何清衡，吳會(huì)軍，2，丁云飛，2

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州510006;2.廣州大學(xué)廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州51006)

0 引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球?qū)δ茉吹男枨笕找嬖龃螅茉聪耐瑫r(shí)也帶來環(huán)境問題，因此能源和環(huán)境成為制約當(dāng)今人類社會(huì)發(fā)展的瓶頸。建筑能耗約占人類總能耗的30%～40%，其中約半數(shù)是由建筑采暖或制冷等空調(diào)造成的，而通過門窗散失的熱量約占整個(gè)建筑空調(diào)耗能的30%［1－2］。另一方面，隨著現(xiàn)代建筑對(duì)室外景觀和室內(nèi)采光等要求的提高，往往采用較大面積的玻璃窗或玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，而建筑玻璃作為隔熱保溫的薄弱環(huán)節(jié)，在保證玻璃采光的同時(shí)如何提高其保溫隔熱性能成為降低建筑能耗的重要途徑。

為了提高建筑玻璃的隔熱保溫性能，人們研究出多種新型玻璃材料，如金屬鍍膜隔熱玻璃、真空玻璃、貼膜玻璃、Low－E玻璃等節(jié)能玻璃，但這些玻璃往往存在透光率低、隔熱效果不佳、工藝條件控制復(fù)雜、價(jià)格昂貴等一種或多種原因，限制了其發(fā)展和應(yīng)用［3］。近年來，隨著納米材料和制備技術(shù)的發(fā)展，某些金屬氧化物因具有特殊的光學(xué)和熱學(xué)性能逐漸受到人們的關(guān)注，并在建筑玻璃隔熱方面獲得了發(fā)展和運(yùn)用，例如氧化銦錫(ITO)、氧化錫銻(ATO)、氟摻雜氧化錫(FTO)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)等［4］在納米材料可見光區(qū)有較高的透過率，而在紅外光區(qū)卻有較高的吸收率和反射率，將這些納米材料與樹脂復(fù)配成透明隔熱保溫涂料并用于玻璃鍍膜和噴涂，可使玻璃在維持較高可見光透過率的同時(shí)提高對(duì)紅外波段的隔熱效果，從而使建筑玻璃具有較理想的透明和隔熱效果，對(duì)于降低建筑空調(diào)能耗和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要的意義。

1 國內(nèi)外透明隔熱涂料研究進(jìn)展

1.1 透明隔熱涂料的隔熱原理

太陽輻射的能量主要集中在波長為0.2～2.5 μm的范圍內(nèi)，其中紫外區(qū)(波長0.2～0.4 μm)占總能量的5%，可見光區(qū)(波長0.34～0.72 μm)占總能量的45%，近紅外(波長0.72～2.5 μm)占總能量的50%［5］?？梢?，太陽光譜中的能量絕大部分分布在可見光和近紅外區(qū)，其中近紅外區(qū)占太陽輻射總能量的一半，若能選擇性有效阻隔近紅外能量而維持一定的可見光透過率，即可實(shí)現(xiàn)透光隔熱(即不影響采光而達(dá)到紅外區(qū)隔熱)。

納米ITO、ATO等納米微粒對(duì)太陽光譜具有理想的選擇性，在可見光區(qū)透過率高，而對(duì)紅外光卻具有很好的屏蔽性，而TiO2、Fe2O3、Al2O3等納米顆粒具有很強(qiáng)的紫外波段吸收能力，若將這些具有特殊功能的納米微粒分散后加入到樹脂溶液中，可獲得納米透明隔熱涂料，可用于玻璃或樹脂等表面形成透明隔熱膜。譚亮等［6］在水性聚氨酯中加入納米功能粉體、消泡劑、潤濕劑等制得透明隔熱涂料，并用于普通白玻表面形成涂膜，并測(cè)試了涂覆透明隔熱涂料前后的透射光譜，如圖1，可看出玻璃隔熱涂層在可見光區(qū)具有很好的透光性，而對(duì)近紅外光線具有很好的屏蔽性。對(duì)于涂料透明隔熱機(jī)理，何秋星等［8］提出ZnO、TiO2納米顆粒的屏蔽作用是基于對(duì)紫外光的吸收;黃寶元等［9］通過對(duì)ATO/PU涂層進(jìn)行光譜性能測(cè)試，認(rèn)為ATO納米顆粒對(duì)紅外波段輻射以吸收為主、反射為輔;姚晨等［10］、王靚和趙石林［11］認(rèn)為透明隔熱涂膜對(duì)熱輻射阻隔作用是吸收和反射共同作用的結(jié)果，具體表現(xiàn)為涂膜吸收熱輻射使涂層溫度升高，然后經(jīng)對(duì)流傳熱將熱量傳遞給空氣，因此涂膜對(duì)于紅外輻射可起到“變相反射”作用，當(dāng)空氣流動(dòng)速度比較大時(shí)，空氣對(duì)流傳熱速率加快，涂膜將具有更好的隔熱效果。

圖1 隔熱涂層前后玻璃的透射光譜［6］

圖2 不同組合涂層的透射光譜［7］

1.2 透明隔熱涂料的國內(nèi)外研究進(jìn)展

目前，有關(guān)透明隔熱納米涂料的研究主要集中在美國、日本、韓國和歐洲等國，美國Nanophase公司［12］率先將半導(dǎo)體納米材料(ITO、ATO、ZnO、A12O3、TiO2等)制成分散穩(wěn)定的水性或溶劑型漿料，然后再將其作為涂料應(yīng)用到玻璃鍍膜中，獲得隔熱、耐磨、紫外屏蔽和隔絕紅外線等復(fù)合功能。Takeda等［13］在樹脂基體中摻入ATO、ITO、LaB6等納米顆粒形成鍍膜，利用ATO、ITO阻隔波長較長的紅外光，而利用LaB6阻隔波長較短的紅外光，使其在整個(gè)紅外波段具有低透光率，而在可見光區(qū)具有高透過率。Chonan和Kuno［14］將ATO隔熱漿料與丙烯酸紫外光(UV)固化樹脂混合，制得隔熱涂料，將其涂在PET聚酯膜表面，所得涂膜對(duì)太陽輻射透過率低于56.5%;Nishihara等［15－16］采用共沉淀法制備出ATO和ITO納米粉體，并與樹脂復(fù)配，獲得的透明隔熱涂料在可見光區(qū)透光率大于80%、而在近紅外區(qū)透過率很低;Kaneko等［17］把SnO2、ITO、ATO納米顆粒與聚丙烯酸酯制成復(fù)合涂料，其在可見光區(qū)吸收率幾乎為零，而對(duì)紅外熱輻射具有很好的阻隔作用。

國內(nèi)對(duì)透明隔熱納米涂料研究起步較晚，但也取得了重要的研究進(jìn)展。張永進(jìn)和趙石林［18］制備出ATO、ITO水性納米分散體，并以水性聚氨酯等透明樹脂為載體，獲得具有良好的光譜選擇性的透明隔熱涂料，在可見光區(qū)具有高的透過性，并能有效阻隔紅外光區(qū)的熱輻射。孟慶林等［19］將ATO納米粉體分散在醇類溶劑中，然后與水性聚氨酯混合，常溫下涂在玻璃表面制成低輻射玻璃。顧廣新等［20］利用具有常溫相變功能的VO2，將摻鎢VO2和ATO粉體混合，分散成漿料添加到水性聚氨酯涂料中，制得具有一定智能相變溫度控制的功能型透明隔熱保溫涂料。

國外對(duì)透明隔熱涂料在建筑玻璃上的使用普及率極高，美國對(duì)建筑玻璃的透明隔熱涂層普及率超過90%，澳大利亞、新西蘭等國使用率也都在75%以上，而在亞洲地區(qū)除中國香港和臺(tái)灣地區(qū)及日本、韓國外，其它國家對(duì)建筑玻璃的透明隔熱涂層使用率平均不到20%，而我國大陸建筑玻璃的透明隔熱涂料使用率目前尚不足10%［21］。隨著我國對(duì)建筑節(jié)能的重視，國家將加快和全面普及推廣節(jié)能建材，而且隨著每年大量的舊建筑節(jié)能改造和新建筑物的產(chǎn)生，對(duì)于新型透明隔熱涂料及節(jié)能玻璃的需求巨大，因此透明隔熱涂料的發(fā)展和應(yīng)用具有廣泛的市場潛力。

1.3 新型智能溫控透明隔熱涂料

20世紀(jì)50～60年代，人們相繼發(fā)現(xiàn)了一些具有特殊溫控功能的相變化合物［22］，如VO2、Ti4O7、Ti3O5、Fe3O4、CrS、NiS等過渡族元素的化合物，這類化合物在一定溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生從絕緣體相到金屬相特性的相互轉(zhuǎn)變，同時(shí)還伴隨有晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，其中以相變溫度接近室溫的VO2最受關(guān)注。

自從1959年Morin［23］發(fā)現(xiàn)VO2熱致相變以來，VO2成為相變金屬化合物中研究的熱點(diǎn)之一。VO2是一種典型的相變化合物，相變溫度約為68℃，當(dāng)溫度升至68℃左右時(shí)VO2發(fā)生從低溫絕緣體相到高溫金屬相的突變，電阻發(fā)生2～3個(gè)數(shù)量級(jí)突變，同時(shí)伴隨光學(xué)折射率、透射率和反射率的突變，尤其在紅外和近紅外波段光學(xué)透過率變化最為明顯，圖3為VO2薄膜在波長為200～2 500 nm波段的紅外透射率隨波長變化曲線［24］，由圖3可看出，在相變前后紅外透射率相差約50%，呈現(xiàn)明顯的光學(xué)開關(guān)特性。

圖3 VO2薄膜相變前后透過率的變化曲線［24］

VO2作為相變金屬化合物的研究熱點(diǎn)，不僅因?yàn)槠浼t外透射突變明顯，而且可通過摻雜將其相變溫度降至室溫甚至室溫以下。Burkhardt等［25－26］發(fā)現(xiàn)在VO2晶體中分別摻入1 at.%的Mo、F、Re，其相變溫度分別下降10℃、20℃和18℃;Jin和Tanemura［27］發(fā)現(xiàn)在VO2晶體中摻入1 at.%的W，其相變溫度下降23℃。江煒［28］發(fā) 現(xiàn) 摻雜1 at.%和2 at.%白鎢酸后，VO2相變溫度分別降低19.98℃和26.46℃，并通過控制分解溫度和保溫時(shí)間，在500～600℃、N2氣氛保護(hù)下制得相變溫度為17.87℃的白鎢酸摻雜VO2粉體。魏勇［29］采用化學(xué)沉淀法制得相變溫度為25℃的摻鎢VO2粉體，并測(cè)試了其可見－近紅外透射光譜(見圖4)，可看出當(dāng)溫度高于相轉(zhuǎn)變溫度(如40℃)時(shí)其紅外透射率較低，而溫度低于相轉(zhuǎn)變溫度(如15℃)時(shí)其紅外透射率較高，表現(xiàn)出較好的溫致調(diào)控功能。

圖4 V0.984W0.016O/聚氨酯涂層的可見·近紅外透射光譜［29］

2 透明隔熱涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀分析與前景展望

透明隔熱涂料因具有很高的紅外波段隔熱效果及良好的可見光波段透過率，用于建筑玻璃等的透明隔熱成為節(jié)能降耗的有效途徑，但目前透明隔熱涂料在分散、抗老化、施工等方面尚存在一些問題，影響了透明隔熱涂料的隔熱性能和節(jié)能應(yīng)用，主要表現(xiàn)為:

(1)納米粉體分散及穩(wěn)定性有待改善

ATO、ITO等納米粉體是透明隔熱涂料中的主要功能成分，但由于ATO、ITO等的納米尺度使其具有很高的表面活性和吸附性，顆粒間極易發(fā)生團(tuán)聚而導(dǎo)致涂料透明隔熱性能減弱。隔熱涂料中的分散劑的種類和用量也隨著加入不同納米功能顆粒與樹脂種類的變化而變化?，F(xiàn)階段解決透明隔熱涂料中納米顆粒分散和穩(wěn)定性差的主要途徑有兩種，一是使用各種機(jī)械分散方法，制得分散性穩(wěn)定的納米復(fù)合材料，二是對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面改性，降低其表面自由能并減小顆粒間范德華引力。

(2)透明隔熱涂層的耐老化、耐水等耐候性有待改善

透明隔熱涂料用于建筑玻璃的涂層時(shí)，需要承受太陽輻射并發(fā)揮其透明和隔熱功能，而長期暴露在太陽輻射下，透明隔熱涂層中的樹脂易老化;而且若透明隔熱涂料用于建筑玻璃外側(cè)，往往會(huì)因雨水而發(fā)生霧化甚至起泡脫層等現(xiàn)象，因此需要對(duì)透明隔熱涂料的耐老化、耐水等性能加以改善，以延長透明隔熱涂料的使用壽命，提高其節(jié)能性能。

(3)透明隔熱涂覆易起泡、成斑，均勻性有待提高

透明隔熱涂料中溶劑量較大、固含量較低，造成其粘度低、干燥慢，而且由于透明隔熱涂料的疏水性要求，使得透明隔熱涂料在涂覆過程中流平性差、極易起泡和成斑，采用刷涂、噴涂或者滾涂等工藝很難保證涂層良好、厚度均勻 ，而且在清潔度不高的涂覆環(huán)境，會(huì)在透明隔熱涂層中黏附灰塵而形成明顯有礙視覺的“瘤點(diǎn)”，因此需要適當(dāng)提高涂料固含量、加快涂料干燥時(shí)間，并解決涂料疏水和流平性等問題，以獲得均勻和高性能的透明隔熱涂層。

與金屬鍍膜隔熱玻璃等相比，透明隔熱涂料對(duì)可見光和紅外波段等太陽輻射具有較好的選擇透過性，即對(duì)可見光具有較好的透過率，而對(duì)紅外波段具有良好的光屏蔽性，不會(huì)產(chǎn)生光污染，可用于建筑玻璃及汽車等玻璃的透明隔熱涂層，也可涂覆于透明樹脂制成透明隔熱板材，具有非常廣泛的隔熱和節(jié)能應(yīng)用前景。而VO2等具有溫致相變功能材料的發(fā)展和應(yīng)用，使透明隔熱涂料具有智能、可控等新型功能，可根據(jù)氣候區(qū)域和建筑要求選擇合適的相變溫度，提高建筑節(jié)能效率［30］，因此智能化透明隔熱涂料將作為極具發(fā)展前景的節(jié)能材料和技術(shù)，在建筑節(jié)能等領(lǐng)域獲得重要的應(yīng)用，成為降低建筑能耗、實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要手段。

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