ATO/PU透明隔熱涂料的制備與性能研究

榮金闖，吳 平，王 哲，黃 菊

建筑物、汽車、頂棚等大面積使用玻璃等透明材料時，太陽光的熱輻射產生的能耗問題將導致巨大的能源浪費[1-2]。而太陽光的光譜由紫外光波段（200～380 nm）、可見光波段（380～780 nm）和紅外線波段（780～2 500 nm）組成，其比例分別為3%，44%和53%?？梢娞柟獾哪芰炕緛碜钥梢姽鈪^和近紅外光區[3,4]。為了得到較好的透明隔熱效果，可在保證玻璃的透明性及透光性前提下，有效阻隔紅外光的能量。同時，隨著人們對低碳經濟的認可，節能環保類材料也成為研究的熱門[2,5-7]，為了滿足人們對于透明隔熱材料日益增長的需求，如何通過在玻璃上涂鍍透明隔熱膜達到預設的節能效果是當下我們研究的主要問題[8]。

納米氧化錫銻（Antimony Doped Tin Oxide，ATO）是一種具有較高選擇性的功能粉體，對可見光透過率高，而對紅外光卻具有較好的屏蔽性能。以ATO為填料制備的透明隔熱涂料涂覆在玻璃表面，將能起到較好的透光隔熱作用。本實驗以納米氧化錫銻為隔熱填料，水性聚氨酯為成膜物質，制備透明隔熱涂料，并對其透光性、隔熱性能和物理性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 原料及器材

納米氧化錫銻GN-P-A02，納米技術及應用國家工程研究中心；硅烷偶聯劑KH-570，化學純，國藥集團化學試劑有限公司；水性聚氨酯，工業級，濟寧華凱樹脂有限公司；聚乙二醇，消泡劑、流平劑等均為國產試劑。

多功能分散機CSF-400，上海創微機電設備有限公司；超聲波處理器FS-250N，上海生析超聲儀器有限公司；紫外-可見-近紅外分光光度計Lambda750，美國PE公司；醫用離心機，H1850，湖南湘儀實驗室設備有限公司。

1.2 透明隔熱涂料的制備

取一定量水性聚氨酯，用高速分散機在3 000 r/min轉速下以一定比例加入pH=9的自制ATO水性漿料，并加入硅烷偶聯劑攪拌30 min。攪拌過程中可加入少量有機硅消泡劑消泡。

將所制透明隔熱涂料用四刃框式涂布器涂膜面進行涂膜，均勻覆蓋于70 mm×30 mm×3 mm玻璃片上，涂膜前用稀鹽酸浸泡玻璃片以清除雜質。涂膜后放入恒溫干燥箱烘干固化，并用相同方法制備不含ATO漿料的空白試樣，用以對比試驗。所制備的涂膜中ATO質量分數分別為：0%，1%，2%，3%，4%，5%，10%，固化后待測。

1.3 透明隔熱涂料性能測試

1.3.1 透光性能

利用Lambda750紫外-可見-近紅外分光光度計測量涂膜在200～2 500 nm的透過率。測量時每隔5 nm記錄一次數據。

1.3.2 隔熱性能

隔熱性能測試使用規格為40mm×40mm×3mm玻璃片，分別于碘鎢燈和太陽光照條件下測試。自制涂膜隔熱性能測試裝置如圖1所示，用于測試涂膜隔熱性能。

圖1 碘鎢燈隔熱性能測試裝置

將涂抹隔熱涂料的玻璃與空白玻璃分別置于碘鎢燈兩側，將兩個溫度計分別放置于左腔室和右腔室。在泡沫箱底部放置500 W碘鎢燈光源，每隔30 min記錄一次數據，比較左右兩腔室內溫度變化，分析結果并比較。

1.3.3 物理性能

依據相關國家標準，按照GB/T 1720-1989測試方法，測試涂膜的漆膜附著力性能；按照GB/T 6739-2006測試方法，測試涂膜的鉛筆硬度性能；按照GB/T 1733-93測試方法，測試涂膜的漆膜耐水性能；按照GB/T 1735-1979測試涂膜的耐熱性能。

2 結果與討論

2.1 ATO固含量對透光性能的影響

對涂膜在400～2 500 nm波長范圍內的透過率測定結果如圖2所示?？梢钥闯?，空白玻璃組透過率超過90%，紅外透過率超過85%；1%固含量ATO涂膜透過率達到75%，紅外阻隔率僅為33%；2%固含量ATO涂膜可見光透過率為71%，紅外阻隔率為35%。當ATO 固含量達到3%時，其可見光透過率為71%，紅外阻隔率高達57%；當ATO固含量分別為4%，5%，10%時，可見光透過率僅為64%，57%，50%。由此可見，對含有ATO的涂膜，在400～720 nm可見光區域，樣品可見光透過率隨ATO固含量增大而減小，透光率較高；在720～500 nm的近紅外可見光區域，ATO固含量增大導致涂膜的紅外阻隔率越來越高。ATO固含量為3%時，同時滿足了對較高透光率和對紅外光有效的阻隔。

圖2 不同ATO固含量涂膜透光性能測試結果

2.2 涂膜厚度對透光性能的影響

在已獲得最佳ATO固含量為3%的基礎上改變涂膜厚度，分別制得75 μm，100 μm，125 μm，150 μm涂膜，對其在400～2 500 nm范圍內透過率測試，結果如圖3所示。

圖3 不同厚度涂膜透光性能測試結果

由圖3可知，100 μm涂膜與75 μm涂膜在可見光區的透過率相差不大，均超過70%，而100 μm涂膜在紅外光區的透過率明顯更低，紅外阻隔效果更佳。隨著涂膜厚度增加，125 μm及150 μm涂膜在可見光區透過率相較100 μm明顯降低，紅外光區透過率卻基本相當，所以涂膜厚度以100 μm為宜。

2.3 涂膜隔熱性能測試結果

2.3.1 日照條件下涂膜隔熱性能

在已確定ATO固含量3%配比和100 μm涂膜厚度的條件下，制備涂膜樣品，對涂膜樣品和空白玻璃進行隔熱性能測試，測試結果如圖4所示。

圖4 日照條件下隔熱箱內溫度變化曲線

由圖4可知，開始時二者溫差變化較小，隨著照射時間延長，溫差逐漸增大。經5 h的日照照射后，空白玻璃組隔熱室內溫度為31 ℃，而涂膜樣品隔熱室溫度僅為26.7 ℃，溫差達到4.3 ℃左右。

2.3.2 碘鎢燈照射下涂膜隔熱性能

以碘鎢燈做光源，對ATO固含量3%，厚度100 μm的涂膜樣品及空白玻璃組隔熱箱進行隔熱性能測試，測試結果如圖5所示。

圖5 碘鎢燈照射下隔熱箱內溫度變化曲線

由圖5可知，在碘鎢燈照射下，隨著時間變化兩隔熱箱內溫度急劇上升，溫差也隨之增大。照射1 min后，兩隔熱箱最大溫差就達到10 ℃左右，照射7 min，溫度已經達到非常高，停止實驗，此時溫差約20 ℃左右。說明以納米ATO為功能填料的透明隔熱涂料具有明顯的隔熱性能。

2.4 涂膜物理性能測試結果

隔熱涂料物理性能測試結果如表1所示。

表1 涂料物理性能測試結果

由表1可知，該涂膜樣品的附著力和硬度都較為出色，耐水性及耐熱性均能達到使用要求。

3 結語

采用納米ATO為功能填料，以水性聚氨酯為成膜物質制備了透明隔熱涂料，對其光譜性能、隔熱性能和物理性能進行測試，所得結論如下。

（1）當ATO固含量為3%，pH為9，涂膜厚度為100 μm時，制備出納米氧化錫銻透明隔熱涂料的涂膜光學性能最佳，可見光區透過率達70%，紅外阻隔率達60%。日照條件下隔熱實驗測得溫差約4.3 ℃。

（2）漆膜的附著力、耐水性、耐熱性測試實驗中，各涂膜樣品的附著力和硬度都較為出色，耐水性及耐熱性均能達到使用要求。

[參考文獻]

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