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水性透明隔熱涂料的制備與研究,本文以水性聚氨酯樹脂為成膜物,以自制的納米ATO分散體為功能性填料
2019年12月30日    閱讀量:1321    新聞來源:中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站  |  投稿

1·前言


隨著經濟的快速發展,建筑能耗占社會總能耗的比例已達27.8%并逐年升高,對社會造成了沉重的能源負擔和嚴重的環境污染。據統計,中國每年新建建筑面積近20億平方米,其中80%以上為高能耗建筑,既有建筑近400億m2,95%以上為高能耗建筑[1],建筑的環保節能化迫在眉睫。


門窗(尤其是玻璃)是建筑能量損失的最薄弱部位,面積約占建筑外維護結構面積的30%,其能量耗散約占建筑總能耗的2/3,是建筑采暖和制冷能耗最主要的原因,是建筑節能的重要研究對象涂料在線coatingol.com。為了節約能源,科研人員進行了廣泛的探索和研究,先后研制出低輻射鍍膜玻璃[2]、陽光控制鍍膜玻璃、玻璃貼膜、吸熱玻璃、中空玻璃[3]、真空玻璃[4]等玻璃節能產品,但這些產品往往因可見光區透過率低、工藝條件復雜、價格昂貴等原因,限制了其推廣應用。透明隔熱涂料[5-9]是最近發展起來的一種能實現近紅外光良好阻隔,同時又能保持較高的可見光透過率的玻璃節能涂料。


因為環境友好、隔熱效果佳、制備工藝簡單、成本廉價等因素,為玻璃隔熱問題的解決提供了新的方向,在建筑玻璃和汽車玻璃等領域的節能應用前景廣闊。


本文以環保水性聚氨酯為成膜物,自制納米ATO分散體為功能性填料,加入一些必要的流平劑、消泡劑、分散劑、增稠劑等助劑,經特殊工藝制得透明隔熱涂料。將其涂覆在玻璃表面后,能夠形成一層透明隔熱涂膜,使玻璃在滿足采光需求的同時又具備較好的隔熱效果。


2·實驗部分


2.1主要試劑


———水性聚氨酯購自拜爾化工;


———納米ATO分散體(自制);


———分散劑、消泡劑、流平劑、增稠劑等購自廣州市華夏助劑化工有限公司;


———其余去離子水、乙醇等皆為市售產品。


2.2儀器和設備


———SFJ-400高速分散機:上海現代環境工程技術有限公司;


———JY92-2D超聲波細胞粉碎機:寧波新芝生物科技股份有限公司;


———BGD506鉛筆硬度計:廣州標格達實驗室儀器用品有限公司;


———QFZ-Ⅱ型漆膜附著力試驗儀:天津市材料試驗機廠;


———UV-3150紫外-可見光-近紅外光度計:日本島津儀器有限公司。


2.3水性透明隔熱涂料的制備


2.3.1納米ATO分散體的制備


參考李歷歷[10]的方法合成ATO粉體,粒徑范圍為5nm~15nm左右。在高速分散機中加入ATO粉體,并加入去離子水、分散劑、潤濕劑、增稠劑等,高速分散約20h,調pH值到8.0,制得固含量約為18%的納米ATO分散體。


2.3.2透明隔熱涂料的制備按表1所示比例加入水性聚氨酯樹脂,去離子水、分散劑、潤濕劑、增稠劑、消泡劑、流平劑等以及上述制備的納米ATO分散體,先在中速條件下分散2h~3h,再接著超聲0.5h~1.0h,可得不同隔熱參數的透明隔熱涂料。


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2.4涂膜試樣的制作

制備的透明隔熱涂料A~F,用特定厚度的濕膜涂布器分別涂覆在150mm×100mm×5mm的浮法玻璃表面,單面涂覆。涂覆后試樣在室溫條件下自然干燥。

2.5透明隔熱涂料的測試

2.5.1物理性能

依據相關國家標準,對透明隔熱涂膜玻璃進行涂膜附著力、硬度、耐酸堿性、耐水性、耐溫變性、耐老化性等方面的測試。

2.5.2光學性能

用島津UV-3150紫外-可見光-近紅外光度計測量涂膜玻璃200nm~2500nm的光學透過率,按GB/T268—1994標準測試并計算涂膜玻璃的可見光透過率以及遮蔽系數。

2.5.3隔熱效果

按文獻[11]自制了一個隔熱效果模擬演示裝置(如圖1),在同一高度放置2個完全相同的250W紅外燈作為光源,正下方放置一只空心箱,箱體內部裝有隔熱泡沫板,箱體中間隔開分成兩個一樣大小的隔室,隔室里各裝有一個風扇攪動空氣,使空氣溫度在很短的時間內達到平衡。測試時左右兩隔室上端口各放一塊經透明隔熱涂料處理后的涂膜玻璃及空白對照玻璃。每個隔室里各接1個熱電偶,記錄隔室里空氣溫度隨時間的變化。

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3·結果與討論


3.1物理性能

依據相關國家標準,我們測試了透明隔熱涂層的一些基本性能,測試結果列于表2中。從表中可以看出,所制備的透明隔熱涂料對玻璃底材的附著力比較好,并具有良好的耐水性、耐酸堿性、耐老化性、耐溫變性等,各項性能優異,完全能夠滿足作為玻璃表面涂層使用和維護的各項要求。

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表2 透明隔熱涂料的主要物理性能

3.2納米ATO分散體含量對隔熱效果的影響

納米氧化錫銻(ATO)在涂料中主要起隔熱作用,它的含量決定涂料的隔熱性能和隔熱效果。為了弄清納米ATO分散體的含量與涂膜玻璃試樣隔熱效果的關系,我們制備了一組不同納米ATO分散體含量的透明隔熱涂料,并測定相應涂膜試樣在200nm~2500nm區間內的可見光透過率和光譜透過曲線。


表3列了不同納米ATO分散體含量的隔熱涂膜玻璃試樣的可見光透過率及遮蔽系數(濕膜厚度為100μm),圖2為不同納米ATO分散體含量隔熱涂膜玻璃的透過光譜曲線。從表3和圖2中可以看到與參照的空白玻璃試樣相比,隔熱涂膜玻璃試樣在表現出較好近紅外光區阻隔效果的同時還能保持相對較高的可見光透過率,能夠滿足采光的要求。


隨著ATO分散體含量的增加,隔熱涂膜玻璃試樣的可見光透過率和遮蔽系數也相應隨之下降。ATO分散體含量為40%的F試樣的隔熱效果要比D、E好很多,遮蔽系數降到0.70,但可見光透過率也相應地降低至67.0%。從成本、可見光透過率及遮蔽系數等綜合考慮,30%的ATO分散體含量是比較適宜的。


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圖2 不同ATO分散體含量的隔熱涂膜玻璃試樣的透過光譜

3.3涂膜厚度對隔熱效果的影響

透明隔熱涂料外觀略顯藍色,在玻璃表面施涂后會形成一層淺藍色的膜層,它的厚度直接影響涂層的光學性能和隔熱效果。因為干膜的厚度很難控制,我們采用控制透明隔熱涂料的固含量和濕膜厚度來實現控制涂層厚度的目的。


表4列的是納米ATO分散體含量為30%的隔熱涂料在5mm浮法玻璃表面50μm~200μm厚度涂膜玻璃試樣的光學性能,圖3是5個不同厚度涂膜玻璃試樣的光譜曲線。


從表4和圖3中可以看到隨著濕膜厚度的增加,試樣對近紅外光的阻隔性能也相應增強,同時可見光透過率和遮蔽系數呈下降趨勢;當濕膜厚度超過100μm以后,可見光透過率和遮蔽系數的下降趨勢更為顯著,樣品的可見光透過率降至70%以下,特別是200μm試樣的可見光透過率降至48.9%,這將會對建筑的采光造成極大的影響。透明隔熱涂料的主要技術優點是在阻隔太陽光中近紅外光區能量的同時還能保持較高的可見光透過率。


但200μm試樣使用后會大幅犧牲采光性能,通過增加采光能耗的方式來達到降低制冷和采暖能耗的目的,這有違節能降耗的意義。因此,透明隔熱涂料應用時較佳的濕膜厚度為100μm。


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圖3 不同涂膜厚度的隔熱涂膜玻璃的透過光譜

3.4隔熱效果模擬

為了檢測所制備的透明隔熱涂料的隔熱效果,我們自制了一套模擬測試裝置。測試光源選用光譜曲線和太陽光類似的250W紅外燈,測試時左側的隔室上方放置涂膜玻璃試樣(本文選用納米ATO分散體含量為30%的D樣品,涂膜厚度為100μm,涂膜面背對光源),另一側放置相同參數的5mm普通浮法玻璃作為參照。以12h作為一個測試周期,每隔10min記錄兩隔室的空氣溫度。

圖4為涂膜玻璃和空白玻璃的隔熱效果對比曲線,橫坐標為照射時間,縱坐標為兩隔室的空氣溫度。

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圖4 涂膜玻璃和空白玻璃隔熱效果對比模擬

從圖中可以看到測試剛開始1h內,兩隔室的空氣溫度迅速增加,1h后呈緩慢升高的趨勢;并且在整個測試過程中,裝有涂膜玻璃的隔室空氣溫度始終低于空白玻璃那側。當照射時間達到0.5h時,兩隔室的空氣溫差約為5℃,隨著照射時間的增加,空氣溫差緩慢增大;


當照射時間為12h時,空氣溫差為7.1℃。雖然在實際情況下,太陽光輻射強度、玻璃朝向、風速、建筑環境等條件會影響涂膜的隔熱效果,但這組隔熱效果對比模擬試驗還是證明了透明隔熱涂料具有明顯的隔熱效果。


4·結論

以自制的納米ATO分散體和水性聚氨酯為主要成分制備的透明隔熱涂料,涂覆在玻璃表面能形成一層透明隔熱涂層。經實驗驗證,納米ATO分散體的含量和涂膜厚度會影響涂層的隔熱效果,30%的納米ATO分散體含量和100μm濕膜厚度條件下,涂膜玻璃的綜合性能較好。


在模擬環境下,涂膜玻璃能使室內空氣溫度下降5℃~7℃,表現出較為明顯的隔熱效果。水性透明隔熱涂料所具有的高可見光透過率、高紅外阻隔性能,以及環保、低成本等優勢,在建筑玻璃和汽車玻璃的隔熱保溫和環保節能方面擁有十分廣闊的應用前景,必將給人類生活帶來極大的改善。






水性透明隔熱涂料的制備與研究

 張冠琦 陳何國 侯甫文


廣州市白云化工實業有限公司


廣東白云國際科學研究院


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