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        納米ATO透明隔熱有機硅塗料的研製,以有機硅為成膜劑,乙醇為溶劑,加入納米氧化銻錫( ATO) 漿料
        2020年01月13日    閱讀量:1968    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

        在能源危機的背景下,節能環保成為人們關注的焦點。隨著經濟的高速發展,中國已經成為世界第二大能源消費國,並且有可能在三到五年內超越美國成為世界最大能源消費國。


        因此,節能環保對我國經濟的可持續性發展是至關重要的中國建材網cnprofit.com。現代建築為了美觀越來越多地採用玻璃牆幕,玻璃雖然美觀、透光率高、視野好,但其對來自太陽光的紅外線的阻隔不夠,增加了空調的使用率,造成巨大的能源浪費。


        在這樣的背景下,納米透明隔熱塗料已經成為節能環保塗料的新寵,其使用領域非常廣泛,如住宅、寫字樓、酒店、學校、汽車等既要求隔熱保溫阻隔紫外線,又對透光性及對視線有特別要求的地方尤其適用,節能潛力巨大[1 - 2]。


        納米透明隔熱塗料是一種在可見光區具有透明性的隔熱塗料,它利用材料中納米粉體對可見光良好的透過率及對紅外光區極高的反射率來達到透明、隔熱效果[3 - 8]。


        摻銻二氧化錫( ATO) 就常用於透明隔熱塗料的製備中,其具有很高的紫外紅外屏蔽效果,並在可見光區具有良好的透過率[9 - 10]。納米隔熱透明塗料的研究在日本和美國比較深入,而我國這方面的研究和實際應用起步較晚,但近年來越來越受到重視。


        本研究採用ATO 粉體,製成穩定的且分散良好的ATO 乙醇溶液,用有機硅樹脂作為成膜物,製備了透明隔熱塗料。這種方法簡單易行,也比較方便應用於工業生產。而且乙醇作為一種環保型的有機溶劑,也符合綠色塗料的要求。本研究首先研究了納米ATO 的用量對塗料透明度和隔熱性能的影響,在保證透明度和隔熱效果的同時,對有機硅樹脂的配比做了進一步的探討,使製得的塗料具有優良的綜合性能。

         

        1 實驗部分

        1. 1 原料

        甲基三甲氧基硅烷( MTMOS) 、正硅酸乙酯( TEOS) 、硅烷偶聯劑( KH - 560) : 台湾海曲化工有限公司; 納米ATO 粉體:台湾河海納米科技股份有限公司; 無水乙醇、冰乙酸: 台湾康達化工有限公司。

        1. 2 實驗儀器

        線棒塗布器: 台湾現代環境工程研究所; 紫外- 可見光-近紅外分光光度計: 島津3101UV,日本島津公司; 磨耗儀( JM- V 型) : 台湾現代環境工程研究所; 攜帶型鉛筆硬度計: 台湾六凌儀器廠; 隔熱性能測試箱: 自製; 激光粒度測定儀( 型號LZ230) : 美國貝克曼庫爾特公司。

        1. 3 納米ATO 乙醇溶液的製備

        將納米ATO 粉體在烘箱中烘乾48 h,取出放入乾燥器中,自然冷卻至室溫; 稱取定量的ATO 粉,加入硅烷偶聯劑( ATO質量的2%) ,加入定量的無水乙醇; 超聲波分散30 min 后,移入三口瓶中,磁力攪拌, 70 ℃下迴流6 h; 然後將其加入砂磨攪拌分散機中,高速分散砂磨8 h,調pH 為7. 0 ~ 7. 5。製得納米ATO 含量30%的乙醇漿料,其粒徑分佈見圖1。

        納米ATO透明隔熱有機硅塗料的研製,以有機硅為成膜劑,乙醇為溶劑,加入納米氧化銻錫( ATO) 漿料 中國建材網,cnprofit.com

        圖1 ATO 的粒徑分佈

        由圖1 可見,自製的ATO 乙醇漿料中,ATO 的粒徑絕大部分在60 ~ 80 nm 範圍內,達到了納米級的要求。

        1. 4 透明隔熱塗料的製備

        將20 mL 一定配比的MTMOS 和TEOS 混合,加入78 mL無水乙醇作為溶劑,將2 mL 的冰乙酸通過恆壓漏斗緩慢滴加至體系中,體系始終保持攪拌,溫度控制在30 ~ 40 ℃ 之間。攪拌4 h 后,按一定比例稱量納米ATO 乙醇溶液,緩慢滴加到三口燒瓶中,充分攪拌,20 min 后停止攪拌,得到有機硅透明隔熱塗料樣品。樣品編號和物料配比見表1,其中0# 為不含ATO 的對比樣。

        表1 樣品編號和物料配比

        納米ATO透明隔熱有機硅塗料的研製,以有機硅為成膜劑,乙醇為溶劑,加入納米氧化銻錫( ATO) 漿料 中國建材網,cnprofit.com

        注: ( 1) —ATO 含量為相對於有機硅樹脂的質量分數。

        1. 5 塗料性能的表徵

        1. 5. 1 樣品製備

        選用石英玻璃作為基材,用線棒塗布器將上述製得的塗料塗覆於處理過的石英玻璃基材表面,室溫下待溶劑揮發後放入烘箱,在一定溫度下固化成膜。

        1. 5. 2 光學性能

        透光性的測試採用島津3101UV 紫外- 可見光- 近紅外分光光度計測量塗層的紫外光區、可見光區及紅外光區光的透過率。波段選擇200 ~ 1 500 nm,比較不同ATO 含量和原料配比對透光率的影響。

        1. 5. 3 隔熱效果

        隔熱性測試採用自製的隔熱裝置,以250 W 硬質防爆紅外輻射燈作為熱光源,如圖2。光源距樣板表面20 cm,底板為塗有黑色無光漆的鐵板。在光源照射下,分別記錄對照玻璃和塗膜樣板玻璃的盒內底板及空氣隨時間升溫變化數據,並計算溫差。

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        1—照明光源; 2—泡沫保溫層; 3—擋板; 4—水銀溫度計; 5—貼片式熱電偶; 6—鐵片( 上表面塗有黑色無光漆) ; 7—塗有塗料的玻璃片; 8—泡沫保溫隔層

        圖2 隔熱效果測試裝置



        2 結果與討論

        2. 1 透明塗料的光學性能

        透明隔熱塗料的目標就是製得在可見光區具有高的透過率、在紅外光區具有高的反射率的塗層,從而在保證足夠透明性的前提下最大限度地隔絕由紅外線帶入的熱量,以達到隔熱的目的。圖3 是不含ATO 的0#塗層和含不同量ATO 的1#、2#、3#、4#和5#樣品塗層在波長200 ~ 1 500 nm的透射光譜。

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        由圖3 可看出,不加ATO 時,由於底板為可完全透過紫外線的石英玻璃,因此有機硅塗層的透射光譜在整個光波長範圍內近於一條水平直線,透過率在90% 之上,說明不加ATO的有機硅樹脂塗層基本不具有對紅外和紫外的阻隔功能。


        而不同納米ATO 含量的塗料所製得塗層的透射光譜與之有明顯不同。在紫外光區( 約200 ~ 400 nm) 的透過率大幅度降低,隨著波長的增大透過率逐漸上升,在可見光區( 400 ~ 800 nm) 達到最大值且呈現一平台的形狀,隨後的紅外光區( > 800 nm)透過率又逐漸降低。


        可見塗層對紫外線和紅外線都具有明顯的阻隔功能,而在可見光區的透過率則較高。尤其是1#、2# 和3#塗層,在可見光區的透過率均達到80% 左右,透光性能非常優越。


        此外,隨ATO 含量的增加,塗層在可見光波段的透過率逐漸下降,5#塗層雖然在紫外光區和紅外光區的透過率都極低,有良好的隔絕紫外線和紅外線的效果,但在可見光區的透過率也降低到了65%,遠不如1# ~ 4#塗層。圖4 是不同樣品玻璃透明性的照片,可以看到,除5# 樣品稍顯模糊外,其餘各樣品的透明性都非常好。

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        圖4 不同ATO 含量的塗層玻璃與空白玻璃透明度的對比圖

        隨著ATO 含量增加,可見光區的透過率越來越低,塗料的透明度隨之降低; 而降低ATO 的含量,製得的塗層透明性能會更好。但又不能過低,過低會影響塗層對紅外線的屏蔽作用。

        2. 2 ATO 含量對塗料隔熱性能的影響

        選擇ATO 含量不同的1# ~ 5# 樣品塗層,測定了其與空白玻璃之間的溫差效果。其中盒內空氣溫差反映了塗膜的隔熱效果。底板溫差則反映了塗膜對熱輻射的阻隔程度,測試結果分別如圖5 和圖6。


        圖5 不同ATO 含量對底板溫度上升速率的影響

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        圖6 紅外燈照射下不同樣品的保溫盒內空氣溫度的上升速率

        由圖5 和圖6 可知,空白玻璃板空白與2#、3#、4#、5# 塗層玻璃板測試裝置之間的升溫速度均存在明顯的差異,塗膜玻璃樣板和對照玻璃在光源的照射下,隨時間的延長,測試裝置中的底板溫度和空氣溫度隨之上升,開始階段上升幅度較大,基本成線性關係,然後逐漸趨於平穩,當照射約30 min 以後,底板溫度趨於平衡,盒內空氣溫度變化稍慢,平衡溫度稍低。


        此時空白玻璃測試裝置與塗層玻璃測試裝置的底板和盒內空氣之間的溫差較大,1# 和2# 塗層的隔熱效果不明顯,3#、4#、5#號與空白玻璃板相比,盒內溫差分別高達12 ℃、14 ℃ 和16 ℃。底板溫差可分別高達16 ℃、18 ℃和21 ℃,說明ATO的加入使得塗層的阻隔熱輻射作用相當好。


        從圖5 和圖6 還可以看到,ATO 的含量直接決定著塗層的隔熱效果。ATO 的含量過低,隔熱效果不明顯; 反之,ATO的含量越高,對紅外線熱輻射的阻隔作用越佳,隔熱效果則越好。


        從上述研究可知,1#和2#樣品雖然透明性非常好,但隔熱效果不佳,而5#樣品的問題在於透明性不是很好,3# 和4# 樣品的性能比較接近,無論隔熱性能還是透光性能都比較理想。但考慮到3#樣品ATO 的添加比例是7%,4# 樣品中ATO 添加比例為9%,從成本因素考慮,3#樣品無疑更具有優勢。


        2. 3 有機硅配比對塗料基本性能的影響

        以3#樣品作為基礎,即不改變ATO 的含量,而是改變硅氧烷的配比,配置了6#和7#樣品( 見表1) 。對3#、6#和7#樣品進行了隔熱性、耐磨性和硬度測試。首先進行隔熱性測試,分別記錄了測試裝置中的空氣溫度和底板溫度隨時間而變化的一系列數值,如表2 和表3。

        表2 紅外燈照射下3#、6#、7#樣品的盒內空氣的升溫速度


        表3 紅外燈照射下3#、6#、7#樣品的底板升溫速度

        納米ATO透明隔熱有機硅塗料的研製,以有機硅為成膜劑,乙醇為溶劑,加入納米氧化銻錫( ATO) 漿料 中國建材網,cnprofit.com

        由表2 和表3 可知,當ATO 含量一定時,隨著測試時間的延長,3#、6#、7#測試裝置的底板和盒內空氣的溫度都逐漸升高直至平衡,而且各個時間點的溫度數值差別很小。可見當ATO 含量一定時,各樣品對熱輻射的阻隔作用差別不大,塗層的隔熱效果也基本一致。也就是說塗層的隔熱性能取決於ATO 含量,硅氧烷的配比對隔熱性能幾乎沒有影響。分別使用攜帶型鉛筆硬度計和磨耗儀測試塗料的硬度和耐磨性能,結果列於表4,其中磨耗儀的轉速設定在60 r /min,荷重砝碼實際質量750 g。

        表4 3#、6#和7#塗層的硬度和耐磨性

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        對比表中的測試數據,3# 塗層的硬度和耐磨耗性能最差,7#塗層的硬度和耐磨性則最好。也就是說,適當提高MTEOS與ETOS 的配比將有助於增強塗層的硬度和耐磨耗性能。

        2. 4 透明隔熱塗料的其他基本性能

        選定隔熱性、透光性和耐磨性能均不錯的7# 樣品,據塗料行業的相關國家標準做了一系列基本性能的測試,結果如表5。由表中數據可知,7# 樣品不僅隔熱效果好,透光率高,而且具有非常良好的綜合性能。

        表5 7#樣品的基本性能

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        3 結語

        以ATO 乙醇溶液漿料為基礎製備了納米ATO 有機硅塗料,研究發現當ATO 用量為7%、m( MTMOS) ∶ m( TEOS) = 4∶ 1時,塗層的隔熱性能和硬度、耐磨耗性能、耐水性、耐熱性、以及附著力等綜合性能非常良好。


        該透明隔熱塗料在可見光區的透過率在80%以上,而大部分紅外光被有效阻隔。對透明隔熱塗料的隔熱效果測試表明,製得的塗料具有明顯的隔熱效果,在紅外燈照射下透明隔熱玻璃和空白玻璃之間的溫差可以達到16 ℃。


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