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建筑玻璃用隔热涂料的特性与存在问题,首先提出了玻璃隔热涂料的定义及分类,中国建材网,cnprofit.com
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建筑玻璃用隔热涂料的特性与存在问题,首先提出了玻璃隔热涂料的定义及分类
2020年02月05日    阅读量:1045    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

0 引 言

近年来,国家出台了不少建筑节能方面的政策,提出了新建建筑实施节能50%,既有建筑于2020年全部实施节能改造的目标。而占据建筑物热量来源48%的窗户,必然成为改造项目中的重中之重。随着中空玻璃、L o w - E玻璃、镀膜玻璃等玻璃深加工产品在建筑节能方面的广泛应用,又一新型玻璃节能材料,即玻璃隔热涂料,也加入节能产品的队伍当中中国建材网cnprofit.com

 

1 定义及分类

玻璃隔热涂料是一种涂覆于玻璃表面,在保持一定的可见光透过率的前提条件下,以降低玻璃遮蔽系数为主要隔热方式的功能性涂料。玻璃隔热涂料的关键是既要保证透光,又要具有隔热效果,也就是说只能有选择地隔离太阳辐射能。


太阳辐射能分布在波长为300~2 500 n m ,其中紫外线部分占14% ,可见光部分占40% ,红外线部分占44% [1]。然而,对于一般普通的透明玻璃(如图1所示),其对整个太阳光谱具有较高的透过率,尤其是红外线部分透过率相当高,显然对太阳能辐射没有阻隔作用,即无隔热效果。

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普通玻璃的光谱特性

玻璃隔热涂料通过喷涂、浸涂等涂装方式,在玻璃表面迅速形成一层透明、平滑且坚固的高分子涂层。该涂层不仅应具有良好的硬度、附着力、耐温变、耐溶剂、耐冻融等涂料常规性能,还凭借其添加的纳米A l2O3、纳米T i O2等金属氧化物加强对780 n m以上近红外波段的反射功能[2] (如图2所示)。

涂刷玻璃隔热涂料后玻璃的光谱特性

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玻璃隔热涂料可分为溶剂型涂料和水性涂料。其中,溶剂型玻璃隔热涂料出现较早,并因其良好的涂布效果和附着力,占据了一定的市场。但目前随着环保意识的提高和环保法律法规的健全,水性涂料受到了极大的重视,越来越多的涂料生产企业,开始着重对水性玻璃隔热涂料的开发与研制,并取得了良好的效果。

 

2 性能分析

玻璃隔热涂料作为一种使用于玻璃这种特殊基材上起隔热作用的功能性涂料,除具备涂料的基本应用性能外(如:硬度、附着力、耐候性……),其光学性能的考核也是不可或缺的。目前,笔者对市场上出现的这类功能性涂料分别从材料基本性能及材料光学性能两个方面进行相应的分析。

2.1 基本性能

对涂料的基本性能的测评主要包括使用前、成膜时、成膜后、老化后4个方面(见图3)。其中,涂料的容器中状态、低温稳定性、涂层耐温变性各产品间并无明显差异,均符合GB/T9755-2001标准中的相关要求,此处不作详细介绍,重点对其他项目予以分析说明。

 涂料基本性能示意图

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2.1.1 成膜时性能

(1) 涂膜外观:由于玻璃涂料的施工工艺与建筑涂料有所差异,因此将线棒制样改为喷涂或涂布器刮涂制样,以保证涂膜的均匀性。通过对8个样品采用涂布器制样,仅有1#、2#样品出现因涂层内聚而导致的涂膜不均匀现象,改为喷涂后不均匀现象消失。其他编号产品均未出现针孔、流挂、鱼眼、内聚等现象,涂层均匀美观。

(2) 干燥时间:对于玻璃涂料而言,干燥时间越短,涂装后的玻璃遭受空气中粉尘二次污染的可能性越小,因此,干燥时间不宜过长。通过试验得知,8个产品中,表干时间最快的5 m i n,最慢的53 m i n,均表现出较快捷的干燥特性(详见表1)。

干燥时间

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2.1.2 成膜后性能

成膜后性能试验主要根据材料自身特性以及应用时存在的影响因素,主要涉及耐水、耐酸碱、硬度、附着力4个方面。

铅笔硬度

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由表2可以清晰地看到,各家产品成膜后的性能基本一致。在铅笔硬度的检测中绝大多数产品达到H级以上。其中,4#产品最低,但也达到了H B,大于HG/T3828《室内用水性木器涂料》中B级的要求。对于涂膜耐酸碱性能的检测,大部分材料耐水及耐弱碱性性能良好,均未出现气泡、掉粉、明显变色等涂膜病态现象。但是如果参照J C846中要求的使用1 mol/L氢氧化钠或1 mol/L盐酸溶液浸泡1 d ,约有一半以上的产品不同程度地出现起泡、起皱、脱落(详见表3、表4)。

耐水性、耐碱性

耐强酸、强碱性

附着力反映的是涂膜与玻璃基材之间结合的坚固程度。所检的8种产品中只有试样4属溶剂型涂料,其在未使用底涂前,为5级,但使用底涂后,明显改善可提高到0级。其余7种水性产品性能优良(见表5)。

附着力

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2.1.3 紫外老化后性能

玻璃隔热涂料因其常年使用于阳光曝晒的部位,因此为了间接体现出材料的应用寿命,对8种产品进行了紫外老化。该试验选用Q - UV紫外老化仪,于340 n m波段0.68 W / m2光照强度下对试样进行长达240 h的辐照,辐照后各产品均未出现粉化、脱落等现象,1 mm划格法附着力的破坏等级均为0级。

2.2 光学性能

光学性能试验主要包括检测试样的可见光透射比、太阳能总透射比、遮蔽系数、紫外线透射比、半球发射率5个方面。此外,同样考虑到产品老化后隔热效果是否存在明显丢失,因此应在紫外老化后复测可见光透射比及遮蔽系数。该试验参照G B / T2680-94中描述的试验方法进行。结果见图4~图7。

可见光透射比、太阳能总透射比及遮蔽系数

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老化前后产品可见光透过率及遮蔽系数

紫外线透过率

半球发射率

光学性能检测结果汇总如下:根据试验结果可知各水性玻璃隔热涂料成膜后的可见光透过率均较高,集中于60%~80%。半球发射率均大于87%。而遮蔽系数最大值为79.30%,最小值也不过64.31%,其与可见光透过率成正相关性。


产品经Q - U V紫外老化仪340 nm波段0.68 W/m2光照强度长达240 h的辐照均未出现明显改变,少数产品可见光透过率轻微减小,同时遮蔽系数也略有降低,保持了良好的节能功效。此外,部分产品对紫外线具有良好的阻隔效果。试样4、5、6的紫外线透过率近乎为0。



3 产品节能效果评定

节能效果的评定需要参见相应产品的行业或国家标准。因此,笔者首先对J C / T536-1994“吸热玻璃”及G B 50189-2005“公共建筑节能设计标准”进行分析。之后,结合标准对市场上此类产品的可见光透过率及半球发射率进行评价。


3.1 评定标准

对于此类产品在可见光透过率、遮蔽系数等功能性指标的评定上,

笔者除参见J C / T536-1994“吸热玻璃”的产品标准外(见表6),还选用了G B 50189-2005“公共建筑节能设计标准”用于节能效果评定。之所以参见现已废止的标准J C /T536-1994,原因有两个:一是在以往建筑玻璃的相关国家及行业标准中,很少对玻璃的可见光透过率及遮蔽系数做出明确的指标要求。毕竟,不同的玻璃因其使用部位的不同,其对光线的通透要求自然也不同,很难划定出明确的标杆;二是该标准虽已废止,但其在玻璃产品可见光透过率、太阳光直接透过率等技术指标的要求,仍有一定的借鉴作用。而G B 50189-2005作为最新的建筑节能性标准。其结合我国幅员辽阔的特点,按照不同气候特征将各个城市大体划为了5个建筑气候分区,并对不同气候区公共节能建筑的传热系数和遮蔽系数进行限制[3]。

表7中所涉及的节能性指标包括遮蔽系数S c 及传热系数K。其中S c 主要取决于材料太阳光直接透射比及室内侧面的半球发射率。而K 值也称为U 值,其计算公式如下:

玻璃U 值计算公式[4]:

玻璃U 值计算公式

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式中,U ——表征玻璃传热的参数;

h i—— 试样构件内侧表面的热传递系数,W /m2·K;

h e——试样构件外侧表面的热传递系数,W /m2·K,其理论值取23 W/m2·K;

ht——多层玻璃系统内部热传到系数;

hs——气体空隙的导热率;

N——气体层的数量;

M ——材料层的数量;

dm——每一个材料层的厚度;

rm——每一个材料的热阻;

hr——气体空隙的导热系数;

σ ——斯蒂芬—波尔兹曼常数;

ε1和ε2——间隙层中两表面在平均绝对温度Tm下的校正发射率。

JC/T536-1994“吸热玻璃”的光学性能指标

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由上式可以清楚地看到,U值的大小与玻璃对太阳光谱的通透性能无关,而玻璃隔热涂料的隔热机理在于提高太阳光谱近红外波段的反射率。因此,应着重关注对Sc 的要求,而不以K 值进行评定。


3.2 可见光透过率与节能的相关性

试验所涉及的8种产品可见光透过率均大于45%,太阳光直接透射比最大不过62%,完全符合J C / T536-1994的要求。而在遮蔽系数的结果中,一半产品位于60%~70%,另一半位于70%~80%。


换句话说,仅有一半的产品符合G B 50189-2005中对寒冷地区的要求。事实上,之所以出现遮蔽系数偏大的结果,根源在于可见光透过率偏大。当大气质量为1时,在太阳光谱300~1 800 nm的波段范围内,380~780 nm可见光范围的辐照强度占到了总辐照强度的57.47%,而780~1 800 n m近红外波段的辐照强度仅占总辐照强度的39.81%。


正如图5中所体现的,虽然试样4溶剂型玻璃隔热涂料的遮蔽系数是8个产品中最好的,仅有62.6%。而其可见光却只有49.3%,比水性涂料中最低的还低17.43%。其以损失17%的可见光透过率换回在遮蔽系数上1.7%的优势,反映出其在近红外波段的透过率要高于水溶性产品,但从节能的角度来看,该产品仍然是所有产品中最好的。


而其他的水性隔热涂料的可见光透过率和遮蔽系数的趋势及增减幅度基本一致,反映了各产品在近红外波段的通透效果基本一样,其遮蔽系数的大小基本由可见光透过率的大小决定。换句话说,如要有效减低遮蔽系数,单纯靠降低近红外波段的透过率还是远远不够的,只有一定程度上牺牲可见光的通透效果,才能达到Sc 在45%以下。


3.3 半球发射率与节能的相关性

半球发射率反映的是涂料通过红外辐射的形式把吸收的太阳热量发射到空气中的能力。曾有报道认为高发射率的玻璃隔热涂料也有助于节能。但实际上这种阐述并不确切。由于玻璃隔热涂料的使用部位多见于中空玻璃非暴露面或单片玻璃室内侧面。这种使用部位的限制,导致无论是在玻璃遮蔽系数的计算上(公式4~5),还是在中空玻璃的U值的计算上(公式1~3),都是随着发射率的升高,遮蔽系数及U 值均有一定程度的提高,影响最终的节能效果。单片玻璃遮蔽系数计算公式[5]:

单片玻璃遮蔽系数计算公式[

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式中,Sc ——遮蔽系数;

σ s——3 m m厚的普通透明平板玻璃的太阳能总透过率,其理论值取88.9%;

σe——试样的太阳光直接透射比;

αe——试样的太阳光直接吸收比;

εi——半球辐射率。

而目前,无论是溶剂型还是水溶性产品的半球发射率均不同程度高于普通白玻。有效降低涂层半球发射率或许是该产品进一步的研究方向。

 

4 结 语

随着近年来玻璃隔热涂料在技术上的不断成熟,市场上绝大部分产品的常规性能优良,完全满足使用于一般建筑玻璃内侧面或中空玻璃非暴露面的要求。此类产品对于太阳光谱有选择性地明显降低近红外波段辐射的透过率,从而在不严重影响玻璃采光及视野的前提条件下,减小太阳辐射及门窗玻璃的遮蔽系数,起到隔热、节能的作用。但不可否认的是,由于部分企业及客户在认识上存在误区,导致此类产品在某些方面仍有待改进。

(1) 较高的可见光透过率自然有利于建筑采光,但从节能的角度来讲,可见光透过率不是越大越好。由于可见光部分占了太阳总辐射能的40%。因此只有在一定程度上降低可见光透过率才能满足G B50189-2005“公共建筑节能设计标准”中对夏热冬暖区提出的Sc≤0.45的要求。

(2) 辐射隔热是通过辐射的形式把物体吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到空气中,从而达到良好隔热降温效果。但对于玻璃隔热涂料而言,由于其多使用于中空玻璃非暴露面或单片玻璃室内侧面,随着产品半球发射率的提高,玻璃整体的遮蔽系数及U 值都随之升高,从而降低产品的节能效果。

(3) 产品质量优良,技术成熟,相关科研院所及单位应加紧对此类产品标准的编制工作。


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