納米摻銻二氧化錫隔熱薄膜的制備及性能研究

雷亞玲， 曾和平， 房麗婷， 江 河， 黎長(zhǎng)城， 呂梅香

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣州 510006)

建筑能耗在能源消耗中占30%～40%[1]，引起人們的高度重視. 影響建筑能耗最直接的因素是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，目前，我國(guó)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(mén)窗的保溫隔熱性能技術(shù)還不夠成熟. 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)[2].Low-E 玻璃、真空玻璃、貼膜玻璃、吸熱玻璃和熱反射玻璃等節(jié)能玻璃以及熱反射玻璃薄膜相繼問(wèn)世，以增加對(duì)紅外線(xiàn)的反射和吸收，隔離輻射熱，從而達(dá)到隔熱降溫的目的. 其中，涂膜玻璃是在玻璃表面通過(guò)一定的工藝涂上一層透明隔熱涂料，在滿(mǎn)足室內(nèi)采光需要的同時(shí) (即有著較高的可見(jiàn)光透過(guò)率)，又使玻璃具有一定的隔熱功能[3]. 然而，對(duì)于建筑物的大面積窗口及透明頂棚、汽車(chē)窗口等大量使用玻璃的場(chǎng)合，隔熱問(wèn)題并沒(méi)有得到很好的解決. 在這些節(jié)能玻璃和玻璃膜中，大部分可見(jiàn)光透光率較低，隔熱性能不佳，并且價(jià)格太高，工藝太復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用范圍受到限制.

納米摻銻二氧化錫(Antimony doped Tin Oxide，簡(jiǎn)稱(chēng)ATO)粉體在近紅外區(qū)具有很強(qiáng)的反射率. 已有研究表明，用納米 ATO制成的薄膜不僅在可見(jiàn)光區(qū)具有良好的透過(guò)率，且具有較好的紅外屏蔽效果，因此納米ATO粉體是一種良好的納米添加劑[4-13]. 高建賓等[14]將納米 ATO 高速分散到單組分丙烯酸酯 PSA(壓敏膠)中，然后將其涂布在 PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)膜上制得涂層，結(jié)果表明，涂層能在保持70%可見(jiàn)光透過(guò)率的同時(shí)，具有較好的隔熱效果. 黎燕利等[15]合成了納米 ATO 水性漿料并作為唯一填料，WPU(水性聚氨酯)為主要成膜物質(zhì)，制備得到納米 ATO 涂料. 涂膜可見(jiàn)光區(qū)平均透過(guò)率高達(dá)71.3%，紅外光區(qū)平均屏蔽率達(dá)60.3%，透明隔熱性良好.

目前納米ATO透明隔熱玻璃主要缺點(diǎn)在于透明度與隔熱性不能同時(shí)滿(mǎn)足要求，透明度主要集中在70%左右，其透明度與復(fù)雜的工藝阻礙了其工業(yè)化. 有機(jī)硅丙乳液成膜性能好，相比PVB(聚乙烯醇縮丁醛)樹(shù)脂、EVA樹(shù)脂(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)其成膜操作工藝簡(jiǎn)單，隔熱性能好. 本研究選取有機(jī)硅丙乳液，以證實(shí)其與ATO漿料混合制備薄膜的可行性，透明度與隔熱性能否滿(mǎn)足要求，為其工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試劑及儀器

二水合氯化亞錫[SnCl2·2H2O,AR]；三氯化銻[SbCl3,AR]；無(wú)水乙醇(CH3CH2OH,AR)；聚丙烯酸鈉[PAAS,CP]；硅丙乳液均市售.

SX2-4-13 馬弗爐(上海雷韻實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司)；CQX25-06 超聲波清洗器(上海必能信超聲有限公司)；85-2 恒溫磁力加熱攪拌器(江蘇環(huán)宇科學(xué)儀器廠(chǎng))；電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱(上海索譜儀器有限公司)；線(xiàn)棒涂布器(上海島原精密儀器有限公司)；UV-1700 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本島津)；自制隔熱箱.

1.2 ATO透明隔熱薄膜的制備

1.2.1 納米ATO粉末的溶膠-凝膠法制備 稱(chēng)取一定量SnCl2·2H2O溶于無(wú)水乙醇中，利用磁力加熱攪拌器在76 ℃下回流攪拌2 h；然后稱(chēng)取一定量SbCl3溶于無(wú)水乙醇中，加熱攪拌使其溶解成均勻穩(wěn)定的體系；將SbCl3乙醇溶液滴加到SnCl2的乙醇溶液中，在80 ℃繼續(xù)回流攪拌4 h；在空氣中靜置24 h，即得到ATO溶膠[16-17]. 將所得溶膠在密封容器中攪拌加熱到70 ℃(保持70 ℃恒溫)后，敞開(kāi)容器，加速其蒸發(fā). 待溶劑蒸發(fā)完后，得到一種黃色粘稠物，即醇鹽顆粒，將其在800 ℃下煅燒 8 h，然后研磨產(chǎn)物，得到均勻細(xì)小的ATO粉體.

1.2.2 水性ATO漿料的制備 稱(chēng)取一定量聚丙烯酸鈉(PAAS)于圓底燒瓶中，加入去離子水，用機(jī)械攪拌分散30 min，控制轉(zhuǎn)速為1 200 r/min；稱(chēng)取一定量ATO加入圓底燒瓶中，繼續(xù)攪拌30 min，控制轉(zhuǎn)速為1 200 r/min；將0.2～0.3 mm的鋯珠先用74 μm的分子篩過(guò)篩，然后稱(chēng)取100～105 g過(guò)篩后的鋯珠于100 mL的聚氨酯罐中，將混合液轉(zhuǎn)移至聚氨酯罐中，用玻璃棒攪拌均勻，密封好放入球磨機(jī)中；每隔60 min轉(zhuǎn)向交替，速度控制在390 r/min，一次球磨4 h，總共球磨16 h；球磨結(jié)束后，將混合物用74 μm的分子篩過(guò)篩，濾出深藍(lán)色均一穩(wěn)定的漿料，密封備用.

1.2.3 ATO復(fù)合乳液及薄膜的制備 分別測(cè)定硅丙乳液的固含量與所制備的水性漿料的固含量，按水性漿料中ATO的質(zhì)量百分比為1%、2%、3%、5%、7% 配置成乳液與漿料的混合液. 將混合液使用50 μm的線(xiàn)棒涂布器于載玻片和230 mm×230 mm的普通玻璃上涂膜，室溫下自然晾干5 h，ATO質(zhì)量百分比為1%、2%、3%、5%的薄膜透明均一，而含ATO為7%的薄膜表面出現(xiàn)顆粒狀小點(diǎn)，表觀(guān)不符合要求，該涂料放置一段時(shí)間后，底部出現(xiàn)沉降，而其余含量均能穩(wěn)定存放3個(gè)月以上. 因此選擇ATO含量為1%、2%、3%、5%的薄膜進(jìn)行隔熱和透光性測(cè)試.

1.2.4 薄膜的隔熱、透光性能的測(cè)試 對(duì)載玻片表面ATO薄膜使用UV-1700紫外可見(jiàn)光譜儀進(jìn)行透明度的表征，對(duì)230 mm×230 mm玻璃表面ATO薄膜采用自制小型隔熱箱(圖1)進(jìn)行隔熱效果的測(cè)定. 光源采用與太陽(yáng)光光譜相近的150 W碘鎢燈，距樣板表面距離為400 mm，樣板采用5 mm厚的普通光學(xué)玻璃. 木箱內(nèi)側(cè)底部各放置一個(gè)涂有黑色無(wú)光漆的250 mm×250 mm×1 mm鐵板，鐵板下各放一個(gè)熱電偶測(cè)溫儀，并與之充分接觸. 測(cè)試時(shí)，將待測(cè)樣板涂層朝下放置，用測(cè)溫儀同時(shí)測(cè)定樣板和空白玻璃表面溫差的變化，以研究其隔熱性能[3].

圖1 隔熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)箱示意圖

Figure 1 Schematic diagram of the experimental box for the heat-insulating test

1-隔熱木箱；2-光源；3-空白玻璃；4-涂膜玻璃；
5,6-底板；7,8-熱電偶

2 結(jié)果與討論

對(duì)ATO含量為 1%、2%、3%、5%的透明薄膜的性能進(jìn)行研究，結(jié)果如下.

2.1 透明度的表征

圖2為空白玻璃和ATO含量為1%、2%、3%、5%的ATO薄膜在紫外可見(jiàn)區(qū)透過(guò)率變化曲線(xiàn).

圖2 ATO薄膜紫外可見(jiàn)吸收譜

ATO薄膜在可見(jiàn)區(qū)均具有較高的透過(guò)率. 在330 nm處，ATO 含量為1%與2%的薄膜其透過(guò)率僅為38.18%，而空白玻璃的透過(guò)率為68.59%，因此ATO薄膜具有較強(qiáng)的紫外屏蔽作用. 隨著ATO含量的增加，紫外透過(guò)率逐漸降低，屏蔽紫外作用逐漸增強(qiáng)，但可見(jiàn)透過(guò)率逐漸降低. ATO含量為1%的薄膜可見(jiàn)光區(qū)透過(guò)率最高達(dá)到86%，5%的薄膜可見(jiàn)光區(qū)最高透過(guò)率可達(dá)到80%. 由此可見(jiàn)，ATO薄膜具有較高的可見(jiàn)光區(qū)透過(guò)率和較強(qiáng)的屏蔽紫外的作用.

2.2 隔熱性能表征

圖3為ATO薄膜的隔熱性能測(cè)試結(jié)果. 所選空白為單純用乳液所涂的玻璃. ATO薄膜熱阻隔性明顯提高，表1列出了不同ATO含量薄膜最終穩(wěn)定的隔熱溫度，隨著ATO含量的增加，薄膜的隔熱性能逐漸增強(qiáng). ATO含量為1%時(shí)，隔熱僅為4 ℃，而ATO含量為5%時(shí)，隔熱達(dá)到了10 ℃. ATO薄膜的隔熱效果明顯增強(qiáng)且性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的熱阻隔能力.

圖3 不同ATO質(zhì)量百分含量薄膜的隔熱性能

ATO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%隔熱溫度/℃142638510

2.3 薄膜基本性能

選定表觀(guān)符合要求、隔熱性和透光性均好、ATO含量為5%的樣品，根據(jù)涂料行業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基本性能的測(cè)試(表2)，樣品不僅隔熱效果好，透光率高， 而且具有良好的綜合性能.

表2 納米ATO透明隔熱薄膜綜合性能Table 2 Properties of ATO insulation films

3 結(jié)論

以有機(jī)硅丙乳液為成膜物，以ATO水性漿料為填料，制備了納米ATO隔熱薄膜.研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ATO質(zhì)量百分比為5%時(shí)，涂層的表觀(guān)、透明度、隔熱性能良好，并且耐水性、耐熱性、表干時(shí)間等綜合性能均符合要求. 該透明隔熱涂料在可見(jiàn)光區(qū)最高可達(dá)到80%以上， 平均透過(guò)率75%以上，滿(mǎn)足了隔熱玻璃對(duì)透明的要求，并且隔熱測(cè)試表明透明薄膜具有明顯的隔熱效果， 在碘鎢燈照射下透明隔熱玻璃和空白玻璃之間的溫差達(dá)到10 ℃.

較強(qiáng)的隔熱性能與良好的透明度的結(jié)合，顯示出了其在建筑隔熱玻璃，汽車(chē)擋風(fēng)玻璃等方面的潛在的應(yīng)用前景.

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