一種新型透明隔熱保溫涂料的制備與性能研究

一種新型透明隔熱保溫涂料的制備與性能研究

1空調(diào)負(fù)荷的影響隨著經(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。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(nèi)溫度和空調(diào)制冷能耗產(chǎn)生很大影響。特別是在夏季,透過玻璃窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽熱構(gòu)成了空調(diào)負(fù)荷的主要因素。通?？照{(diào)的設(shè)定溫度與負(fù)荷具有如下關(guān)系:設(shè)定的制冷溫度提高2℃,制冷電力負(fù)荷將減少約20%;設(shè)定的制熱溫度調(diào)低2℃,制熱電力負(fù)荷將減少約30%。為了節(jié)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(dá)到隔熱降溫的目的。但是,這些產(chǎn)品存在的在可見光區(qū)的不透明性和高反射率問題,限制了它們的應(yīng)用范圍。而且,有的產(chǎn)品隔熱效果不佳,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。這些因素均不利于產(chǎn)品向市場大面積推廣。新興材料的出現(xiàn),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2實驗2.1原材料水合硫酸氧釩(VOSO2.2采用二氧化鋁粉制備將22.5gVOSO2.3用于防水節(jié)能涂料的制備2.3.1氧化釩分散液的制備將摻鎢二氧化釩粉體、質(zhì)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(jī)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整理與研磨將ATO粉體、乙醇、分散劑和氧化鋯陶瓷珠置于砂磨機(jī)中,在3000r/min轉(zhuǎn)速下研磨36h,得到ATO漿料,粒徑在100nm左右。2.3.3水性節(jié)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(jī)上攪拌均勻,然后降低轉(zhuǎn)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(jié)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粒徑大小分布模型動態(tài)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?？梢姩C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℃。3結(jié)果與討論3.1氧化釩研磨體系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(tuán)聚現(xiàn)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(tài),很容易氧化,容易使涂料失去應(yīng)有的相變效果。曾嘗試將二氧化釩分散在水中進(jìn)行研磨,盡管獲得的平均粒徑達(dá)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(zhì)。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(zhì)的溫度;另一方面,醇類提供了研磨環(huán)境的惰性氛圍,使二氧化釩比較穩(wěn)定,對最終涂料的溫變效應(yīng)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(yīng)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(qū),當(dāng)溫度高于相轉(zhuǎn)變溫度時,紅外的透過率較低;而溫度低于相轉(zhuǎn)變溫度時,紅外的透過率上升。紅外光透過率可根據(jù)溫度的變化調(diào)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(qū)的阻隔效果并不理想,其主要作用是溫變效應(yīng)。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(jìn)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)。3.2ato涂層的篩選與表征由于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(shù)與涂料樹脂的折光指數(shù)相近,且呈藍(lán)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(dá)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(guān)鍵工藝。ATO研磨分散過程的關(guān)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(dá)到初步穩(wěn)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(wěn)定。一般潤濕劑、分散劑的質(zhì)量比為1∶9時比較合適,研磨后的粉體漿料比較穩(wěn)定。圖3是ATO的粒徑與研磨時間的關(guān)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(dá)到170nm后,粒徑下降很慢,需要花費大量的研磨時間才能達(dá)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(dá)30%以上,粒徑低于100nm的ATO水性漿料。圖4是最終的ATO水性漿料的粒徑分布曲線。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(jīng)10000r/min離心分離20min,漿料幾乎沒有沉淀;另外,60℃加速儲存30d,也不發(fā)生沉淀。因此,可以初步確定,該漿料的儲存期至少一年。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(qū)(380~780nm)具有很好的透過率,而在近紅外區(qū)(780~2500nm)的阻隔率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yōu)于一般汽車隔熱膜。3.3保證良好的可見光透過率和紅外阻隔率為了制備環(huán)境友好型水性節(jié)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(huán)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(huán)境溫度較高時,可以阻擋更多的紅外光,降低室內(nèi)溫度。水性節(jié)能涂料可見–近紅外透射光譜如圖6所示。根據(jù)圖6算出涂膜的可見光透過率、紫外透過率及近紅外光平均透過率,如表1所示