關于透明隔熱玻璃涂料的研究與制備
網2011年 度比嘉地板杯中國建業十大評選活動進入專家評審階段
摘要通過摻雜鎢制備了具有常溫相轉變功能的二氧化釩粉體采用特殊的研磨工藝將摻鎢二氧化釩粉體和氧化銻錫ATO粉體分散成亞納米或納米漿料并將這些漿料直接添加到水性聚氨酯涂料中從而得到具有一定智能功能的透明隔熱保溫涂料該涂料對玻璃附著力好近紅外透過率可調,可廣泛用于建筑和汽車玻璃具有很好的節能效果
關鍵詞玻璃水性聚氨酯摻鎢二氧化釩氧化銻錫涂料隔熱節能
中圖分類號TQ630.79文獻標志碼A
文章編號1004–227X200903–0049–04
1前言
隨著國民經濟和現代科學技術的發展節能和環保受到了越來越多的關注建筑物門窗玻璃頂棚玻璃汽車玻璃和船艦玻璃對可見光的透過性有較高的要求但在滿足采光需要而使可見光透過的同時太陽光的熱量也隨之傳遞因此對室內溫度和空調制冷能耗產生很大影響特別是在夏季透過玻璃窗進入室內的太陽熱構成了空調負荷的主要因素通常空調的設定溫度與負荷具有如下關系設定的制冷溫度提高2°C制冷電力負荷將減少約20%設定的制熱溫度調低2°C制熱電力負荷將減少約30%為了節約能源人們采用了金屬鍍膜熱反射玻璃和各種熱反射貼膜用以反射部分太陽光中的能量從而達到隔熱降溫的目的但是這些產品存在的在可見光區的不透明性和高反射率問題限制了它們的應用范圍而且有的產品隔熱效果不佳有的透光率較低有的則需要昂貴的設備工藝條件的控制也很復雜這些因素均不利于產品向市場大面積推廣新興材料的出現為透明隔熱問題的解決提供了新的途徑以這些材料制成的涂層有很高的紅外屏蔽效果和良好的可見光透過率同時還具有一定的智能性[1-3]透明隔熱涂料是最近發展起來的一種在可見光區具有透明性的隔熱涂料它利用材料中一些粉體對可見光良好的透過率及對紅外光區極高的反射率來達到透明隔熱的目的
2實驗
2.1原料
水合硫酸氧釩VOSO4xH2O購自上海綠源精細化工有限公司釩含量在22%~23%五價釩含量小于0.5%使用前按照GB/T7315.1–1987中的方法仔細測定釩含量用高錳酸鉀氧化VO2+用亞硝酸鹽還原多余高錳酸鉀在N–苯基鄰氨基苯甲酸指示劑存在下用摩爾鹽滴定VO2+碳酸氫鈉NaHCO3二水合鎢酸鈉Na2WO42H2O購自上海國藥集團水性聚氨酯乳液購自德國拜爾公司氧化銻錫ATO乙醇丁醇分散劑消泡劑流平劑和增稠劑均購自上海百默化工科技有限公司2.2摻鎢二氧化釩粉體的制備將22.5gVOSO4xH2O溶于100mL水中8.246g二水合鎢酸鈉溶于50mL水中15.9gNaHCO3溶于150mL水中往上述硫酸氧釩溶液加入配制好的鎢酸鈉溶液6mL混合然后在1.5h內將NaHCO3溶液用恒流泵滴入該混合溶液中繼續攪拌1h水解產生沉淀物將此懸浮液用4#砂芯漏斗過濾并用去離子水反復洗滌至濾液無24SO-為止最后用無水乙醇洗滌沉淀將沉淀在313K真空干燥2~4h得到極細的氫氧化釩粉末將粉體置于陶瓷舟中推入一內徑為35mm的石英管中央管前部預留40cm長度作為預熱段然后通入氮氣當管內殘余的空氣被帶走后將氣體流量調整到200mL/min在1073K煅燒3h升溫速率由管式爐自身的功率決定約20K/min獲得摻鎢的二氧化釩粉體產率大于95%差示掃描量熱DSC曲線分析表明該摻鎢的二氧化釩粉體相變溫度在25°C左右
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2.3水性節能涂料的制備
2.3.1二氧化釩漿料的制備
將摻鎢二氧化釩粉體質量比1∶1的丁醇–乙醇混合溶液分散劑和氧化鋯陶瓷珠置于砂磨機中在3000r/min下研磨12h得到二氧化釩的分散液粒徑在170nm左右
2.3.2ATO漿料的制備
將ATO粉體乙醇分散劑和氧化鋯陶瓷珠置于砂磨機中在3000r/min轉速下研磨36h得到ATO漿料粒徑在100nm左右
2.3.3水性節能涂料的制備
將基材潤濕劑消泡劑成膜助劑流變助劑依次加入水性聚氨酯乳液中在1000r/min的高速分散機上攪拌均勻然后降低轉速至500r/min加入一定量的二氧化釩漿料和ATO漿料攪拌均勻得到水性節能涂料涂料的固含量控制在30%左右用80#線棒涂覆于室溫下干燥膜厚在15μm左右
2.4水性節能涂料的性能檢測
動態激光散射法DLS粒徑分析使用美國BeckmanCoulter的N4Plus納米顆粒粒度分析儀將分散好的漿料用水稀釋采用附帶的粒徑大小分布模型軟件計算粒徑和粒徑分布可見–近紅外光譜Vis-NIR分析在VarianAustraliaPtyLtd的VarianCary500紫外–可見–近紅外分光光度計上運行波長從400~2500nm將涂層制備在載玻片上并將載玻片置于自制的原位加熱裝置上控溫精度為±0.1°C
3結果與討論
3.1二氧化釩涂層的可見–近紅外透射光譜
由于可見光的波長在380~700nm要獲得透明性好霧影值小的涂層涂料中固體顆粒的粒徑須小于190nm采用共沉淀法制備的摻雜二氧化釩粉體存在大量的二次團聚現象見圖1需要將其分散到一定的粒徑才能制備出透明的涂層二氧化釩粉體中的釩處于中間價態很容易氧化容易使涂料失去應有的相變效果
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曾嘗試將二氧化釩分散在水中進行研磨盡管獲得的平均粒徑達到170nm但制成的涂料幾乎觀察不到溫變效果因此采用乙醇和丁醇混合溶液作為研磨介質在該體系中一方面醇類沸點較低可以降低研磨過程中研磨介質的溫度另一方面醇類提供了研磨環境的惰性氛圍使二氧化釩比較穩定對最終涂料的溫變效應影響不大但略有降低但是二氧化釩的粒徑也不宜過低對溫變效應影響較大一般控制在平均粒徑170nm左右
圖2是水性二氧化釩聚氨酯涂層在288K和313K下的可見–近紅外透射光譜圖2表明在近紅外區當溫度高于相轉變溫度時紅外的透過率較低而溫度低于相轉變溫度時紅外的透過率上升紅外光透過率可根據溫度的變化調整因此涂料具有一定的智能功能
從圖2還可以看到二氧化釩在近紅外區的阻隔效果并不理想其主要作用是溫變效應另外由于二氧化釩是一種黑色顏料對可見光的阻隔較大因而限制了其添加量因此為了進一步提高涂膜對太陽光能的阻隔效果在涂料配方中添加了ATO采用ATO漿料的制備工藝
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3.2ATO涂層的可見–近紅外透射光譜
由于ATO在近紅外有很好的阻隔效果而價格較氧化銦錫ITO便宜其折光指數與涂料樹脂的折光指數相近且呈藍色著色力不高因此ATO可以有比較高的添加量但是要制備出透明度好的涂料對其粒徑要求更高由于ATO在涂料中的添加量較大平均粒徑必須小于100nm且要保證ATO的漿料固含量達到25%以上漿料黏度控制在30s左右涂-4杯因此在涂料的制備過程中ATO漿料的制備是關鍵工藝
ATO研磨分散過程的關鍵是選擇合適的潤濕劑和分散劑潤濕劑的分子量較分散劑小在研磨過程中它能迅速吸附在ATO的新增表面達到初步穩定ATO的分散作用分散劑是確保ATO分散后通過靜電和空間位阻作用使其更加穩定一般潤濕劑分散劑的質量比為1∶9時比較合適研磨后的粉體漿料比較穩定圖3是ATO的粒徑與研磨時間的關系圖3顯示ATO在初始研磨時粒徑下降較快但12h后也就是ATO粒徑達到170nm后粒徑下降很慢需要花費大量的研磨時間才能達到要求整個研磨時間至少36h通過多次篩選最終獲得了固含量高達30%以上粒徑低于100nm的ATO水性漿料
從圖4可以看到ATO平均粒徑為95nm最大粒徑在410nm左右固含量30%黏度31s涂-4杯經10000r/min離心分離20min漿料幾乎沒有沉淀另外60°C加速儲存30d也不發生沉淀因此可以初步確定該漿料的儲存期至少一年
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將ATO漿料與水性聚氨酯涂料按一定比例混合可以制備出具有很好紅外阻隔效果的隔熱透明涂料圖5是某市售汽車隔熱膜與ATO隔熱涂料的可見–近紅外透射光譜從圖5可以看出ATO隔熱涂料在可見光區380~780nm具有很好的透過率而在近紅外區780~2500nm的阻隔率遠遠高于汽車隔熱膜因此對于相同可見光透過率的透明隔熱材料而言ATO的隔熱效果優于一般汽車隔熱膜
3.3水性節能涂料的可見–近紅外透射光譜
為了制備環境友好型水性節能涂料將二氧化釩漿料和ATO漿料按一定比例添加到水性聚氨酯涂料中以便既能保證良好的可見光透過率又能保證一定的紅外阻隔同時在環境溫度較低時紅外透過率提高可以保證足夠的能量透過而環境溫度較高時可以阻擋更多的紅外光降低室內溫度水性節能涂料可見–近紅外透射光譜
3.4水性節能涂料的性能
水性節能涂料對玻璃的附著力好具有很好的耐水性和耐堿性經1000h人工氣候老化性試驗漆膜基本無變化綜合性能優異可以用于玻璃表面的涂裝
4結論
將具有溫度效應的相變材料──鎢摻雜VO2──引入涂料中同時加入具有良好近紅外阻隔效果的ATO可以得到附著力好耐候性優異并具有自動調節紅外透過率的節能涂料這種涂層具有在室溫下對紅外熱反射進行控制的功能當溫度高于某一設定溫度如25°C時可有效阻止太陽光中的紅外線透過而當溫度低于設定溫度時可保證太陽光中的紅外線透過使之在炎熱的夏天能有效反射紅外線阻止室內升溫而在寒冷的冬天則有利于紅外線透過提高室內溫度該涂料具有安全無毒自調溫等優異特性可廣泛用于建筑玻璃和汽車玻璃的隔熱保溫既可以節約能源又可以大大改善人們的工作和生活環境具有廣闊的應用前景
