四院征文隔熱膜

高效節(jié)能隔熱窗膜的研究與開發(fā)王磊王蘭芳臧攀趙強(qiáng)國常州山由帝杉防護(hù)材料制造有限公司摘要高效節(jié)能隔熱窗膜使用近紅外吸收劑對陽光中主要熱量產(chǎn)生區(qū)——近紅外波段進(jìn)行吸收來達(dá)到高效節(jié)能隔熱的目的，而近紅外吸收劑具有很好的透明性和吸熱性，主要是（但是）有機(jī)金屬絡(luò)合物，其溶解性差，穩(wěn)定性較弱。另外，在復(fù)合材料體系中，有機(jī)物受溫度影響發(fā)生變化，有機(jī)物與有機(jī)物之間發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，從而使復(fù)合材料的耐候性受到影響。本項(xiàng)目主要通過研究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行溶劑體系及其配比的選擇；合適的膠黏劑的選擇；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；精密涂布工藝的確定等，成功地解決上述問題，開發(fā)出國內(nèi)第一個(gè)高效節(jié)能窗膜。關(guān)鍵詞近紅外吸收劑、涂布、聚酯薄膜、隔熱窗膜1前言我國玻璃窗膜用量僅次于美國躍居世界第二，但由于制造技術(shù)水平同先進(jìn)國家相比還有很大的差距，所以市場上所用窗膜基本上依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，每年需要花費(fèi)大量的外匯。用近紅外吸收劑作為隔熱窗膜的研究屬于最近兩年興起的技術(shù)，韓國和日本已有相關(guān)產(chǎn)品，但相關(guān)專利很少，中國未見將近紅外應(yīng)用在窗膜的廠家，同時(shí)國內(nèi)也未見生產(chǎn)高效節(jié)能窗膜的專利，本項(xiàng)目的成功實(shí)施，將緩解我國玻璃窗膜供應(yīng)不足和長期依賴從國外進(jìn)口的現(xiàn)狀，使我國玻璃窗膜產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。2實(shí)驗(yàn)部分2.1原理及研究方法根據(jù)現(xiàn)代窗膜使用紫外吸收劑對外界紫外進(jìn)行阻隔的原理，推論出用近紅外吸收劑對陽光中主要熱量產(chǎn)生區(qū)——近紅外波段進(jìn)行吸收來達(dá)到高效節(jié)能隔熱的目的。首先經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析尋找合適的近紅外吸收劑能達(dá)到阻隔近紅外線的效果，具體步驟如下：第一，對近紅外阻隔材料及技術(shù)研究分析，尋找可靠并且有效隔熱材料，通過研究，選擇近紅外吸收劑作為公司新的隔熱材料對近紅外線進(jìn)行阻隔；第二，收集關(guān)于近紅外吸收劑的材料，對其進(jìn)行分類，尋找分析對陽光中熱量主要產(chǎn)生的近紅外波段900-1000nm有強(qiáng)吸收及反射的材料，研究發(fā)現(xiàn)大共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬絡(luò)合物對850-1200nm的近紅外波段有強(qiáng)吸收及反射功能；第三，尋找到合適類型的材料后，在實(shí)驗(yàn)室研究選擇能應(yīng)于實(shí)際生產(chǎn)的材料，最終只確定其中一種材料進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。開展環(huán)保溶劑體系及膠粘結(jié)選擇的實(shí)驗(yàn)，確定溶劑體系配比及溶劑與膠粘劑的配比等各部分材料比例關(guān)系的研究；第四，實(shí)驗(yàn)室研究成功后進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃，進(jìn)行不同條件及不同規(guī)模的上機(jī)實(shí)驗(yàn)，對上機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行后續(xù)觀察研究，最終確定工藝及生產(chǎn)規(guī)模。2.2研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容：有機(jī)金屬近紅外吸收劑具有很好的透明性和吸熱性，但由于近紅外吸收劑屬于有機(jī)金屬絡(luò)合物，溶解性差，穩(wěn)定性較弱。另外，在復(fù)合材料體系中，有機(jī)物受溫度影響發(fā)生變化，有機(jī)物彼此之間發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，從而使復(fù)合材料的耐候性受到影響。本項(xiàng)目主要通過研究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；溶劑體系及其配比的選擇；合適的膠黏劑的選擇；精密涂布工藝的確定等。2.2.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究最終確定了高效節(jié)能隔熱窗膜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，產(chǎn)品是由抗刮耐磨層1、透明聚酯或聚乙烯塑料薄膜基材2、隔熱丙烯酸膠粘劑層3、阻隔紫外光透明聚酯或聚乙烯塑料薄膜基材4、阻隔紫外光丙烯酸膠粘劑層5和離型膜6構(gòu)成且復(fù)合為一體。圖12.2.2合適的、更環(huán)保的溶劑體系的研究無論是國內(nèi)還是國外，涂布使用的溶劑體系多數(shù)采用甲苯，毒性較大。本項(xiàng)目通過大量實(shí)驗(yàn)，最終確定隔熱層使用的溶劑體系，采用低毒類溶劑丁酮、乙酸乙酯、4-甲基-2-戊酮等，同時(shí)將揮發(fā)的溶劑導(dǎo)入RTO系統(tǒng)燃燒產(chǎn)生熱量進(jìn)行循環(huán)利用的清潔生產(chǎn)方式，更加環(huán)保和節(jié)能；另外，本項(xiàng)目使用的溶劑體系對近紅外吸收劑材料的溶解性能好，能有利于高效節(jié)能窗膜批產(chǎn)工藝問題的解決。2.2.3篩選適宜的近紅外節(jié)能填料，通過本公司自主研發(fā)的后處理和分散技術(shù)，制備透明高效節(jié)能復(fù)合膠粘劑近紅外吸收劑種類繁多，應(yīng)用在涂布行業(yè)上國內(nèi)外均不多見，同時(shí)怎樣將有機(jī)金屬近紅外吸收劑分散并且和膠粘劑均勻混合都是復(fù)雜的技術(shù)。本項(xiàng)目通過調(diào)研和試驗(yàn)，篩選適宜的近紅外吸收劑，并采用本公司自主研發(fā)的后處理和分散技術(shù)，最終制得可以應(yīng)用于批量生產(chǎn)的透明高效節(jié)能復(fù)合膠粘劑。2.2.4研制出膠粘劑和高效節(jié)能材料近紅外吸收劑的配比，使高效節(jié)能復(fù)合膠粘劑既具有良好的隔熱性能、粘結(jié)性能、耐候性能，又有極佳的使用適用期通過實(shí)驗(yàn)選擇出能應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中最合適的膠粘劑，并研制出膠粘劑和高效節(jié)能材料近紅外吸收劑的最佳配比，生產(chǎn)產(chǎn)品指標(biāo)合格同時(shí)耐候性好。3高效節(jié)能隔熱窗膜的制備第一，準(zhǔn)備厚度為19μm的透明聚酯塑料薄膜基材2；厚度為19μm的阻隔紫外光透明聚酯塑料薄膜基材4；厚度為23μm的離型膜6；第二，配制形成抗刮耐磨層1的混合物料，按聚氨酯：甲苯：丁酮的質(zhì)量比為5：3：7準(zhǔn)備上述各組分，在常溫下將上述組分混合均勻，即可保存?zhèn)溆?；第三，配制形成隔熱丙烯酸膠粘劑層3的混合物料，按隔熱物質(zhì)：丙烯酸膠粘劑：固化劑：紫外光吸收劑：染料：丁酮：乙酸乙酯：4-甲基-2-戊酮的質(zhì)量比為0.01：9.0：0.003：0.001：0.002：3：3：2準(zhǔn)備上述各組分，在環(huán)境溫度為18～28℃下，先將丁酮和隔熱物質(zhì)混合并攪拌10分鐘后，過濾，再加到裝有丙烯酸膠粘劑的配制槽內(nèi)，混合均勻并攪拌15分鐘后，加入固化劑再攪拌20分鐘后，測量粘度為110～180第四，配制形成阻隔紫外光丙烯酸膠粘劑層5的混合物料。按丙烯酸膠粘劑:固化劑：紫外光吸收劑：甲苯：丁酮的質(zhì)量比為4：0.003：0.003：1：2準(zhǔn)備上述各組分，在常溫下將上述組分混合均勻，即可保存?zhèn)溆谩?.2制備隔熱窗膜在透明聚酯或聚乙烯塑料薄膜基材2的一個(gè)表面上，涂覆形成隔熱丙烯酸膠粘劑層3的混合物料后，在溫度80～130℃，經(jīng)過10～120秒后固化，形成隔熱丙烯酸膠粘劑層3，接著將阻隔紫外光透明聚酯或聚乙烯塑料薄膜基材4復(fù)合在隔熱丙烯酸膠粘劑層3表面，然后在阻隔紫外光透明聚酯或聚乙烯塑料薄膜基材4的外表面上，涂覆形成阻隔紫外光丙烯酸膠粘劑層5的混合物料后，在溫度80～130℃，經(jīng)過10～120秒后固化，形成阻隔紫外線的丙烯酸膠粘劑層5，再將離型膜6復(fù)合在阻隔紫外光丙烯酸膠粘劑層5表面，最后在透明聚酯或聚乙烯塑料薄膜基材2的另一個(gè)表面上涂覆形成抗刮耐磨層1的混合物料后，在溫度80～130℃，經(jīng)過10～120秒后，再用紫外光照射，形成抗刮耐磨層1，從而制得各層復(fù)合為一體的隔熱窗膜；其中，抗刮耐磨層1的厚度為1～6μm；隔熱丙烯酸膠粘劑層3的厚度為6～18μm；阻隔紫外光丙烯酸膠粘劑層5的厚度為4～20μm，所述隔熱丙烯酸膠粘劑層3的厚度與阻隔紫外光丙烯酸膠粘劑層5的厚度相同，或者不同；在涂覆抗刮耐磨層1的混合物料、隔熱丙烯酸膠粘劑層3的混合物料和阻隔紫外光丙烯酸膠粘劑層5的混合物料時(shí)，采用逗點(diǎn)式涂布。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.1上機(jī)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)室完善的實(shí)驗(yàn)研究后，進(jìn)行了上機(jī)實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)，對產(chǎn)品進(jìn)行了評估，表1是實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品所達(dá)到的指標(biāo)。表1高效節(jié)能隔熱窗膜的生產(chǎn)產(chǎn)品指標(biāo)檢測項(xiàng)目檢測標(biāo)準(zhǔn)測試方法紫外線阻隔率99.99％360nm波長剝離強(qiáng)度1284g/inchGB/T2792紅外線阻隔率96％850～1050nm波長SR硬度3HASTMD3363透光率68％ASTMD1003由表1可知，產(chǎn)品的紅外線阻隔率很高，國際上在保證隔熱窗膜透光率為60％以上的條件下，廠家所生產(chǎn)的隔熱窗膜紅外阻隔率高于80％的產(chǎn)品就屬于高端產(chǎn)品，此實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品在國際上屬于高端先進(jìn)水平。4.2產(chǎn)品耐候性實(shí)驗(yàn)結(jié)果將使用UV膜實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品UV-IR7090與未使用UV膜實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品IR7090各分六份進(jìn)行耐候性實(shí)驗(yàn)，UV-IR7090樣品具體指標(biāo)如表2所示，IR7090樣品具體指標(biāo)如表3表2UV-IR7090樣品具體指標(biāo)產(chǎn)品名UV-IR7090樣品名G-1G-2C-1C-2M-1M-2VLT（％）686868686868UVCUT（％）99.999.999.999.999.999.9IRCUT（％）90.890.390.890.890.790.7表3IR7090樣品具體指標(biāo)產(chǎn)品名IR7090樣品名G-1G-2C-1C-2M-1M-2VLT（％）686868686868UVCUT（％）99.999.999.999.999.999.9IRCUT（％）90.890.690.890.590.690.6將所有樣品貼在透明玻璃上經(jīng)過2000h耐候性實(shí)驗(yàn)，使用UV-IR7090與IR7090樣品進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，目的是考察紫外線對隔熱層的影響，UV-IR7090耐候性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4，IR7090耐候性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5，UV-IR7090與IR7090樣品經(jīng)過耐候性實(shí)驗(yàn)IRCUT下降曲線如圖2所示。表4UV-IR7090耐候?qū)嶒?yàn)結(jié)果指標(biāo)產(chǎn)品名UV-IR7090樣品名G-1G-2C-1C-2M-1M-2VLT（％）656868686965UVCUT（％）99.999.799.999.799.999.7IRCUT（％）868787888786表5IR7090耐候?qū)嶒?yàn)結(jié)果指標(biāo)產(chǎn)品名IR7090樣品名G-1G-2C-1C-2M-1M-2VLT（％）696869686969UVCUT（％）46.746.746.746.746.746.7IRCUT（％）363837373636由表4與表5可知，UV-IR7090樣品的耐候性好，而IR7090樣品的耐候性很差，分析得出，用近紅外吸收劑作為隔熱窗膜的生產(chǎn)存在耐候性較差的缺點(diǎn)，但是經(jīng)過紫外線隔絕后可以消除此缺點(diǎn)。圖25結(jié)論（1）本項(xiàng)目通過研究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；溶劑體系及其配比的選擇；合適的膠黏劑的選擇；精密涂布工藝的確定等，成功地生產(chǎn)出高效節(jié)能隔熱窗膜，隔熱性能指標(biāo)達(dá)到國際高端先進(jìn)水平。（2）近紅外吸收劑在紫外線的照射下其吸收紅外波段的性能會大幅降低，所以在隔熱層表面要進(jìn)行紫外線的阻隔，本項(xiàng)目中采用紫外阻隔薄膜成功解決了近紅外吸收劑不耐老化的問題。（3）使用近紅外吸收劑作為高效節(jié)能隔熱窗膜的生產(chǎn)研究已經(jīng)成熟，生產(chǎn)工藝也較為完善，高效節(jié)能隔熱窗膜可以投入生產(chǎn)。參考文獻(xiàn)[1]程海峰，門金鳳，劉世利，陳朝輝.吸收型近紅外濾光片的制備[J].紅外技術(shù),2006，28(10)；591～593.[2]CherylE.Kennedy.Progresstodevelopanadvancedsolar-selectivecoating[J].BiennialCSPSolarPACESSymposium,2008,14;1～9.[3]Y.-H.Tak,K.-B.Kim,H.-G.Park,K.-H.Lee,J.-R.Lee,ThinSolidFilms2002,12,411.[4]J.Puetz,M.A.Aegerter,G.Guzman,J.SolGelSci.Technol.2004,125,32.[5]王燕，王樺，姚祖