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1、透明隔热纳米涂料的研究进展何秋星1 ,2涂伟萍1胡剑青1( 1 . 华南理工大学化工与能源学院 ,广州 510640 ;2 . 韶关学院化工系 ,韶关 512005)摘要本文就透明隔热纳米涂料的国内外研究进展 、 纳米材料的选材 、 隔热机理及制备方法进 行综述 ,并就其现存的问题和未来的发展进行了展望 。 关键词透明 ,隔热 ,纳米涂料 ,隔热机理Development of transparent and heat insulating nanocomposite coatingsHe Qi uxi ng1 ,2Tu Weipi ng1H u J ia nqi ng1(1 . In sti
2、t ut e of Che mical Engi nee ri ng a nd Ene r gy , So ut h Chi na U niver sit y of Tech nolo gy ,Guangzho u 510640 ; 2. Depart ment of Chemical engineering , Shaoguan U niver sit y , Shao guan 512005)AbstractThe windo w of building have impo rta nt role s i n collecting sunshi ne a nd excha ngi ng e
3、ner gy. If t hegla ss i s co vered wit h t he t ra nsp arent a nd heat insulating na noco mpo site coatings , t he inf ra red2ray will be cutoff . In t hi s paper , t he develop ment of t he t ra nsp a rent a nd heat insulating nanoco mpo site coatings were reviewed incl udi ng t he devel2 op mental
4、 hi sto ry , t he choice of na no meter material s , t he mechani sm of heat insulating , t he met ho ds of p rep aratio n and so me t rends in t he f ut ure .Key wordst ra nsp arent , heat insulatio n , na noco mpo site coating , heat2insulating mechani sm对建筑物来说 ,窗户成为热量进出的通道 ,阳光的热辐射透过窗户对室内加热 ,必将增加空
5、调的热 负荷 。为了节约能源 ,人们采取了各种措施来解决 玻璃的隔热问题 。目前 ,主要采用金属及其氧化物镀膜或热反射贴膜用于玻璃的隔热 。但是 ,这些产 品通常都是采用物理方法如 1 ,2 磁控溅射法 、 真空蒸 镀法 、 溶胶2凝胶法等将具有反射或隔热效果的金属 或非金属材料 ( 如 A g 、A u 、SnO2 、ZnO 、TiO2 、A TO 、I TO 等) 直接镀于玻璃或聚合物薄膜表面制成 ,工艺 条件难以控制 ,设备投资大 ,成本高 ,且还伴随产生 “光污染”,难以做到大面积推广应用 。基于材料科学和纳米技术的快速发展 ,低成本 的透明隔热纳米涂料将有望取代这种高成本的镀膜 材料
6、 。透明隔热纳米涂料是指一种对太阳光具有良好的光谱选择性且至少有一相尺寸在 1100 nm 之 间的涂料 ,即该涂料对可见光具有好的通透性 ,对近红外或紫外光具有好的反射 、 阻隔或吸收作用 。将该涂料施于建筑物的窗户 ,既不会影响室内的采光 , 而且可以适当降低空调负荷 ,达到节能的目的 ,这对 缓解能源危急和维持社会的可持续发展具有重要的意义 。本文将就透明隔热纳米涂料的国内外研究进 展 、 纳米材料的选材 、 隔热机理 、 制备方法及未来发 展等进行综述 。1透明隔热纳米涂料研究概况目前 ,有关透明隔热纳米涂料的研究主要集中在美 、 日 、 韩等国家 ,且大多以专利形式公布 ,研究的 重
7、点主要还 是集 中 在无 机功 能 材料 的 选 择 方 面 如I TO ( 氧 化 铟 锡 ) 、A TO ( 锑 氧 化 锡 ) 及 氧 化 锡 等 。Na nop ha se Tec h nolo gie s Co rpo ratio n 将 半 导 体 纳 米材料 ( I TO 、A TO 、ZnO 、Al2 O3 、TiO2 ) 首先制成稳 定分散的水性或溶剂型浆料 ,然后再将其应用于涂作者简介 :何秋星 ( 1969 - ) ,男 ,副教授 ,博士生 ,主要从事纳米涂料的研究 。涂伟萍 ( 1956 - ) ,男 ,博士 ,教授 ,博士生导师 。9 第 12 期何秋星等 :透明隔热
8、纳米涂料的研究进展料中 ,制得具有隔热 、 耐磨 、 紫外屏蔽和隔绝红外线等多功能性纳米涂料 ,并在多个领域得到广泛的应 用 。在制备纳米透明耐磨涂料时 , 先将 纳 米 Al2 O3 在水中分散制成 35 %的湿 浆 , 高速 搅拌 分 散后 , 再用超声波分散 ,随后离心分离取上清液 ,加入表面处 理液 32缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷 ( GP TS) 、 正 硅酸乙酯 ( T EO S) 、 二苯基二甲氧基硅烷 、 三甲基乙 氧基硅烷 、 无水乙醇 、 稀盐酸 ,高速分散制得稳定的 纳米 Al2 O3 浆料 ,然后与水性三聚氰胺甲醛树脂混 合制成纳米透明耐磨涂料3 。Trito n S
9、yst e m s 公司生产的 Na no t uf m Coati ngs 中含有纳米 Al2 O3 ,研究 表明该透明涂料的耐磨性是传统涂料的 4 倍 ,且该 涂料还有隔热和耐化学腐蚀性能 ,可作飞机座舱盖 、 轿车玻璃和建筑物玻璃的保护涂层 4 。松尺纯 5 ,6 、真田恭宏7 研究了将纳米 A TO 粉末与硅氧烷聚合 物及有机溶剂如甲醇 、 异丙醇 、 丁醇等醇类 ,丙酮 、 甲 乙酮等与醋酸乙酯 、 醋酸丁酯等混合 ,并将其涂于基 材表面 ,经干燥和紫外光辐射固化等形成表面硬度 较高的透明隔热导电涂层 。Ni shi da 等8 研制的抗反射膜 ( A nti ref lectio
10、n fil m) 主要采用高反射指数无 机材料 如 纳米 Zr O 、TiO2 、N bO 、I TO 、A TO 、SbO2 、In2 O3 、SnO2 和 ZnO 和合成树脂组成的 。Ni shi ha ra 等9 采用共沉淀法制备了纳米 A TO 、I TO 并研究了 与合成树脂复配得到透明隔热涂料的工艺条件 ,经 测试该透明涂料在可见光区的透光率大于 80 % ,在 近红外区完全不透过 。 Ka ne ko 等10 研究了无机半 导体纳米粉体锑酸锌 、SnO2 、I TO 、A TO 与聚丙烯酸 酯形成的复合涂料在可见光区几乎没有吸收 ,对太 阳光辐射有较好的阻隔作用和优良的耐刻划性能
11、 。 Ta ke da 等11 讨论了在纳米 A TO 、I TO 中掺杂六硼 化物如 Y、L a 、Ce 、Pr 、N d 、Sm 、Eu 、Gd 、Th 、Dy 、Ho 、 Er 、Tm 、Yb 、L u 、Sr 的光学及热学性能的变化 。Ba r2t h 等12 采用重量比为 30 %A TO 与高分子粘结剂混 合获得光学活化膜 ,在波长为 7001000 nm 范围内 测试发 现 该 复 合 膜 可 见 光 透 过 率 ( VL T ) 不 低 于50 % ,总太阳能反射率 ( TS ER) 不低于 35 % 。B A S F 公司 Ca mbell 等13 公 布了 制备 含 表面
12、活性 微 粒的 耐刮擦透明涂料的制备方法 。韩国 Na no ma g Co r2po ratio n 生产 的 N MA S2Se rie s 如 I TO 、A TO 、TiO2溶胶在可见光区具有较高的透过率而在红外区具有 良好的阻隔能力 ,被广泛用于汽车 、 建筑 、 窗户 、 电子 显示屏和医疗设备 。A dva nced Na no Pro duct s 公司 生产的 A TO 纳米粉 、 溶胶及 TiO2 溶胶等可用于制备透明隔热涂料 。 国内 ,有关纳米透明隔热涂料的研究起步较晚 ,目前主要集中在一些科研院所 。南京工业大学赵石 林等 1416 研究了含纳米 TiO2 、A TO
13、 、I TO 的透明隔 热涂料 ,并取得了一定的成绩 。有关纳米隔热涂料的研究 ,目前国内仅限于实验室研究 ,末见有工业化 的报道 。2材料结构及其隔热机理太阳光以电磁波形式辐射热量通过大气到达地面 ,地面上的物体吸收了太阳热 ,温度升高 ,并且通过热传导将 热量 由 表及 里 , 再经 过 里 面 的 流 体 ( 气 体 、 液体) 的 流动 产 生 热 对 流 , 使 内 部 的 温 度 升 高 。 太阳 光 线 辐 射 光 谱 分 布 情 况 为 : 紫 外 区 01 2 01 4m ,占总能量的 5 % ;可见光区 01 401 78m ,占 总能量的 45 % ; 近 红 外区 01
14、 72 21 5m , 占总 能 量 的 50 % 。可见 ,太阳光的能量主要集中在可见光区 和近红外区 。理想的透明隔热纳米涂料应该对太阳 光的可见光部分具有良好透过作用 ,而对近红外部 分具有良好的阻隔 、 反射作用 。2 . 1 无机材料的选择及其依据对于透明隔热纳米涂料来说 ,纳米无机材料的 选择是关键 。首先 ,考虑到所选材料必须具有良好 的可见光透过能力和近红外的反射 、 隔断能力 ,则所选材料的禁带宽度 Eg 必须大于可见光的能量 ,这样 在可见 光 的 照 射 下 才 不 致 引 起 材 料 的 本 征 激 发 。 且 ,由于所选取的无机纳米材料的粒径远小于可见光的波长 ,对可
15、见光具有一定的绕射作用 ,所以它对 整个可见光是透明的 。通常可见光的波长范围约在01 4 01 78m , 则 可 见 光 的 能 量 范 围 约 在 11 54 31 01eV ,所以要求所选取的无机材料的禁带宽度必 须大于 3eV 17 。材料的禁带宽度主要由构成材料的原子组成和成键状态所决定 ,金属是良导体 ,其禁带 宽度为 0 ;而半导体或绝缘体的满带和导带不迭加 , 容易形成分裂的能带 ,从而导致半导体或绝缘体有比较宽的禁带宽度 ( 如图 1) 。材料的禁带宽度还受 到材料本身 的 结构 、 掺 杂 、 缺 陷 及 制 备 条 件 等 的 影 响 。一 般 , 锐 钛 矿 结 构
16、的 TiO2 的 禁 带 宽 度 是31 23eV , 金 红 石 结 构 的TiO2的 禁 带 宽 度 是31 11eV 18 ,改变 TiO 2 膜的热处理温度可以使 TiO2 膜的禁带宽度在 31 1131 23eV 之间变化 。Vi gil E等 19 导出了 TiO2 薄膜的禁带宽度的计算公式 。另 一方面 ,从反射近红外能力考虑 ,一般宜选择高反射10 化 工 新 型 材 料第 33 卷比或高散射比的淡色或白色无机颜料作为透明隔热纳米涂料的颜填料 ,高反射比或高散射比的颜填料 对近红外线具有较强的反射作用 。综上所述 ,从材料的能带理论并结合太阳光的光谱序列 ,根据能量 相匹配原则 ,可以用于透明隔热纳米涂料中的无机 材料主 要 有 半 导 体 材 料 及 其 掺 杂 体 系 如 In
