納米透明隔熱涂料的制備

納米透明隔熱涂料的制備

0透明隔膜的應(yīng)用隨著經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，節(jié)能和環(huán)境保護(hù)受到了越來越多的關(guān)注。普通玻璃雖然透明性好,但是對(duì)紅外線的隔絕不夠,給許多需要隔絕熱輻射的場合帶來巨大的能量損失。為節(jié)約能源,人們采取了使用金屬鍍膜熱反射玻璃和各種熱反射貼膜等產(chǎn)品,用以反射部分太陽光中的能量,從而達(dá)到隔熱降溫的目的。但是這些產(chǎn)品有的隔熱效果不佳;有的透光率較低;有的則需要昂貴的設(shè)備,工藝條件的控制也很復(fù)雜,不利于向市場大面積推廣。因此,市場急需一種性價(jià)比高的透明隔熱涂料來解決這一關(guān)鍵問題。本文制備了納米透明隔熱涂料,對(duì)其特性進(jìn)行了測定,并用這種涂料采用簡單的涂敷工藝制備了單層隔熱玻璃和中空隔熱玻璃,獲得了滿意的結(jié)果。1納米透明隔涂料的隔熱原理1.1近紅外區(qū)能量的屏蔽太陽輻射的能量主要集中在波長為0.2～2.5μm的范圍內(nèi),具體能量分布如下:紫外區(qū)為0.2～0.4μm,占總能量的5%;可見光區(qū)為0.4～0.72μm,占總能量的45%;近紅外區(qū)為0.72～2.5μm,占總能量的50%。由此可見,太陽光譜中的能量絕大部分分布在可見光和近紅外區(qū),其中近紅外區(qū)就占了一半的能量。紅外光對(duì)視覺效果沒有貢獻(xiàn),若將這一部分能量進(jìn)行有效阻隔,可以起到很好的隔熱效果而不影響玻璃的透明性。因此,需要制備一種能有效屏蔽紅外光又能使可見光透過的物質(zhì)。納米半導(dǎo)體合金粉體對(duì)太陽光譜具有理想的選擇性,在可見光區(qū)透過率高,而對(duì)紅外光卻具有很好的屏蔽性能,將這種納米半導(dǎo)體合金粉體分散后加入到樹脂溶液中,可獲得納米透明隔熱涂料,該涂料可在玻璃表面形成透明隔熱膜。1.2隔熱效應(yīng)與物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)1.2.1等離子體隔激發(fā)環(huán)境因素涂膜對(duì)熱輻射的阻隔作用是吸收和反射共同作用的結(jié)果。當(dāng)光源照射到樣板玻璃表面,熱輻射一部分被載流子吸收,而另一部分由于入射光頻率低于等離子體振蕩固有頻率而被等離子體反射。也就是說,由于自由載離子及等離子體的存在,半導(dǎo)體對(duì)入射光呈現(xiàn)出吸收和反射的作用。由于半導(dǎo)體固體在本身性質(zhì)上的差異,會(huì)出現(xiàn)吸收和反射所占比例上的差別。當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)含有一定濃度的電子(空穴)時(shí),就會(huì)引起自由載流子對(duì)入射光的吸收,吸收系數(shù)α可以式(1)計(jì)算:α=λ2e34π2c3Νε0?nm*2μ(1)α=λ2e34π2c3Nε0?nm*2μ(1)式中:N—介質(zhì)折射率;ε0—真空電容率;m*—電子(空穴)有效質(zhì)量;μ—導(dǎo)磁率;λ—入射光波長;n—電子(空穴)的濃度。對(duì)于某一特定的半導(dǎo)體以及特定的環(huán)境而言,N、ε0、m*、μ均為定值,由此可見,吸收與入射光的波長的平方以及載流子的濃度成正比。經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)電子空穴濃度n≥1017cm-3時(shí),主要的吸收區(qū)在紅外波段。另一方面,由于存在自由載流子,會(huì)激發(fā)起與氣體等離子體相類似的、由自由載流子集體運(yùn)動(dòng)引起的等離子體振動(dòng),某些物質(zhì)有固有的等離子頻率ωp,用式(2)表示:ω2p=ne2εm*(2)ω2p=ne2εm?(2)式中:n—傳導(dǎo)電子密度;e—電子的電荷;ε—介電常數(shù);m—電子的有效質(zhì)量。又有,光垂直入射時(shí),固體的反射系數(shù)用式(3)表述:R=(Ν-1)2+Κ2(Ν+1)2+Κ2(3)R=(N?1)2+K2(N+1)2+K2(3)式中:R—固體的反射系數(shù);N—固體的折射率;K—固體的消光系數(shù)。當(dāng)入射光頻率ω小于等離子體振動(dòng)頻率ωP時(shí),折射率N=0,消光系數(shù)K≠0,由式(3)可得R=1,因而對(duì)入射光呈強(qiáng)反射。而當(dāng)入射光頻率大于等離子體振動(dòng)頻率ωP時(shí),半導(dǎo)體則對(duì)入射光呈現(xiàn)前述的載流子吸收。由于大多數(shù)納米半導(dǎo)體粒子的ωp處于紅外波段,因而可以認(rèn)為,對(duì)入射光所產(chǎn)生的熱量的阻隔,等離子體反射發(fā)揮一定的作用。綜上所述,反射和吸收都起到了屏蔽紅外光的作用,即產(chǎn)生了良好的隔熱效果。因此只要通過摻雜制出具有半導(dǎo)體性質(zhì)的合金,就有可能制備出對(duì)紅外光有屏蔽作用的涂料。1.2.2半導(dǎo)體合金粉體一定質(zhì)量的總遮斷面積的計(jì)算材料顆粒的尺寸大小與性能有著顯著的關(guān)系。通過控制納米半導(dǎo)體合金粉體微粒的微晶粒徑和比表面積,有可能控制式(2)中傳導(dǎo)電子密度n和介電常數(shù)ε,或有可能把該納米半導(dǎo)體合金粉體的微粒具有的等離子頻率ωP設(shè)定在所期望的范圍。設(shè)納米半導(dǎo)體合金粉體粒徑為r、密度為ρ時(shí),納米半導(dǎo)體合金粉體一定質(zhì)量m的總遮斷面積A可用(4)式表示:A=πr2Μ/ρ4πr3/3(4)A=πr2M/ρ4πr3/3(4)從式(4)可以看出,一般粒徑r越小,比表面積越大,總遮斷面積A越大。但粒徑太小時(shí),粒子的電子密度的變化等會(huì)使其對(duì)陽光屏蔽功能降低。因此,對(duì)陽光屏蔽功能來講,粒徑r即比表面積應(yīng)有最佳范圍。必須制備具有合適范圍的粒徑和比表面積的納米半導(dǎo)體合金粉體微粒,才能保證在可見光區(qū)具有高的透過率,同時(shí)在接近可見光區(qū)的近紅外區(qū)呈現(xiàn)強(qiáng)的等離子吸收。綜上所述,隔熱效果一方面與半導(dǎo)體合金本身的物理結(jié)構(gòu)有關(guān);另一方面,與其粉體微粒的粒徑有關(guān)。因此,只有納米級(jí)的半導(dǎo)體合金粉體才能很好的解決隔熱問題。例如,控制半導(dǎo)體合金組成在9∶1,粒徑≤130nm時(shí),可認(rèn)為在可見光區(qū)域具有高的透過率,同時(shí)在紅外區(qū)域起到屏蔽作用。按上述原理制備的納米半導(dǎo)體合金材料就具備高可見光透過性和良好的紅外屏蔽性。2納米透明隔水性的測定開發(fā)了納米半導(dǎo)體合金材料,用獨(dú)特的納米粉體分散方法,制備出納米漿,再用環(huán)保型高性能樹脂與納米漿混合,制備出納米透明隔熱涂料并對(duì)其性能進(jìn)行表征。研究路線如圖1所示。3納米透明隔涂料的性能3.1計(jì)測定涂料光學(xué)性能采用UV3101PC型紫外-可見光-近紅外分光光度計(jì)測定涂料的光學(xué)性能如表1。表1結(jié)果表明,納米透明隔熱涂料的可見光透過率為86.2%,紅外屏蔽率為61.3%,不僅透明性好,而且能有效地隔絕太陽熱輻射。3.2納米透明隔膜的熱性能用自制的隔熱測試裝置測定納米透明隔熱涂料隔熱效果。在2個(gè)箱體上分別放置空白玻璃和納米透明隔熱玻璃,用同樣的光源照射2個(gè)箱體,分別測試底板和箱體內(nèi)溫度,畫出溫度隨時(shí)間的變化曲線,如圖2所示。圖2中顯示空白玻璃和納米透明隔熱玻璃之間的升溫速度差異很明顯,開始時(shí)二者溫度呈線性增加,隨著時(shí)間的增加溫度逐漸接近平衡,到達(dá)60min時(shí)二者底板溫差達(dá)到19℃,空氣溫差達(dá)到8℃,這說明納米透明隔熱涂料具有明顯的隔熱效果。隔熱指數(shù)可用式(5)計(jì)算:ρ=t1-t4t4-t0(5)ρ=t1?t4t4?t0(5)式中:ρ—隔熱指數(shù)或稱反射率;t1—空白玻璃下黑色底板溫度;t4—隔熱玻璃下黑色底板溫度;t0—室溫。當(dāng)室溫t0為11℃時(shí),測試時(shí)間為50min,溫度達(dá)到平衡,此時(shí)t1為63℃,t4為44℃,根據(jù)上式求得的納米透明隔熱涂料的隔熱指數(shù)(反射率)為57.6%。3.3納米透明隔膜涂料的性能按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂料的基本性質(zhì)進(jìn)行測試,結(jié)果如表2。結(jié)果表明,該納米透明隔熱涂料具有優(yōu)良的綜合物理性能,硬度高,附著力好,耐熱性、耐水性等都達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,實(shí)際隔熱效果可降低5～10℃。4玻璃的光學(xué)透過率將納米透明隔熱涂料涂覆于玻璃的表面,一次性制成納米隔熱玻璃,包括納米單層隔熱玻璃和納米中空隔熱玻璃。測其光學(xué)性質(zhì),并與LOW-E玻璃進(jìn)行比較,如表3。將測定的納米透明隔熱玻璃、單層空白玻璃、LOW-E玻璃的光學(xué)透過率進(jìn)行了比較,如圖3。從表3,圖3中可以看出,空白玻璃在可見光區(qū)和近紅外區(qū)的透過率近似于一條直線,對(duì)可見光和近紅外波段都具有很高的透射性。高透型LOW-E玻璃對(duì)可見光的透過率為86%,而遮陽型LOW-E玻璃對(duì)可見光的透過率只有63%。單層LOW-E玻璃的平均遮蔽系數(shù)為0.79。本文制備的涂覆有納米透明隔熱涂料的納米透明隔熱玻璃在可見光區(qū)的透過率可達(dá)81%,遮蔽系數(shù)為0.79,隔熱性能與LOW-E玻璃相當(dāng),但納米透明隔熱玻璃工藝簡便易行,生產(chǎn)成本低,具有優(yōu)異的性能價(jià)格比。5透明隔熱板材料納米透明隔熱涂料可見光透過率高,紅外屏蔽率高,能夠有效隔絕太陽熱輻射,具有很好的節(jié)能效果,可應(yīng)用于多種領(lǐng)域:(1)應(yīng)用于汽車、火車、飛機(jī)的風(fēng)擋玻璃,建筑物玻璃等,起到了很好的隔熱降溫作用,且無反射光污染;(2)涂覆于玻璃上制成納米透明隔熱玻璃,包括單層玻璃、中空玻璃以及夾層玻璃。透明隔熱玻璃高透光率特點(diǎn)使其適用于不分地域的高通透性外觀設(shè)計(jì)的建筑,使建筑物透明,且具有很好的隔熱效果;(3)涂覆于聚碳酸酯等透明樹脂上制成納米透明隔熱板材,應(yīng)用場合非常廣泛,如可以做成汽車站頂上的透明隔熱板等;(4)涂覆于聚酯薄膜,制成透明隔熱貼膜,可應(yīng)用于建筑及汽車窗玻璃。中國的玻璃年產(chǎn)量約13440000m2,約82%～84%用于建筑裝飾,也就是說,約需求11020000m2的隔熱玻璃用于建筑裝飾中。全國現(xiàn)有建筑玻璃量為1490000000m2,若有30%的家庭和公共建筑玻璃采用納米透明隔熱涂料進(jìn)行隔熱處理,則需要50000t納米透明隔熱涂料,其涂料產(chǎn)值將達(dá)300億。6納米透明隔膜涂料(