透明隔熱涂料的研究進展

1、透明隔熱涂料的研究進展摘要：透明隔熱涂料因其節(jié)能和良好的視覺效果而日益受到研究者和相關產業(yè)界重視,本文綜述了透明隔熱涂料的發(fā)展現狀、隔熱原理、應用背景和幾種主要的隔熱粒子，并總結了下一步發(fā)展過程中應注意的問題。1. 引言當今世界經濟高速發(fā)展，能源日趨緊張，以我國為例，目前我國是煤炭消耗第一大國，石油消耗第二大國，近年來電荒、油荒、氣荒等頻頻出現在我們的日常生活中，能源問題不容忽視。能源安全已成為本世紀我國一個十分緊迫和現實的問題。現在世界常規(guī)油氣資源發(fā)現的高峰期已過（石油探明率已達80%，天然氣達60%），在21世紀不論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，最終都會面臨空前的能源危機。面對即將到來的能源危

2、機，我國必須采取開源節(jié)流的戰(zhàn)略，即一方面節(jié)約能源，另一方面開發(fā)新能源。在節(jié)能方面我國有巨大的潛力，我國單位產品能耗高，單位GDP產值能耗高，我國主要用能產品的單位產品能耗比發(fā)達國家高25%90%。節(jié)約能源是保證我國在能源領域保持強國地位的重要手段之一。根據太陽光譜能量分析,太陽能絕大部分處于可見光和近紅外區(qū),即0.722.5m范圍。在該波長范圍內，反射率越高，涂層的隔熱效果就越好。因此可制得高反射率的涂層，反射太陽熱，以達到隔熱的目的。透明隔熱涂料是一種能將太陽光中的熱量由涂料表面反射回去，留住可見光，從而生產出隔熱透明作用的納米透明隔熱涂料。透明隔熱涂料可見光透過率高，近紅外阻隔率高，能夠有

3、效隔絕太陽熱輻射，具有很好的節(jié)能效果，可應用于多種領域：(1) 汽車、火車、飛機的風擋玻璃，建筑物玻璃等，起到了很好的隔熱降溫作用，且無反射光污染；(2) 涂覆于玻璃制成納米透明隔熱玻璃，包括單層玻璃、中空玻璃以及夾層玻璃。透明隔熱玻璃高透光率特點使其適用于不分地域的高通透性外觀設計的建筑，使建筑物透明，且具有很好的隔熱效果；(3)涂覆于聚碳酸酯等透明樹脂上制成納米透明隔熱板材，應用場合非常廣泛，如可以做成汽車站頂上的透明隔熱板等；(4)涂覆于聚酯薄膜，制成透明隔熱貼膜，可應用于建筑及汽車窗玻璃。2. 透明隔熱涂料的原料透明隔熱涂料的基本組成可以大致歸為以下三類：無機納米粒子：如ATO，ITO

4、，ZnO，Fe2O3， AZO，TiO2。樹脂類；主要是水性聚氨酯樹脂，水性聚酯樹脂，水性環(huán)氧樹脂，水性醇酸樹脂，丙烯酸樹脂等。助劑類：分散劑，潤濕劑，消泡劑，pH調節(jié)劑，殺菌防霉助劑，成膜助劑，增稠劑。其中無機納米粒子是隔熱涂料中最重要的組成部分，選擇合適的無機納米粒子至關重要，這類隔熱粒子主要是透明導電氧化物TCO材料，如ATO，ITO，AZO和GZO等具有透明導電，反射近紅外線的作用。下面我們介紹一下常用的隔熱粒子的性能：2.1 ATO（銻摻雜氧化錫）與ITO（錫摻雜氧化銦）純SnO2理論上屬典型絕緣體，但由于存在晶格氧缺位，在禁帶內形成Ed0.15eV的施主能級，向導帶提供101510

5、18cm-3濃度的電子，故SnO2具有n型半導體性質。5價元素如Sb,As或F元素摻雜均能形成淺施主能級，摻雜1.0%（質量百分數）時，電阻率可達10-110-4Wcm，所以摻雜SnO2屬透明、導電n型半導體材料，導電性質介于傳統(tǒng)半導體（如Si,Ge,GaAs）和金屬之間。ATO是一種具有優(yōu)異導電性能的金屬氧化物復合粉體，可作透明導電膜材料，其制備和應用研究目前在國內外都相當廣泛，國外所用的抗靜電膜主要是在涂層材料中加入ATO粉。ITO材料是目前研究和應用最廣泛的透明導電膜，它既可以阻擋黑體輻射的熱量傳遞，也可以阻隔太陽輻射中紅外部分的熱量傳遞。它對可見光及太陽輻射的透過率很高，而對紅外輻射則

6、具有很高的阻隔率。它可用于制造透明的保溫窗，還可用做太陽能收集器。ITO薄膜有復雜的立方鐵錳礦結構，最低電阻率接近10-5 Wcm量級，可見光范圍內平均光透過率在90%以上，其優(yōu)良光電性質使之成為具有實用價值的TCO薄膜。圖1是兩種隔熱粒子的光學性能比較。從圖2知，在可見光區(qū)400800 nm，ITO的透光率最高達85%以上，而和ATO只有75%，ITO的透光率要優(yōu)于ATO，在8002000 nm近紅外區(qū)，ITO透光率要明顯低于ATO, 從隔熱涂料應用的角度來看，ITO的功效要優(yōu)于ATO，但ITO材料制備成本偏高，可見光區(qū)的透過也不算太高。雖然ATO和ITO對近紅外波段有很好的阻隔，但在可見光

7、波段透過率較低，如何提高ATO和ITO的可見光透過率并進一步降低紅外的透過率是研究的重點。圖1. ATO和ITO隔熱粒子的光學性能比較2.2AZO（鋁摻雜氧化鋅）優(yōu)質的氧化鋅薄膜具有c軸擇優(yōu)取向六方纖鋅礦結構。鋁摻雜的ZnO透明導電膜(Al:ZnO，簡稱AZO)在可見光區(qū)內具有高透射率和低電阻率，其光學帶隙可由鋁摻雜的比例進行控制，可以方便地調控材料的光電性能，并且具有紫外截止特性，可見光區(qū)有較高的透射率(80%)，近中紅外區(qū)有高度反射率(60%)，以及對微波具有較強的衰減性等，其優(yōu)良的光電特性使其在太陽能電池、液晶顯示器、熱反射鏡等領域得到廣泛應用。圖2是AZO隔熱粒子的光學性能圖。從下面兩

8、圖知，AZO在可見光區(qū)的透光率很高，接近90%，然而在8501550 nm區(qū)間，其反射率低于50%，故其對紅外區(qū)的隔熱效應還不理想。圖2. AZO隔熱粒子的光學性能圖2.3Fe2O3的光學性質 圖3是Fe2O3的光學性質圖。由（a）圖可知Fe2O3對200 nm到380 nm范圍內的紫外光具有很強的吸收能力(透光率小)，而在 380 nm 到 800 nm的可見光范圍,具有較高的透光率(85%以上)，即在可見光范圍內具有良好的透明性?？偨Y上面兩圖可知，納米在紫外區(qū)有較強的吸收能力，在可見光區(qū)有好的透射率，但其在近紅外波段有很高的透過率，達90%以上，從隔熱涂料的應用角度來講不理想。ab圖3.

9、Fe2O3的光學性質圖，(a) Fe2O3 的光透過率；(b) 納米Fe2O3粉末的紅外吸(5005000 nm)收光譜2/TiN/TiO2，并研究了光學性能，發(fā)現當TiN與TiO2中間加有2 nm厚的Ti時，膜層具有更好的隔熱性能。Jesus Chavez-Galan介紹了基于鐵的太陽能濾片，可以用于玻璃上提高室內舒適度，濾片含有FeO and Fe2O3。Ileana Pop采用化學沉積法在玻璃表面制得了PbS膜層，當膜層厚度為21-62 nm時，可以用作太陽能控制薄膜。還有一些方法是加入吸收顏料或染料來吸收太陽光，如Tuquabo Tesfamichael研究了FeMnCuOx顏料具有較

10、高的近紅外反射率。雖然，廣大科研工作者研究了很多種不同的用于隔熱的材料，但目前應用最廣泛的仍然是ATO（銻摻雜氧化錫）與ITO（錫摻雜氧化銦）。3. 透明隔熱涂料的制備方法透明隔熱涂料的制備方法有很多種，歸結起來主要有共混法、原位聚合法、插層法及溶膠-凝膠法等四種：(1) 共混法，最常見的制備納米涂料的方法之一。通常的方法是將制備好的納米粒子直接與高分子樹脂通過機械攪拌作用相混合，或者先把無機納米粒子用超分散劑分散好,然后再與高分子樹脂相混合。(2) 原位聚合法，該法通常是把納米粒子先分散在單體中，在一定的條件下引發(fā)有機單體聚合，得到有機高分子-無機納米復合材料。(3) 插層法，一種制備有機-

11、無機納米復合材料的方法。通過高分子單體或聚合物溶液進入無機納米層間，制得復合納米涂料，這種方法只適用于像蒙脫土那樣的層狀無機材料。該法具有工藝簡單、原料來源豐富、價廉，其關鍵是對片層物插層的處理。由于納米粒子的片層結構在復合材料中高度有序，因而有很好的阻隔性和各向異性,制備的納米涂料的穩(wěn)定性較好。(4) 溶膠-凝膠法，一般以烷氧基有機硅烷和金屬烷氧基化合物為原料，在催化劑的作用下，水解縮聚成透明的膠體分散液，并可添加顏料、填料等助劑，涂覆后可在較低溫度下固化成膜，其主要反應過程可分為混合過程、凝膠化過程、陳化過程、干燥過程。由于無機納米隔熱粒子尺寸小、表面自由能高,粒子間極易凝聚成團，因此不管

12、用哪一種方法，隔熱粒子的均勻分散與穩(wěn)定是成功制得透明隔熱涂料的關鍵。4. 透明隔熱涂料存在的問題與展望綜合文獻透明隔熱涂料主要存在以下幾個方面的問題：（1）考慮隔熱性能，生產的工藝以及生產成本等要點，對于無機納米粒子的選材需進一步的研究。各種納米粒子的性能“此長彼短”加快對各種無機納米粒子的系統(tǒng)研究，結合不同粒子的混合，不同元素的摻雜來提高納米隔熱粒子的性能，以期達到“紫外吸收高，可見透過高，紅外反射高”的較理想狀態(tài)。（2） 納米材料的不穩(wěn)定性一直是此項技術的難題，由于納米粒子粒徑較小，有很大的表面能，易發(fā)生團聚，如何分散好納米粒子成為納米透明隔熱涂料應用的一個重要難題。納米粒子在不同溶液中的

13、有效分散是其發(fā)揮作用的前提，也是納米粒子應用研究的重點。傳統(tǒng)的采用機械分散法，超聲波分散法，化學分散法等對納米粒子進行分散時會受到不同體系的限制，納米粒子出現再團聚的現象。因此，對納米粒子的表面改性和不同分散方法的同時進行以期達到預期效果。（3）硬度低，不耐久，由于現有技術水平的限制，很多涂料目前所使用的樹脂硬度不足，市面上可以見到的透明隔熱涂料幾乎都存在著涂膜硬度低、容易刮傷的缺陷。時間久了就使得涂膜極易被刮花，而刮花的涂膜反過來嚴重影響窗戶的景觀效果。嘗試在不改變隔熱和采光效果的基礎上，改變樹脂的成分，選擇合適的增稠劑是下一步研究的要點。（4）由于納米材料具有與傳統(tǒng)材料不同的光、熱、磁等性

14、能,材料的相容性及其副作用都有待研究。在這方面要加大科研投入，建立納米隔熱粒子的數據庫，同時建立一套適應性強的納米涂料的配漆平臺研究材料的相容性、副作用及環(huán)保方面的影響，這對加快納米涂料的工業(yè)化生產具有重要的意義。參考文獻：1 蔡昭軍. 太陽熱阻隔熱涂層及其研究進展J，涂料技術與文摘，2006, 5：1-4.2 李寧. 建筑玻璃隔熱涂料研究，華南理工大學博士論文，2010.3 曹延鑫，冀志江，王靜. 隔熱涂料研究進展與發(fā)展方向J，特別關注，2009：34-35.4 黃俊濤. 建筑環(huán)保節(jié)能涂料及玻璃透明隔熱涂料的研制J,中國建材，2011，1：20-23.5 徐金枝，王大期. 透明隔熱玻璃涂料的現狀及發(fā)展J，綠色建筑，2010，6：53-54.6 洪曉.摻雜SnO2納米導電氧化物在透明隔熱涂料中的應用及前景J，知識窗，2007,22(10) ：57-58.7 常天海，黃光周，于繼榮，等. 汽車前擋風玻璃用ITO薄膜的隔熱及節(jié)能實驗研究J，真空，2002，3：18-22.8 葛春橋,薛亦渝,夏志林.AZO透明導