纳米透明隔热涂料的特性与应用

BMA004 · 发表于 2008-11-21 21:47:33

姚晨1,赵石林1,缪国元2 (1.南京工业大学材料学院,南京210009;2.江苏晨光涂料有限公司,江苏常州213154) 摘要:论述了纳米透明隔热涂料的隔热原理,指出了其隔热作用不仅与纳米半导体合金粉体本身的物理结构有关,而且还与粉体的粒径有关。简述了纳米透明隔热涂料的特点和涂料制备方法。对所制备的纳米透明隔热涂料进行了表征,表明其具有良好的隔热作用和高的可见光透过率,起到很好的节能效果,具有极高的应用价值和广阔的市场前景。
关键词:纳米复合涂料;透明隔热;半导体合金材料;隔热原理;应用
0引言
随着国民经济和现代科学技术的发展,节能和环保受到了人们越来越多的关注。普通玻璃虽然透明性好,但是对红外线的隔绝不够,给许多需要隔绝热辐射的场合带来巨大的能量损失。为节约能源,人们采取了使用金属镀膜热反射玻璃和各种热反射贴膜等产品,用以反射部分太阳光中的能量,从而达到隔热降温的目的。但是这些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,市场急需一种性价比高的透明隔热涂料来解决这一关键问题。本文制备了纳米透明隔热涂料,对其特性进行了测定,并用这种涂料采用简单的涂敷工艺制备了单层隔热玻璃和中空隔热玻璃,获得了满意的结果。
1纳米透明隔热涂料的隔热原理
1.1宏观特性
太阳辐射的能量主要集中在波长为0.2～2.5μm的范围内,具体能量分布如下:紫外区为0.2～0.4μm,占总能量的5%;可见光区为0.4～0.72μm,占总能量的45%;近红外区为0.72～2.5μm,占总能量的50%。
由此可见,太阳光谱中的能量绝大部分分布在可见光和近红外区,其中近红外区就占了一半的能量。红外光对视觉效果没有贡献,若将这一部分能量进行有效阻隔,可以起到很好的隔热效果而不影响玻璃的透明性。因此,需要制备一种能有效屏蔽红外光又能使可见光透过的物质。
纳米半导体合金粉体对太阳光谱具有理想的选择性,在可见光区透过率高,而对红外光却具有很好的屏蔽性能,将这种纳米半导体合金粉体分散后加入到树脂溶液中,可获得纳米透明隔热涂料,该涂料可在玻璃表面形成透明隔热膜。
1.2隔热效果与物理结构的关系
1.2.1半导体合金结构与隔热效果的关系
涂膜对热辐射的阻隔作用是吸收和反射共同作用的结果。当光源照射到样板玻璃表面,热辐射一部分被载流子吸收,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。也就是说,由于自由载离子及等离子体的存在,半导体对入射光呈现出吸收和反射的作用。由于半导体固体在本身性质上的差异,会出现吸收和反射所占比例上的差别。当半导体内含有一定浓度的电子(空穴)时,就会引起自由载流子对入射光的吸收,吸收系数α可以式(1)计算[2]:

式中:N—介质折射率;ε0—真空电容率;m*—电子(空穴)有效质量;μ—导磁率;λ—入射光波长;n—电子(空穴)的浓度。对于某一特定的半导体以及特定的环境而言,N、ε0、m*、μ均为定值,由此可见,吸收与入射光的波长的平方以及载流子的浓度成正比。经验表明,当电子空穴浓度n≥1017cm-3时,主要的吸收区在红外波段。另一方面,由于存在自由载流子,会激发起与气体等离子体相类似的、由自由载流子集体运动引起的等离子体振动,某些物质有固有的等离子频率ωp,用式(2)表示:

式中:n—传导电子密度;e—电子的电荷;ε—介电常数;m—电子的有效质量。
又有,光垂直入射时,固体的反射系数用式(3)表述:

式中:R—固体的反射系数;N—固体的折射率;K—固体的消光系数。
当入射光频率ω小于等离子体振动频率ωP时,折射率N=0,消光系数K≠0,由式(3)可得R=1,因而对入射光呈强反射。而当入射光频率大于等离子体振动频率ωP时,半导体则对入射光呈现前述的载流子吸收。由于大多数纳米半导体粒子的ωp处于红外波段[3],因而可以认为,对入射光所产生的热量的阻隔,等离子体反射发挥一定的作用。
综上所述,反射和吸收都起到了屏蔽红外光的作用,即产生了良好的隔热效果。因此只要通过掺杂制出具有半导体性质的合金,就有可能制备出对红外光有屏蔽作用的涂料。
1.2.2纳米半导体合金粉体的粒径控制
材料颗粒的尺寸大小与性能有着显著的关系。通过控制纳米半导体合金粉体微粒的微晶粒径和比表面积[4],有可能控制式(2)中传导电子密度n和介电常数ε,或有可能把该纳米半导体合金粉体的微粒具有的等离子频率ωP设定在所期望的范围。
设纳米半导体合金粉体粒径为r、密度为ρ时,纳米半导体合金粉体一定质量m的总遮断面积A可用(4)式表示:

从式(4)可以看出,一般粒径r越小,比表面积越大,总遮断面积A越大。但粒径太小时,粒子的电子密度的变化等会使其对阳光屏蔽功能降低。因此,对阳光屏蔽功能来讲,粒径r即比表面积应有最佳范围。必须制备具有合适范围的粒径和比表面积的纳米半导体合金粉体微粒,才能保证在可见光区具有高的透过率,同时在接近可见光区的近红外区呈现强的等离子吸收。

综上所述,隔热效果一方面与半导体合金本身的物理结构有关;另一方面,与其粉体微粒的粒径有关。因此,只有纳米级的半导体合金粉体才能很好的解决隔热问题。例如,控制半导体合金组成在9∶1,粒径≤130nm时,可认为在可见光区域具有高的透过率,同时在红外区域起到屏蔽作用。按上述原理制备的纳米半导体合金材料就具备高可见光透过性和良好的红外屏蔽性。
2纳米透明隔热涂料的制备
开发了纳米半导体合金材料,用独特的纳米粉体分散方法,制备出纳米浆,再用环保型高性能树脂与纳米浆混合,制备出纳米透明隔热涂料并对其性能进行表征。研究路线如图1所示。

图1纳米透明隔热涂料制备路线图
3纳米透明隔热涂料的表征
3.1光学性能的表征
采用UV3101PC型紫外-可见光-近红外分光光度计测定涂料的光学性能如表1。
表1纳米透明隔热涂料的光学性能

表1结果表明,纳米透明隔热涂料的可见光透过率为86.2%,红外屏蔽率为61.3%,不仅透明性好,而且能有效地隔绝太阳热辐射。
3.2隔热效果的表征
用自制的隔热测试装置测定纳米透明隔热涂料隔热效果。
在2个箱体上分别放置空白玻璃和纳米透明隔热玻璃,用同样的光源照射2个箱体,分别测试底板和箱体内温度,画出温度随时间的变化曲线,如图2所示。

图2纳米透明隔热玻璃隔热效果测试结果
图2中显示空白玻璃和纳米透明隔热玻璃之间的升温速度差异很明显,开始时二者温度呈线性增加,随着时间的增加温度逐渐接近平衡,到达60min时二者底板温差达到19℃,空气温差达到8℃,这说明纳米透明隔热涂料具有明显的隔热效果。
隔热指数可用式(5)计算:

式中:ρ—隔热指数或称反射率;t1—空白玻璃下黑色底板温度;t4—隔热玻璃下黑色底板温度;t0—室温。
当室温t0为11℃时,测试时间为50min,温度达到平衡,此时t1为63℃,t4为44℃,根据上式求得的纳米透明隔热涂料的隔热指数(反射率)为57.6%。
3.3涂膜基本性能
按照相关国家标准对涂料的基本性质进行测试,结果如表2。
表2纳米透明隔热涂料基本性能检验结果

结果表明,该纳米透明隔热涂料具有优良的综合物理性能,硬度高,附着力好,耐热性、耐水性等都达到了国家标准的规定,实际隔热效果可降低5～10℃。
4纳米透明隔热涂料的应用
将纳米透明隔热涂料涂覆于玻璃的表面,一次性制成纳米隔热玻璃,包括纳米单层隔热玻璃和纳米中空隔热玻璃。测其光学性质,并与LOW-E玻璃进行比较,如表3。
表3纳米透明隔热玻璃与LOW-E玻璃的光学性质比较

将测定的纳米透明隔热玻璃、单层空白玻璃、LOW-E玻璃的光学透过率进行了比较,如图3。
从表3,图3中可以看出,空白玻璃在可见光区和近红外区的透过率近似于一条直线,对可见光和近红外波段都具有很高的透射性。高透型LOW-E玻璃对可见光的透过率为86%,而遮阳型LOW-E玻璃对可见光的透过率只有63%。单层LOW-E玻璃的平均遮蔽系数为0.79。本文制备的涂覆有纳米透明隔热涂料的纳米透明隔热玻璃在可见光区的透过率可达81%,遮蔽系数为0.79,隔热性能与LOW-E玻璃相当,但纳米透明隔热玻璃工艺简便易行,生产成本低,具有优异的性能价格比。

光学透过率

点击此处查看全部新闻图片

图3单层空白玻璃、纳米透明隔热玻璃、LOW-E玻璃的光学透过率
5纳米透明隔热涂料的应用前景
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,具有很好的节能效果,可应用于多种领域:(1)应用于汽车、火车、飞机的风挡玻璃,建筑物玻璃等,起到了很好的隔热降温作用,且无反射光污染;(2)涂覆于玻璃上制成纳米透明隔热玻璃,包括单层玻璃、中空玻璃以及夹层玻璃。透明隔热玻璃高透光率特点使其适用于不分地域的高通透性外观设计的建筑,使建筑物透明,且具有很好的隔热效果;(3)涂覆于聚碳酸酯等透明树脂上制成纳米透明隔热板材,应用场合非常广泛,如可以做成汽车站顶上的透明隔热板等;(4)涂覆于聚酯薄膜,制成透明隔热贴膜,可应用于建筑及汽车窗玻璃。
中国的玻璃年产量约13440000m2,约82%～84%用于建筑装饰,也就是说,约需求11020000m2的隔热玻璃用于建筑装饰中。全国现有建筑玻璃量为1490000000m2,若有30%的家庭和公共建筑玻璃采用纳米透明隔热涂料进行隔热处理,则需要50000t纳米透明隔热涂料,其涂料产值将达300亿。
6结语
(1)纳米半导体合金的组成、结构及粒径均对隔热性能产生重要影响;(2)用纳米半导体合金粉体制成纳米浆,与自制的环保型高性能树脂混合可制成纳米透明隔热涂料;(3)纳米透明隔热涂料不仅具有优良的综合物理性能,而且有良好的太阳光谱选择性,在可见光区的透过率为78%,红外阻隔率为61%;(4)纳米透明隔热涂料生产工艺简单且成本较低,可制成纳米透明隔热玻璃、隔热板材、隔热膜等,具有广阔的应用前景。