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纳米ATO透明隔热有机硅涂料的研制,以有机硅为成膜剂,乙醇为溶剂,加入纳米氧化锑锡( ATO) 浆料,中国建材网,cnprofit.com
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纳米ATO透明隔热有机硅涂料的研制,以有机硅为成膜剂,乙醇为溶剂,加入纳米氧化锑锡( ATO) 浆料
2020年01月13日    阅读量:1978    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

在能源危机的背景下,节能环保成为人们关注的焦点。随着经济的高速发展,中国已经成为世界第二大能源消费国,并且有可能在三到五年内超越美国成为世界最大能源消费国。


因此,节能环保对我国经济的可持续性发展是至关重要的中国建材网cnprofit.com。现代建筑为了美观越来越多地采用玻璃墙幕,玻璃虽然美观、透光率高、视野好,但其对来自太阳光的红外线的阻隔不够,增加了空调的使用率,造成巨大的能源浪费。


在这样的背景下,纳米透明隔热涂料已经成为节能环保涂料的新宠,其使用领域非常广泛,如住宅、写字楼、酒店、学校、汽车等既要求隔热保温阻隔紫外线,又对透光性及对视线有特别要求的地方尤其适用,节能潜力巨大[1 - 2]。


纳米透明隔热涂料是一种在可见光区具有透明性的隔热涂料,它利用材料中纳米粉体对可见光良好的透过率及对红外光区极高的反射率来达到透明、隔热效果[3 - 8]。


掺锑二氧化锡( ATO) 就常用于透明隔热涂料的制备中,其具有很高的紫外红外屏蔽效果,并在可见光区具有良好的透过率[9 - 10]。纳米隔热透明涂料的研究在日本和美国比较深入,而我国这方面的研究和实际应用起步较晚,但近年来越来越受到重视。


本研究采用ATO 粉体,制成稳定的且分散良好的ATO 乙醇溶液,用有机硅树脂作为成膜物,制备了透明隔热涂料。这种方法简单易行,也比较方便应用于工业生产。而且乙醇作为一种环保型的有机溶剂,也符合绿色涂料的要求。本研究首先研究了纳米ATO 的用量对涂料透明度和隔热性能的影响,在保证透明度和隔热效果的同时,对有机硅树脂的配比做了进一步的探讨,使制得的涂料具有优良的综合性能。

 

1 实验部分

1. 1 原料

甲基三甲氧基硅烷( MTMOS) 、正硅酸乙酯( TEOS) 、硅烷偶联剂( KH - 560) : 上海海曲化工有限公司; 纳米ATO 粉体:江苏河海纳米科技股份有限公司; 无水乙醇、冰乙酸: 上海康达化工有限公司。

1. 2 实验仪器

线棒涂布器: 上海现代环境工程研究所; 紫外- 可见光-近红外分光光度计: 岛津3101UV,日本岛津公司; 磨耗仪( JM- V 型) : 上海现代环境工程研究所; 便携式铅笔硬度计: 上海六凌仪器厂; 隔热性能测试箱: 自制; 激光粒度测定仪( 型号LZ230) : 美国贝克曼库尔特公司。

1. 3 纳米ATO 乙醇溶液的制备

将纳米ATO 粉体在烘箱中烘干48 h,取出放入干燥器中,自然冷却至室温; 称取定量的ATO 粉,加入硅烷偶联剂( ATO质量的2%) ,加入定量的无水乙醇; 超声波分散30 min 后,移入三口瓶中,磁力搅拌, 70 ℃下回流6 h; 然后将其加入砂磨搅拌分散机中,高速分散砂磨8 h,调pH 为7. 0 ~ 7. 5。制得纳米ATO 含量30%的乙醇浆料,其粒径分布见图1。

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图1 ATO 的粒径分布

由图1 可见,自制的ATO 乙醇浆料中,ATO 的粒径绝大部分在60 ~ 80 nm 范围内,达到了纳米级的要求。

1. 4 透明隔热涂料的制备

将20 mL 一定配比的MTMOS 和TEOS 混合,加入78 mL无水乙醇作为溶剂,将2 mL 的冰乙酸通过恒压漏斗缓慢滴加至体系中,体系始终保持搅拌,温度控制在30 ~ 40 ℃ 之间。搅拌4 h 后,按一定比例称量纳米ATO 乙醇溶液,缓慢滴加到三口烧瓶中,充分搅拌,20 min 后停止搅拌,得到有机硅透明隔热涂料样品。样品编号和物料配比见表1,其中0# 为不含ATO 的对比样。

表1 样品编号和物料配比

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注: ( 1) —ATO 含量为相对于有机硅树脂的质量分数。

1. 5 涂料性能的表征

1. 5. 1 样品制备

选用石英玻璃作为基材,用线棒涂布器将上述制得的涂料涂覆于处理过的石英玻璃基材表面,室温下待溶剂挥发后放入烘箱,在一定温度下固化成膜。

1. 5. 2 光学性能

透光性的测试采用岛津3101UV 紫外- 可见光- 近红外分光光度计测量涂层的紫外光区、可见光区及红外光区光的透过率。波段选择200 ~ 1 500 nm,比较不同ATO 含量和原料配比对透光率的影响。

1. 5. 3 隔热效果

隔热性测试采用自制的隔热装置,以250 W 硬质防爆红外辐射灯作为热光源,如图2。光源距样板表面20 cm,底板为涂有黑色无光漆的铁板。在光源照射下,分别记录对照玻璃和涂膜样板玻璃的盒内底板及空气随时间升温变化数据,并计算温差。

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1—照明光源; 2—泡沫保温层; 3—挡板; 4—水银温度计; 5—贴片式热电偶; 6—铁片( 上表面涂有黑色无光漆) ; 7—涂有涂料的玻璃片; 8—泡沫保温隔层

图2 隔热效果测试装置



2 结果与讨论

2. 1 透明涂料的光学性能

透明隔热涂料的目标就是制得在可见光区具有高的透过率、在红外光区具有高的反射率的涂层,从而在保证足够透明性的前提下最大限度地隔绝由红外线带入的热量,以达到隔热的目的。图3 是不含ATO 的0#涂层和含不同量ATO 的1#、2#、3#、4#和5#样品涂层在波长200 ~ 1 500 nm的透射光谱。

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由图3 可看出,不加ATO 时,由于底板为可完全透过紫外线的石英玻璃,因此有机硅涂层的透射光谱在整个光波长范围内近于一条水平直线,透过率在90% 之上,说明不加ATO的有机硅树脂涂层基本不具有对红外和紫外的阻隔功能。


而不同纳米ATO 含量的涂料所制得涂层的透射光谱与之有明显不同。在紫外光区( 约200 ~ 400 nm) 的透过率大幅度降低,随着波长的增大透过率逐渐上升,在可见光区( 400 ~ 800 nm) 达到最大值且呈现一平台的形状,随后的红外光区( > 800 nm)透过率又逐渐降低。


可见涂层对紫外线和红外线都具有明显的阻隔功能,而在可见光区的透过率则较高。尤其是1#、2# 和3#涂层,在可见光区的透过率均达到80% 左右,透光性能非常优越。


此外,随ATO 含量的增加,涂层在可见光波段的透过率逐渐下降,5#涂层虽然在紫外光区和红外光区的透过率都极低,有良好的隔绝紫外线和红外线的效果,但在可见光区的透过率也降低到了65%,远不如1# ~ 4#涂层。图4 是不同样品玻璃透明性的照片,可以看到,除5# 样品稍显模糊外,其余各样品的透明性都非常好。

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图4 不同ATO 含量的涂层玻璃与空白玻璃透明度的对比图

随着ATO 含量增加,可见光区的透过率越来越低,涂料的透明度随之降低; 而降低ATO 的含量,制得的涂层透明性能会更好。但又不能过低,过低会影响涂层对红外线的屏蔽作用。

2. 2 ATO 含量对涂料隔热性能的影响

选择ATO 含量不同的1# ~ 5# 样品涂层,测定了其与空白玻璃之间的温差效果。其中盒内空气温差反映了涂膜的隔热效果。底板温差则反映了涂膜对热辐射的阻隔程度,测试结果分别如图5 和图6。


图5 不同ATO 含量对底板温度上升速率的影响

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图6 红外灯照射下不同样品的保温盒内空气温度的上升速率

由图5 和图6 可知,空白玻璃板空白与2#、3#、4#、5# 涂层玻璃板测试装置之间的升温速度均存在明显的差异,涂膜玻璃样板和对照玻璃在光源的照射下,随时间的延长,测试装置中的底板温度和空气温度随之上升,开始阶段上升幅度较大,基本成线性关系,然后逐渐趋于平稳,当照射约30 min 以后,底板温度趋于平衡,盒内空气温度变化稍慢,平衡温度稍低。


此时空白玻璃测试装置与涂层玻璃测试装置的底板和盒内空气之间的温差较大,1# 和2# 涂层的隔热效果不明显,3#、4#、5#号与空白玻璃板相比,盒内温差分别高达12 ℃、14 ℃ 和16 ℃。底板温差可分别高达16 ℃、18 ℃和21 ℃,说明ATO的加入使得涂层的阻隔热辐射作用相当好。


从图5 和图6 还可以看到,ATO 的含量直接决定着涂层的隔热效果。ATO 的含量过低,隔热效果不明显; 反之,ATO的含量越高,对红外线热辐射的阻隔作用越佳,隔热效果则越好。


从上述研究可知,1#和2#样品虽然透明性非常好,但隔热效果不佳,而5#样品的问题在于透明性不是很好,3# 和4# 样品的性能比较接近,无论隔热性能还是透光性能都比较理想。但考虑到3#样品ATO 的添加比例是7%,4# 样品中ATO 添加比例为9%,从成本因素考虑,3#样品无疑更具有优势。


2. 3 有机硅配比对涂料基本性能的影响

以3#样品作为基础,即不改变ATO 的含量,而是改变硅氧烷的配比,配置了6#和7#样品( 见表1) 。对3#、6#和7#样品进行了隔热性、耐磨性和硬度测试。首先进行隔热性测试,分别记录了测试装置中的空气温度和底板温度随时间而变化的一系列数值,如表2 和表3。

表2 红外灯照射下3#、6#、7#样品的盒内空气的升温速度


表3 红外灯照射下3#、6#、7#样品的底板升温速度

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由表2 和表3 可知,当ATO 含量一定时,随着测试时间的延长,3#、6#、7#测试装置的底板和盒内空气的温度都逐渐升高直至平衡,而且各个时间点的温度数值差别很小。可见当ATO 含量一定时,各样品对热辐射的阻隔作用差别不大,涂层的隔热效果也基本一致。也就是说涂层的隔热性能取决于ATO 含量,硅氧烷的配比对隔热性能几乎没有影响。分别使用便携式铅笔硬度计和磨耗仪测试涂料的硬度和耐磨性能,结果列于表4,其中磨耗仪的转速设定在60 r /min,荷重砝码实际质量750 g。

表4 3#、6#和7#涂层的硬度和耐磨性

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对比表中的测试数据,3# 涂层的硬度和耐磨耗性能最差,7#涂层的硬度和耐磨性则最好。也就是说,适当提高MTEOS与ETOS 的配比将有助于增强涂层的硬度和耐磨耗性能。

2. 4 透明隔热涂料的其他基本性能

选定隔热性、透光性和耐磨性能均不错的7# 样品,据涂料行业的相关国家标准做了一系列基本性能的测试,结果如表5。由表中数据可知,7# 样品不仅隔热效果好,透光率高,而且具有非常良好的综合性能。

表5 7#样品的基本性能

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3 结语

以ATO 乙醇溶液浆料为基础制备了纳米ATO 有机硅涂料,研究发现当ATO 用量为7%、m( MTMOS) ∶ m( TEOS) = 4∶ 1时,涂层的隔热性能和硬度、耐磨耗性能、耐水性、耐热性、以及附着力等综合性能非常良好。


该透明隔热涂料在可见光区的透过率在80%以上,而大部分红外光被有效阻隔。对透明隔热涂料的隔热效果测试表明,制得的涂料具有明显的隔热效果,在红外灯照射下透明隔热玻璃和空白玻璃之间的温差可以达到16 ℃。


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