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透明隔热涂料及其在节能玻璃中的应用浅析,概述了透明隔热涂料国内外的研究进展,介绍了透明隔热涂料的隔热原理,中国玻璃网,meesm.com
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透明隔热涂料及其在节能玻璃中的应用浅析,概述了透明隔热涂料国内外的研究进展,介绍了透明隔热涂料的隔热原理
2020年09月16日    阅读量:     新闻来源:中国玻璃网 meesm.com  |  投稿

0 前 言

据统计,在整个建筑能耗中门窗玻璃部分占到30%~40%以上,透明隔热玻璃涂料是提高玻璃节能性能的重要新型方式之一。透明隔热涂料技术要求高、施工应用难度大,是近年来节能涂料领域发展的热点。随着透明隔热涂料标准、节能涂膜玻璃标准、涂膜应用规程以及涂膜节能玻璃门窗图集的完善以及纳米材料技术的发展,透明隔热涂料必将迎来快速发展的春天中国玻璃网meesm.com

 

1 透明隔热涂料国内外研究进展

透明隔热涂料是一种对可见光具有高透过性、对红外线或热辐射具有较好的反射性(或阻隔性)的涂料,该涂料主要由对太阳光具有光谱选择性的半导体金属氧化物微粒和透明树脂组成。


美国、日本、韩国等国家有关透明隔热纳米涂料的研究开展得比较早,研究的重点主要集中在无机功能材料的选择方面,如ITO(氧化铟锡)、ATO(锑氧化锡)及氧化锡等。


Nanophase Technologies Corporation将半导体纳米材料(ITO、ATO、ZnO、Al2O3、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。


Triton Systems公司生产的Nanotufm Coatings中含有纳米Al2O3,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,可用作飞机座舱盖、轿车玻璃和建筑物玻璃的保护涂层。


国内方面,2002年左右南京工业大学赵石林等研制成功了含纳米ATO、ITO粉体的透明隔热涂料。其采用在水中分散好的氧化铟锡(ITO)水浆,以及有机硅树脂成膜剂,通过加入共溶剂并调整体系pH值制得了性能好的透明隔热涂料。该涂料具有良好的光谱选择性,在可见光区具有高的透过性,并能有效阻隔红外光区的热辐射。


近年来纳米材料的制备和分散研究为制备价格适中、性能优良的透明隔热提供了一条新的思路,具有宽能隙的n-型半导体材料如氧化铟锡(ITO)、氧化锡锑(ATO)、掺铝氧化锌(ZAO)等以及各种掺杂的半导体氧化物纳米级分散体已经得到批量生产。


其在红外光区有高的阻隔率,在可见光区有高的透过率,在紫外区有高的吸收率,因此是理想的透明隔热材料。核心技术是纳米材料的均匀稳定的分散和对不同波段光波的优选复配。


透明树脂(或乳液)是透明隔热涂料的另一种核心成分,一般选用丙烯酸、聚氨酯、有机硅树脂(乳液),形成透明的膜层。长期以来关于玻璃表面用透明涂料的成膜物质的研究较少,目前看来成膜物质的性能对透明隔热涂料的应用至关重要。成膜物质需要具备高透明性、高硬度、良好的附着力、耐冻融性、耐水性等,同时应具有良好的施工性,这样才能适应玻璃的长期使用环境要求。2011年发布的《建筑玻璃用隔热涂料》标准(JG/T 338—2011)对透明隔热涂料提出了明确的要求,为透明隔热涂料的推广奠定了基础。

 

2 透明隔热涂料隔热原理

透明隔热涂料主要通过阻隔太阳光中红外光部分的辐射热实现隔热功能。红外线的辐射热占太阳光总额能量的接近50%(见图1)。

太阳辐射能量示意图

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透明隔热涂料在玻璃表面涂覆形成均匀的透明涂膜,涂膜中的纳米导电粒子含有一定浓度的电子空穴,而引起自由载流子的吸收。具体表现在太阳光谱中,波长在小于400 nm的紫外线区,涂膜吸收率为90%左右;波长在400~800 nm的可见光区,涂膜透过率不受影响;


波长在800~2 500 nm的近红外区域, 由于太阳入射光的频率高于涂膜中纳米导电粒子的振动频率,引起了其离子的高反射,对分布于红外波段占43%左右的太阳能量起反射阻隔作用。由此可见,纳米透明隔热涂料对太阳光谱具有选择性,从而表现出具有吸收紫外线,透过可见光,阻隔红外热辐射的综合性能。

 

3 透明隔热涂料在节能玻璃中的应用

3.1 透明隔热玻璃涂料的节能作用

透明隔热玻璃涂料的特点是在保证高透光性的前提下,可以阻挡太阳光中的大部分红外光进入室内,从而在炎热天气,可以大大减少太阳光热量进入室内。一般使用该涂料后,与未涂隔热涂料的建筑空

间比阳光直射玻璃附近温度相差8~13 ℃。其光学性能指标见表1。

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光学性能指标

3.2 节能镀膜玻璃与普通玻璃的性能对比

节能镀膜玻璃具有透明遮阳、隔热保温、防止眩光、防紫外线、减小光污染等功能,涂层附着力强、寿命长、理化性能优越,耐酸性在(23±2) ℃、1 mol/L HCl、24 h环境下ΔT=1.23%,耐碱性在(23±2) ℃、1 mol/L NaOH、24 h环境下ΔT=0.37%。


由此可见,建筑玻璃纳米改性节能膜抗酸碱性能优越,在恶劣的室外环境中不会有任何变化,保证了产品的性能会得到良好的发挥。


同时,镀膜硬度高、耐候性好,具有良好的视觉效果;表面涂层与硅酮橡胶、丁基橡胶、聚硫密封胶等具有良好的相容性;节能镀膜玻璃耐低温可达-30 ℃,耐高温可达550 ℃,单片玻璃可以用于生产夹胶玻璃、真空玻璃,也可单片使用,解决了同类Low-E玻璃不能单片使用的缺陷。


节能镀膜玻璃是根据应用区域的不同,在满足遮阳系数(SC)、隔热系数U(K)值的基础上,可对产品的遮蔽系数进行调节。在既有建筑改造工程中,镀膜干燥迅速,污染少,绿色环保。通过实验,其与普通浮法玻璃性能对比结果如下:



3.2.1 表观性能

普通浮法玻璃在生产、运输、以及后续的钢化、中空、夹胶等深加工过程中,都会对玻璃的表面造成一定的损伤,节能镀膜玻璃在加工的过程中,会对玻璃表面进行一定的修复使其更加平整,从而减小了眩光的产生。

图2是节能涂膜玻璃和普通玻璃表面的电镜图对比。由对比明显可见,节能涂膜玻璃微观表面致密平滑,普通玻璃微观表面凸凹不平。

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节能涂膜玻璃和普通玻璃表面的电镜对比图


3.2.2 节能镀膜玻璃性价比评价

为了综合评价节能镀膜玻璃产品的性价比,研究人员采购了大量的同类产品,进行了全方位的比较。表2是南方某大型Low-E玻璃厂的一款型号为SG-500型在线Low-E玻璃样及其检测报告,以及国内某知名企业生产的镀膜玻璃样品。


综合比较的相关数据如表2所示,Low-E玻璃数据来自其检测报告,普通玻璃数据为实测数值,节能涂膜玻璃的数据为国家玻璃质量监督检验中心检测的数据。


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几种玻璃性价比评价

图3是根据以上参数,假定在夏季室外35 ℃、冬季室外-5 ℃、室内维持20 ℃时,各类玻璃的隔热性能对比图。

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隔热性能对比图

从图3可以看出,节能涂膜玻璃的节能效果良好,相对于普通中空玻璃,夏季节能35.91%,冬季节能70.26%。节能涂膜玻璃相对于Low-E中空夏季节能22.28%,冬季节能15.44%。因此,节能涂膜玻璃不但具有良好性能,同时在价格方面也具有很强的优势。


3.3 节能涂膜玻璃的生产工艺

将透明隔热涂料应用于玻璃表面,可以制成隔热节能涂膜玻璃。但涂料的涂膜工艺至关重要。长期以来涂膜玻璃的生产工艺一直是制约涂膜节能玻璃推广的重要因素。


江苏晨光涂料公司与南京工业大学合作最早从事规模化生产工艺实践,北京首创纳米科技公司、北京建工技术公司等通过承担重大科技计划项目研制出了全自动涂膜玻璃生产线(见图4),实现了节能涂膜玻璃的规模化生产。


设备采用自动打印喷涂、快速加热固化工艺,产品质量稳定高效,产品在北京、江苏等地得到了很多示范应用,通过了江苏省住建厅的认证,该技术也将列入北京市建筑节能地方规范。相对于Low-E镀膜玻璃的生产线,自动涂膜玻璃生产线的成本只有几十分之一。

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全自动涂膜玻璃生产线

利用透明隔热涂料进行现场玻璃涂膜加工处理是实现既有建筑门窗玻璃节能改造的重要手段,长期以来现场施工工艺一直是制约隔热涂料推广发展的主要因素。目前已经取得重要突破,基本实现了现场施工的一整套专用设备和施工验收规范,2016年《建筑玻璃膜应用技术规范》已经正式发布实施。常用的淋涂施工工艺如图5所示。

常用的淋涂施工工艺

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3.4 节能涂膜玻璃的应用案例

大量的应用工程表明(见图6),利用透明隔热涂料进行既有建筑玻璃门窗现场施工处理可以很好地达到夏季隔热的效果,在北京、江苏等地都获得了明显的收效。

建筑玻璃门窗有无透明隔热涂层温度对比值

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南京市玄武区某地产项目B区商务办公楼,剪力墙结构,地上33层,地下1层,建筑面积为14 000 m2,建筑总高度103.7 m。该项目建成于2008年并投入使用,其中,门窗幕墙面积5 900 m2,原玻璃采用6+12A+6普通中空玻璃。该地区夏季平均高温31 ℃,夏季平均低温23 ℃;冬季平均高温8.6 ℃,冬季平均低温0.3 ℃,目标:要维持室内温度为20 ℃。运行1 a后节约的电耗数据如表3所示。


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门窗幕墙涂覆透明隔热玻璃涂料运行1 a后节约的电耗数据

由此可见,使用纳米透明隔热玻璃涂料后,可以明显降低用于空调的电耗。

 

4 结 语

透明隔热涂料近年来发展很快,节能涂膜玻璃由于具有良好的节能效果和优异的性价比,必将在未来的建筑节能领域具有光明的发展前景。


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