建筑玻璃節(jié)能涂料的研制＊

陳何國，張冠琦，侯甫文

（1．廣州市白云化工實(shí)業(yè)有限公司，廣東 廣州 510540；2．廣東白云國際科學(xué)研究院，廣東 廣州 510540）

建筑玻璃節(jié)能涂料的研制＊

陳何國1，2，張冠琦1，侯甫文1

（1．廣州市白云化工實(shí)業(yè)有限公司，廣東 廣州 510540；2．廣東白云國際科學(xué)研究院，廣東 廣州 510540）

將納米ATO分散體加入到水性聚氨酯樹脂中，通過一定的工藝制備了建筑玻璃節(jié)能涂料．該涂料對玻璃附著力好，在玻璃表面固化形成的透明薄膜，對可見光透過率高，近紅外光透過率顯著降低，表現(xiàn)出較好的隔熱節(jié)能效果，經(jīng)模擬環(huán)境下測試，可使室內(nèi)溫度降低5～7℃．

低碳；建筑節(jié)能；玻璃涂料

以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟(jì)是一種正在興起的經(jīng)濟(jì)形態(tài)和發(fā)展模式，是人類社會繼農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明之后的又一次重大進(jìn)步，它的推行有望逐步緩解和全面解決當(dāng)今社會發(fā)展過程中遇到的資源枯竭、環(huán)境污染、氣候惡化等系列問題．低碳經(jīng)濟(jì)的實(shí)質(zhì)是能源高效利用、清潔能源開發(fā)、追求綠色GDP的問題，其核心是能源技術(shù)和減排技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和制度創(chuàng)新以及人類生存發(fā)展觀念的根本性轉(zhuǎn)變．低碳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)體系包括火電減排、建筑節(jié)能、工業(yè)節(jié)能、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、資源回收、環(huán)保設(shè)備和節(jié)能材料使用等．

建筑節(jié)能是低碳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要組成部分．據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有建筑400億m2，95%以上屬于高能耗建筑，每年新建建筑20億m2，80%以上屬于高能耗建筑．2007年我國建筑總能耗已占社會總能耗的27．8%，并有逐年上升的趨勢，因此發(fā)展低碳建筑節(jié)能新材料和推廣建筑節(jié)能新技術(shù)已刻不容緩．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(hù)結(jié)構(gòu)面積的30%，其能量耗散約占建筑總能耗的2／3，是產(chǎn)生建筑采暖和制冷能耗最主要的原因，是低碳節(jié)能建筑的瓶頸．建筑玻璃節(jié)能涂料［1－3］是一種近年發(fā)展起來的能實(shí)現(xiàn)近紅外光良好阻隔的同時還能保持較高的可見光透過率的透明玻璃節(jié)能涂料，因?yàn)榄h(huán)境友好、隔熱效果佳、制備工藝簡單、成本廉價等優(yōu)點(diǎn)，逐漸引起了人們的重視，有望在很多領(lǐng)域取代玻璃貼膜、鍍膜玻璃、低輻射玻璃等，在建筑玻璃和汽車玻璃等領(lǐng)域的節(jié)能應(yīng)用前景十分廣闊［4］．

本文以環(huán)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(jīng)特殊工藝制得建筑玻璃節(jié)能涂料．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實(shí)現(xiàn)較好的隔熱節(jié)能效果．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要試劑

水性聚氨酯乳液購自德國拜爾公司，納米ATO分散體（自制），分散劑、消泡劑、增稠劑、流平劑等購自贏創(chuàng)德固賽和廣州市華夏助劑化工有限公司，去離子水、乙醇等為市售產(chǎn)品．

1．2 儀器和設(shè)備

SFJ－400型高速分散機(jī)（上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司）；JY92－2D型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（寧波新芝生物科技股份有限公司）；BGD506型鉛筆硬度計（廣州標(biāo)格達(dá)實(shí)驗(yàn)室儀器用品有限公司）；QFZ－Ⅱ型漆膜附著力試驗(yàn)儀（天津市材料試驗(yàn)機(jī)廠）；UV－3150型紫外－可見光－近紅外光度計（日本島津儀器有限公司）．

1．3 建筑玻璃節(jié)能涂料的制備

1．3．1 納米ATO分散體的制備

ATO粉體按文獻(xiàn)［5］的方法合成，粒徑范圍為5～20 nm左右．將納米ATO粉體、去離子水、分散劑、潤濕劑、增稠劑、氧化鋯珠等一起加入砂磨機(jī)中，中高速研磨約20 h，調(diào)p H值至8．0左右，制得固含量約為18%的納米ATO分散體．

1．3．2 建筑玻璃涂料的制備

將納米ATO分散體、水性聚氨酯樹脂、去離子水、分散劑、潤濕劑、增稠劑、消泡劑及流平劑等按一定比例加入，混合物先在中速條件下分散2～3 h，攪拌均勻，再接著超聲0．5～1．0 h，即可制得建筑玻璃節(jié)能涂料．通過調(diào)節(jié)納米ATO分散體的含量，得到一組具有不同隔熱效果的建筑玻璃節(jié)能涂料，樣品標(biāo)號為1～6．在涂料1～6中納米ATO分散體的含量分別為15%，20%，25%，30%，35%和40%．涂料的固含量控制在30%左右．

1．4 涂膜試樣的制備

制備的建筑玻璃節(jié)能涂料，樣品標(biāo)號為1～6，用特定厚度的濕膜涂布器分別涂覆在浮法玻璃表面，單面涂覆．涂覆后試樣在室溫下自然干燥．

1．5 建筑玻璃節(jié)能涂料的性能檢測

依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，對涂膜玻璃進(jìn)行涂膜附著力、硬度、耐堿性、耐水性、耐溫變性、耐老化性以及有毒有害物質(zhì)等方面的測試．

玻璃涂膜固化后，在不同位置截取3小塊15 mm×40 mm涂膜玻璃樣品，并用島津UV－3150型紫外－可見光－近紅外光度計測量涂膜玻璃200～2500 nm的光學(xué)透過率，按GB／T 268－1994標(biāo)準(zhǔn)測試并計算涂膜玻璃的可見光透過率以及遮蔽系數(shù)，結(jié)果取平均值．

按文獻(xiàn)［6］自制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，光源正下方放置一只空心箱，箱體內(nèi)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(fēng)扇攪動空氣，使空氣溫度在很短的時間內(nèi)達(dá)到平衡．測試時左右兩隔室上端口分別放置一塊經(jīng)建筑玻璃節(jié)能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．

圖1 隔熱效果模擬演示裝置簡圖

2 結(jié)果及討論

2．1 基本性能

依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，委托專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)測試了建筑玻璃節(jié)能涂層的一些基本性能，測試結(jié)果列于表1．從表中可以看出，所制備的建筑玻璃節(jié)能涂料干燥快，對玻璃底材的附著力高，并且耐水性、耐堿性、耐溫變性等性能均比較優(yōu)異，綜合性能好，完全能夠滿足作為玻璃表面涂層使用和維護(hù)的各項要求．涂膜經(jīng)240 h人工紫外老化試驗(yàn)后，漆膜表面基本無任何變化，沒有出現(xiàn)起泡、脫落、粉化等現(xiàn)象，預(yù)計涂料能夠達(dá)到在自然條件下長期使用的要求．另外涂料的主要成分皆為環(huán)保產(chǎn)品，檢測結(jié)果表明制備的建筑玻璃節(jié)能涂料中基本不含或在允許的范圍內(nèi)含有微量有毒有害物質(zhì)，對環(huán)境十分友好，不會造成污染．

2．2 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(guān)系，制備了一組不同納米ATO分散體含量的建筑玻璃節(jié)能涂料，并測定相應(yīng)涂膜試樣在200～2500 nm區(qū)間內(nèi)的可見光透過率和光譜透過曲線．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．圖3為隨納米ATO分散體含量變化的隔熱涂膜玻璃試樣的可見光透過率及遮

表1 建筑玻璃節(jié)能涂料的主要性能

蔽系數(shù)（濕膜厚度為100μm），．從圖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近紅外光區(qū)（780～2500 nm）的透過率明顯降低，其中4號～6號試樣的近紅外光區(qū)阻隔率可達(dá)60%以上，而可見光透過率降低相對不大，在表現(xiàn)出較好近紅外光區(qū)阻隔效果的同時還能保持相對較高的可見光透過率．從圖3可以看到，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(shù)也相應(yīng)隨之下降．ATO分散體含量為40%的6號試樣的隔熱效果要比4號、5號好很多，遮蔽系數(shù)降到0．70，但同時可見光透過率也相應(yīng)地降低至67%，會對建筑采光造成一定影響，因此ATO分散體的含量不能太高．從成本、可見光透過率及遮蔽系數(shù)等綜合考慮，30%的ATO分散體含量是比較適宜的．

2．3 涂膜厚度對隔熱效果的影響

建筑玻璃節(jié)能涂料外觀略顯藍(lán)色，在玻璃表面涂覆固化后會形成一層淺藍(lán)色的膜層，它的厚度對影響涂層的光學(xué)性能和隔熱效果．因?yàn)楦赡さ暮穸群茈y控制，采用控制建筑玻璃節(jié)能涂料的固含量和濕膜厚度，來實(shí)現(xiàn)控制涂層厚度的目的．圖4為5個不同厚度涂膜玻璃試樣的透過光譜曲線．圖5為納米ATO分散體含量為30%的隔熱涂膜玻璃試樣的光學(xué)性能隨涂膜厚度變化曲線．從圖4和圖5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(yīng)增強(qiáng)，同時可見光透過率和遮蔽系數(shù)基本呈直線下降趨勢．當(dāng)濕膜厚度超過100μm以后，樣品的可見光透過率已降至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．建筑玻璃節(jié)能涂料的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是，在阻隔太陽光中近紅外光區(qū)能量的同時還能保持較高的可見光透過率．但如果使用后會大幅犧牲采光性能，而通過增加采光能耗的方式來達(dá)到降低制冷和采暖能耗的目的，這有違節(jié)能降耗的意義．因此，建筑玻璃節(jié)能涂料應(yīng)用時較佳的濕膜厚度為100μm．

圖2 不同ATO分散體含量的涂膜玻璃試樣的透過光譜

圖3 涂膜玻璃試樣的光學(xué)性能

圖4 不同涂膜厚度的隔熱涂膜玻璃的透過光譜

圖5 不同涂膜厚度隔熱涂膜玻璃的光學(xué)性能

2．4 隔熱效果模擬

為了檢測所制備的建筑玻璃節(jié)能涂料的隔熱效果，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(cè)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4號樣品，涂膜厚度為100μm，涂膜面背對光源），另一側(cè)放置相同參數(shù)的5mm普通浮法玻璃作為參照．以12 h作為一個測試周期，每隔10 min記錄兩隔室的空氣溫度．

圖6為涂膜玻璃和空白玻璃的隔熱效果對比曲線，橫坐標(biāo)表示照射時間，縱坐標(biāo)表示兩隔室的空氣溫度．從圖中可以看到測試剛開始1h內(nèi)，兩隔室的空氣溫度迅速增加，1 h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(cè)．當(dāng)照射時間達(dá)到0．5 h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(dāng)照射時間為12 h時，空氣溫差為7．1℃．雖然在實(shí)際情況下，太陽光輻射強(qiáng)度、玻璃朝向、風(fēng)速、建筑環(huán)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(yàn)還是證明了建筑玻璃節(jié)能涂料具有明顯的隔熱效果．

圖6 涂膜玻璃和空白玻璃隔熱效果對比模擬

3 結(jié) 論

以納米ATO分散體和水性聚氨酯為主要原料制備的建筑玻璃節(jié)能涂料，涂覆在玻璃表面能形成一層透明隔熱涂層．經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(huán)境下，涂膜玻璃能使室內(nèi)空氣溫度下降5～7℃，展現(xiàn)出較好的隔熱效果．

建筑玻璃節(jié)能涂料展現(xiàn)出的環(huán)境友好、工藝簡單、成本低廉及可見光透過率高、隔熱性能好等特點(diǎn)，在建筑玻璃和汽車玻璃的隔熱保溫和環(huán)保節(jié)能等領(lǐng)域擁有十分廣闊的應(yīng)用前景．它的發(fā)展應(yīng)用，將會有助于國家低碳建筑節(jié)能和減排目標(biāo)的落實(shí)，對構(gòu)筑低碳生活和低碳發(fā)展模式意義重大，影響深遠(yuǎn)．

［1］姚晨，趙石林，繆國元．納米透明隔熱涂料的特性與應(yīng)用［J］．涂料工業(yè)，2007，37（1）：29－32．

［2］何秋星，涂偉萍，胡劍青．透明隔熱納米涂料的研究進(jìn)展［J］．化工新型材料，2005，33（12）：8－12．

［3］張冠琦，陳何國，侯甫文．水性透明隔熱涂料的制備與研究［J］．門窗，2009，29：43－46．

［4］陳何國，張冠琦，黃凱，等．建筑玻璃節(jié)能技術(shù)［J］．門窗，2009，29（5）：47－53．

［5］李歷歷，段學(xué)臣．非均相成核法制備ATO納米粉體及其性 能 ［J］．稀 有 金 屬 材 料 與 工 程，2006，35（3）：441－446．

［6］趙石林，繆國元，顧琪龍，等．透明材料隔熱性能檢測裝置及其檢測方法：中國，CN101029880A ［P］．2007－09－05．

Preparation of energy－saving coatings for building glass

CHEN He－guo1，2，ZHANG Guan－qi1，HOU Fu－wen1
（1．Guangzhou Baiyun Chemical Industry Co．Ltd．，Guangzhou 510540，China；2．Guangdong Baiyun International Academy of Science，Guangzhou 510540，China）

Energy－saving coatings for building glass was successfully prepared from waterborne polyurethane and nano－antimony tin oxide（ATO）dispersion．While this functional coatings covering the surface of window glass，a transparent and high adhesive film formed and exhibited excellent heat insulation property without the reduction of visible light transmittance．Using the energy－saving coating，the indoor room temperature decreased 5～7℃in simulation test．

low carbon；energy－saving of building；coatings for glass

TQ630．7

A

1673－9981（2010）04－0486－05

2010－10－20

廣東省財政挖潛改造資金技術(shù)創(chuàng)新項目（2008778111）；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目（2009B090300094）

陳何國（1981—），男，浙江臨海人，碩士，工程師．