納米—ATO—透明隔熱涂料的研制

1、納米二氧化錫ATO透明隔熱涂料的研制 2010/6/23/8:26來源：中國防腐網(wǎng)作者：劉成樓（北京虹霞正升涂料有限責(zé)任公司，北京102400）慧聰涂料網(wǎng)訊：摘要：以有機(jī)硅乳液改性丙烯酸樹脂為成膜物，以納米摻銻二氧化錫（ATO）粉體為顏填料，在助劑的配合下制備成水性納米透明隔熱涂料，將其涂刷在玻璃表面，形成一層透明隔熱涂膜，在滿足采光需要的同時(shí)，又使玻璃具有一定的隔熱功能。關(guān)鍵詞：納米摻銻二氧化錫（ATO）；玻璃；透明；隔熱；涂料中圖分類號(hào)：TQ637文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10079548（2010）020006041引言建筑節(jié)能，就是在保證居室溫度舒適的環(huán)境條件下，通過技術(shù)進(jìn)步、科學(xué)選材、

2、合理設(shè)計(jì)、性價(jià)比優(yōu)化等途徑，把居室建筑長期使用的采暖和降溫性的能耗降低。良好的建筑外保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可以確保建筑對(duì)能耗的需求減少50%以上，極大地降低了能源的總體消耗水平1。目前，我國對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要推行外墻外保溫和屋面保溫系統(tǒng)，且技術(shù)已經(jīng)成熟，而對(duì)改善門窗的保溫隔熱性技術(shù)還不夠成熟。從國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位的傳熱系數(shù)（K）規(guī)定中可以看出：墻體不大于2.00W（/m·2K）、屋頂不大于1.26W（/m·2K）、窗不大于6.40W（/m2·K），普通玻璃窗的傳熱系數(shù)是墻體的3.2倍，是屋頂?shù)?倍，因此，普通玻璃窗成為建筑保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，況且，為了提

3、高室內(nèi)的采光明亮度，現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的窗戶面積都較大。為了節(jié)能，科研人員進(jìn)行了廣泛的研究和探索，先后研制成金屬鍍膜隔熱玻璃、真空玻璃、貼膜玻璃、Low-E玻璃等節(jié)能產(chǎn)品，但是這些產(chǎn)品也存在一些問題，其在可見光區(qū)的不透明性和高反射率限制了它的應(yīng)用范圍2。透光率低、隔熱效果不佳、工藝條件控制復(fù)雜、且價(jià)格昂貴（普通玻璃貼熱反射膜成本為130160元/m）2，限制了其應(yīng)用推廣。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3。本研究以有機(jī)硅乳液改性丙烯酸樹脂為成膜物，以納米摻銻二氧化錫（ATO）為顏填料，在助劑的配合下，制備成水性納米透明隔熱涂料，將其涂刷在玻璃表面，形成一層透明隔熱薄膜，在滿足室內(nèi)

4、采光需要的同時(shí)，又使玻璃具有一定的隔熱功能。另外，還可以將其涂刷在聚碳酸酯等透明薄板、聚酯薄膜表面，制成透明隔熱板和透明隔熱貼膜等。2試驗(yàn)部分2.1主要原材料硅樹脂乳液BS43N，瓦克公司；純丙烯酸乳液SF-018，羅門哈斯；納米摻銻二氧化錫（ATO）粉體，江蘇河海納米科技；硅烷偶聯(lián)劑KH-570，南京曙光；乙醇、分散劑、潤濕劑、消泡劑、流平劑、增稠劑、殺菌劑、pH調(diào)節(jié)劑，東方明天。2.2主要儀器設(shè)備SFJ-400C砂磨、分散、攪拌多用機(jī)；超聲波發(fā)生器；帶回流裝置的三口瓶；電熱箱；線棒涂布器；BT-9300H激光粒徑儀；光譜分光光度計(jì)3101UV；自制隔熱效果測試裝置。2.3透明隔熱涂料的制備

5、工藝納米ATO粉體微粒的表面修飾：將納米ATO粉體于110烘箱中烘干24h，以消除吸附水分；取出放入干燥器中自然冷卻至室溫，稱取一定量的ATO粉和占ATO1.5%的硅烷偶聯(lián)劑，加入定量的95%乙醇中，經(jīng)超聲波分散40min后，移入80帶回流裝置的三口瓶中攪拌4h，于80下真空干燥。納米ATO漿料配制：在砂磨攪拌分散機(jī)中加入去離子水、分散劑、潤濕劑、增稠劑、攪拌均勻，加入經(jīng)過表面修飾的納米ATO粉體，高速分散砂磨68h，用BT-9300H激光粒徑儀測得粒徑分布在100130nm范圍內(nèi)即可，調(diào)pH為7.58.0，制得納米ATO含量14%的漿料。按m（BS43N）m（SF-018）=11的配比，加入

6、1%5%硅氧烷偶聯(lián)劑，攪拌混合均勻，制成硅樹脂改性丙烯酸乳液，作成膜物。按m（成膜物）m（ATO漿料）=31攪拌混合，然后加入消泡劑、流平劑、殺菌劑、pH調(diào)節(jié)劑，攪拌混合均勻，制備成透明隔熱涂料。2.4涂膜試樣的制作將制得的透明隔熱涂料，用30m、40m、50m線棒涂布器分別涂布于25.4mm×76.2mm×1.0mm規(guī)格的3塊載玻片上，分別標(biāo)記為1#、2#、3#；用上述線棒涂布器分別涂布150mm×150mm×3mm的3塊平板玻璃片上，分別標(biāo)記為1#、2#、3#，經(jīng)過室溫干燥或在80烘箱中干燥1h，制得不同厚度的透明隔熱涂膜試樣。前者做光譜性能測試，后

7、者做隔熱性能測試，同時(shí)取相同規(guī)格尺寸的平板玻璃片以同樣方法涂布復(fù)合基料樹脂作為對(duì)照備用。2.5主要性能檢測方法用BT-9300H激光粒度分布儀測量納米ATO漿料的粒徑分布。當(dāng)粒徑不大于130nm時(shí)，可認(rèn)為在可見光區(qū)域具有高的透光率，同時(shí)在紅外區(qū)域起到屏蔽作用3。用3101UV紫外-可見光-近紅外光光度計(jì)測量涂膜的可見光區(qū)及紅外光區(qū)的透過率。仿照南京工業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院制作的隔熱效果測試裝置，在同樣高度放置2個(gè)碘鎢燈作光源，將測試玻璃樣板和空白玻璃對(duì)照樣板放入2個(gè)相同的空心盒子上，并置于光源下。放置2支溫度計(jì)，分別測量盒子內(nèi)的空氣溫度和底板溫度，觀察溫度隨時(shí)間的變化。依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)納米AT

8、O透明隔熱涂料進(jìn)行基本性能測試。 3結(jié)果與討論3.1樹脂對(duì)透明隔熱涂料性能的影響樹脂是涂料中的主要成膜物質(zhì)，在透明隔熱涂料中起著將功能粒子與基質(zhì)聯(lián)結(jié)起來的作用，為功能粒子的載體。合成樹脂的折光指數(shù)一般為1.451.50，不同樹脂對(duì)涂料的太陽反射隔熱效果沒有太大影響。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)該選擇結(jié)構(gòu)中少含COC、CO、CH等吸熱基團(tuán)的樹脂，且涂膜透明度要高，表14所列是以TiO2為填料，幾種不同樹脂涂層對(duì)太陽光的吸收率（）。納米二氧化錫ATO透明隔熱涂料的研制其中有機(jī)硅-丙烯酸樹脂因主鏈中含有的COC吸熱基團(tuán)部分被有機(jī)硅樹脂主鏈中的SiO所替代，降低了對(duì)太陽熱的吸收，所以它的較低5。因此，本研究

9、選用有機(jī)硅樹脂乳液與丙烯酸乳液復(fù)合混拼為基料。硅樹脂乳液的主鏈SiOSi為無機(jī)結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈為CH3等有機(jī)基團(tuán)，其結(jié)構(gòu)中每4個(gè)氧原子就有1個(gè)有機(jī)基團(tuán)R取代，成為一種介于純無機(jī)和純有機(jī)物之間的中間體系，是一類典型的半無機(jī)半有機(jī)高分子三維交聯(lián)化合物。其中無機(jī)成分占80%，因此涂膜呈剛性，耐沖擊性欠佳，即使在高溫條件下涂膜也不變軟、不返黏，且耐沾污性、耐候性、透明性及附著力等優(yōu)異。聚有機(jī)硅氧烷，SiO鍵能高、內(nèi)旋轉(zhuǎn)能壘低，分子摩爾體積大、表面能小，導(dǎo)致其具有優(yōu)異的耐高低溫性、疏水性、電絕緣性、物理與化學(xué)惰性6-7。聚丙烯酸樹脂乳液的主鏈由CC鍵構(gòu)成，側(cè)鏈為羧酸酯基等極性基團(tuán)，這一結(jié)構(gòu)特征賦予其黏結(jié)力強(qiáng)、

10、抗沖擊性好、耐氧化、耐氣候老化和耐油等特點(diǎn)，但其耐污、耐水、透濕性較差，將上述2種乳液共混改性，可取得優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，揚(yáng)長避短的效果。但是，聚二甲基硅氧烷的溶度參數(shù)p為1.56×104（J/m）3，聚丙烯酸酯的p在（1.82.1）×104（J/m）3范圍，屬于典型的互不相容體系，將二者進(jìn)行簡單的物理共混易發(fā)生相分離。使用增溶劑可改善二者的相容性8。本研究采用偶聯(lián)劑改善二者的相容性。另外，純丙烯酸乳液SF-018具有低氣味、低VOC、不含甲醛和APEO、卓越的低溫耐擦洗性和耐污漬性，MFT為0，是一種無需成膜助劑而室溫下成膜的環(huán)保型乳液。在透明隔熱涂料配比中其它因素不變的條件下，只

11、改變BS43N與SF-018的復(fù)配比例，檢驗(yàn)其對(duì)涂膜性能的影響，結(jié)果見表2。納米二氧化錫ATO透明隔熱涂料的研制由表3可知，太陽光譜中的能量絕大部分分布在可見光區(qū)和近紅外區(qū)，其中近紅外區(qū)占了50%的能量。因?yàn)榧t外光對(duì)視覺效果沒有貢獻(xiàn)，如果能制備一種在不影響可見光透過率的前提下，對(duì)大部分紅外光能量進(jìn)行有效阻隔的涂料，將其涂刷在玻璃表面形成透明隔熱膜，則可使單層玻璃涂膜的K由原來的5.8W（/m·2K）降低到4.6W（/m·2K），使單膜夾層中空玻璃的K降至2.9W（/m·2K）。用3101UV光度儀測量載玻片涂膜試板1#、2#、3的可見光和紅外光的透光光譜，并與對(duì)照

12、玻璃樣板作為比較，結(jié)果見表4。由表4可知，隨著涂膜厚度的增加，涂膜在可見光區(qū)和近紅外區(qū)的透射率都呈下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著涂膜厚度的增加，單位面積中的納米ATO粒子含量增加，顏色由微藍(lán)-淡藍(lán)-淺藍(lán)過渡，減小了可見光和紅外光的透射率。由于納米ATO粉體具有優(yōu)良的光電性能，對(duì)太陽光譜具有理想的選擇性，在可見光區(qū)透過率高，對(duì)紅外光卻有很好的屏蔽性，因此涂膜厚度對(duì)可見光區(qū)透射率的影響并不顯著。涂膜在紅外光區(qū)的透射率很低，對(duì)紅外光能量的阻隔率較高，且隨涂膜厚度的增加，阻隔率呈上升趨勢(shì)。其機(jī)理是：在摻銻二氧化錫半導(dǎo)體（ATO）中，由于Sb5固溶到SnO2中，以及SnO2在高溫?zé)Y(jié)時(shí)形成的氧空位而產(chǎn)生自由載

13、流子9。當(dāng)光源照射在透明隔熱涂膜表面，熱輻射一部分被載流子吸收，另一部分由于入射光源低于等離子體振蕩固有頻率而被等離子反射，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，反射和吸收都起到了屏蔽紅外光的作用，即產(chǎn)生了良好的隔熱性。納米二氧化錫ATO透明隔熱涂料的研制由表5和表6可知，涂膜玻璃樣板和對(duì)照玻璃在碘鎢燈的照射下，隨時(shí)間的延長，測試裝置中的底板溫度和空氣溫度隨之上升，開始階段上升幅度較大，逐漸趨于平穩(wěn)，當(dāng)照射50min以后，底板和盒內(nèi)空氣溫度變化趨于平衡。與對(duì)照玻璃測試裝置的平衡溫度值相比，涂膜樣板測試裝置的底板平衡溫度1#降低10、2#降低12、3#降低16；盒內(nèi)空氣平衡溫度1#降低4、2#降低5、3#降低8。由此證明，納米ATO透明涂膜除具有優(yōu)良的可見光透光率以外，還有很好的阻隔熱輻射作用，隔熱效果優(yōu)良。4結(jié)語以m（硅樹脂乳液BS43N）m（純丙乳液SF-018）11的比例加入硅氧烷偶聯(lián)劑1%5%，混拼樹脂為成膜物，制備的納米ATO透明隔熱涂料，其涂膜對(duì)可見光的透射率達(dá)到81.5%85.0，對(duì)近紅外光的阻隔率達(dá)到62.5%65.0，涂膜的物理性能優(yōu)異，尤其是耐沾污性、耐候性、環(huán)保性甚佳。自制的納米ATO漿料，通過硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米ATO粒子的表面修飾，提高ATO粉體的分散性，在水和助劑的配合下，經(jīng)高速分散砂磨，制得ATO含量為14、粒徑分布在100