效果也随之增加,照射30min后涂覆一层、二层和三层隔热涂料的样品与空白玻璃背面的温差分别达到了10℃、13℃和17℃。

4 结论
建立了在线测温装置和简化的辐射传热数学模型,研究了纳米ATO用量、测试位置及涂膜厚度对涂膜隔热性能的影响,得出了以下主要结论:
(1)建立了简化的传热数学模型,木盒内空气的温度受到入射光波长λ、电子(空穴)浓度n、透射比τ的影响。
(2)在碘钨灯照射下,隔热玻璃和空白玻璃背面的温差可达到10℃,木盒内空气温差达到6℃左右,底板温差也达到4℃。
(3)照射30min后,涂覆一层、二层和三层隔热涂料的样品玻璃与空白玻璃背面的温差分别达到了10℃、13℃ 和17℃。

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