基于十酸的復合玻璃的光學性能研究

馬曉震 柯秀芳 周科 曾國勛 林志飛

廣東工業大學材料與能源學院

0 引言

在建筑圍護中，作為承擔采光和美化功能的窗戶、幕墻等玻璃圍護屬于輕質結構，更容易獲得過多太陽得熱或形成過多散熱，隔熱或保溫效果差，造成建筑冷熱負荷能耗增加（為墻體的數倍），室內環境溫度波動大，熱舒適性降[1]。為了解決玻璃圍護結構存在的問題，目前己發展了一些技術，這些技術包括吸熱玻璃，鍍膜或貼膜玻璃，中空的、真空的或填充氣凝膠的雙層或多層玻璃。隨著PCM 在建筑領域的廣泛應用，利用PCM 作為建筑中玻璃圍護結構的蓄熱載體，以提高這類輕質結構的夏季隔熱或冬季保溫性正成為一個重要的研究和發展方向[2-10]，其夏季隔熱的機理是：當PCM 填充在玻璃之間時，處在固體狀態的PCM能夠使太陽能輻射中的可見光部分透過，仍可實現玻璃的采光功能。而紅外和遠紅外部分則被PCM 吸收轉變為熱量儲存起來而不進入室內，從而降低通過玻璃圍護結構的太陽得熱，減少建筑的空調能耗。研究發現在PCM 沒有完成相變之前，對于降低建筑的得熱是有益的，但當PCM 完全熔化后，PCM 玻璃溫度要比常規中空玻璃溫度高很多，原因是液態的PCM 能夠吸收更多的太陽輻射，容易形成過熱，這對于減少太陽輻射得熱是不利的。當PCM 完全為液相，比起沒有PCM 的系統，建筑的得熱是增加的[11-12]。

針對液態PCM 更易吸收太陽輻射的特性，本文采用在PCM 中添加紅外反射能力較強材料的方法，通過增強PCM 對太陽輻射中紅外和遠紅外部分的反射，降低對這部分光吸收而轉化的熱量，期望解決PCM 變為液相時引起的過熱問題。

1 光學性能測試

本文使用SHIMADZU 公司生產的紫外-可見-近紅外分光光度計UV-3600Plus，采用雙光路、全反射的方法對夾層添加PCM 及紅外反射材料中空玻璃的反射率和透射率進行測試，測試用的試樣玻璃為普通浮法玻璃，尺寸為40 mm×40 mm，厚度為3 mm，中間空氣層厚度為3 mm，添加PCM 后采用玻璃膠進行密封處理，確保無泄露。

試樣玻璃夾層中添加的相變材料為十酸，分子式為CH3(CH2)8COOH，分子量為172.26。玻璃和相變材料的熱物理性能參數見表1。十酸的熔點為32.14 ℃，接近于夏季白天炎熱時段的氣溫，能夠在炎熱時段通過融化而吸熱。

PCM 中添加的紅外反射特性較強的氧化鈦（TiO2），可用于制備紅外反射膜，被證實有較強的紅外反射能力，并且二氧化鈦材料無毒，化學性質穩定，價格便宜，合成方法成熟，適宜批量應用。

在玻璃試樣中封裝相變材料時，首先將CH3(CH2)8COOH 熔化為液體，將氧化鈦按一定的比例注入中空玻璃內并攪拌均勻，常溫冷卻后進行PCM在固態時玻璃試樣的反射率和透射率測量。利用熱風筒將試樣加熱至PCM 融化后進行液態時玻璃試樣光學參數的測量。

2 測試結果及分析

2.1 實驗分組

為了便于對比分析，測試試樣分為11 組：①普通浮法中空玻璃（內充空氣）；②復合玻璃（內充相變材料十酸，固態）；③復合玻璃（內充相變材料十酸，液態）；④復合玻璃（內充相變材料十酸+0.2%氧化鈦，固態）；⑤復合玻璃（內充相變材料十酸+0.2%氧化鈦，液態）；⑥復合玻璃（內充相變材料十酸+1%氧化鈦，固態）；⑦復合玻璃（內充相變材料十酸+1%氧化鈦，液態）；⑧復合玻璃（內充相變材料十酸+5%氧化鈦，固態）；⑨復合玻璃（內充相變材料十酸+5%氧化鈦，液態）；⑩復合玻璃（內充相變材料十酸+10%氧化鈦，固態）；?復合玻璃（內充相變材料十酸+10%氧化鈦，液態）；?復合玻璃（內充相變材料十酸+20%氧化鈦，固態）；?復合玻璃（內充相變材料十酸+20%氧化鈦，液態）；?復合玻璃（內充相變材料十酸+30%氧化鈦，固態）；?復合玻璃（內充相變材料十酸+30%氧化鈦，液態）。使用紫外-可見-近紅外分光光度計分別測量15組試樣在220～2600 nm 光譜的反射率、透射率。

2.2 PCM 為固態時復合玻璃反射率試樣曲線

如圖1 所示，夾層為空氣的中空玻璃在整個波段的反射率都是比較低，基本維持在5%上下。當中空玻璃內部為固態十酸（試樣②曲線）時，復合玻璃系統整體的反射率明顯升高，在400～1100 nm 部分可見光和紅外波長范圍內的反射率基本維持在27%上下，反射率升高了20%左右，結果與文獻[13]中填充石蠟的PCM 玻璃測試結果趨勢相似。在十酸添加較低比例氧化鈦（試樣④、⑥曲線）后，復合玻璃的反射率變化不大，甚至是當添加比例為0.2%（曲線④）時，反射率略有降低。但當添加比例逐漸加大，尤其是在20%、30%（試樣12、14曲線）時，與試樣②曲線相比，反射率在500～1200 nm 范圍內大大提高，提高幅度為20%上下。PCM 中添加氧化鈦的復合玻璃在1200～1700 nm 波長范圍反射率也得到提高，但幅度不大。

2.3 PCM 為固態時復合玻璃透射率試樣曲線

圖1 PCM 為固態時復合玻璃反射率試樣曲線

由圖2 可以看出，添加了紅外反射材料的十酸，在固態時，與曲線①相比，透射率有較大幅度降低（試樣④曲線），十酸添加氧化鈦后，透射率更進一步降低。在氧化鈦添加比例為5%、10%（試樣⑧⑩曲線）時，兩者透射率變化趨勢較為接近，在500～1200 nm 波長范圍內，維持在11%上下，在1200～1700 nm 波長范圍內，透射率波動較大。在氧化鈦添加比例為20%、30%（試樣? ?曲線）時，兩者透射率變化趨勢較為接近，在500～1200 nm 波長范圍內，維持在9%上下，在1200～1700 nm 波長范圍內，透射率波動較大。而在1700～2600 nm 范圍內，系統透射率不隨氧化鈦添加比例發生變化，維持在0 附近。

圖2 PCM 為固態時復合玻璃透射率試樣曲線

2.4 PCM 為液態時復合玻璃反射率試樣曲線

由圖3 可知，氧化鈦添加比例較低時（試樣⑤曲線），系統反射率在400～1200 nm 范圍內有較小幅度的提升。當添加氧化鈦比例達到1%（試樣⑦曲線）時，系統反射率在400～1500 nm 范圍內有了較大的幅度的提高。當添加氧化鈦比例達到5%、10%、20%、30%時（試樣⑨曲線），在400～1500 nm 范圍內，相較試樣⑤⑦曲線的情況，反射率最高提升了近50%，效果顯著，在1500～2600 nm 范圍內，反射率波動較大，但也有較為明顯的提升。

圖3 PCM 為液態時復合玻璃反射率試樣曲線

2.5 PCM 為液態時復合玻璃透射率試樣曲線

由圖4 可發現，隨著氧化鈦比例逐漸添加，系統整體的透射率逐漸降低。對比試樣③⑤⑦⑨曲線的情況，可以發現，透射率在500～1700 nm 范圍內，下降幅度較大，接近20%，在1700～2600 nm 范圍內，系統透射率變化較小。當氧化鈦添加比例達到5%、10%時（試樣⑨曲線），兩者的系統透射率在整個測試波長范圍內變化趨勢接近一致，變化幅度較小。當氧化鈦添加比例達到20%、30%時，系統透射率在整個測試波長范圍內都維持在0 附近。

圖4 PCM 為液態時復合玻璃透射率試樣曲線

3 結論

由實驗曲線可知，當中空玻璃夾層中添加十酸后，在十酸為固態時，復合玻璃的反射率明顯升高，而十酸是液態時，反射率略有下降。當十酸為固態時，復合玻璃的透射率大幅度降低，維持在30%上下，而十酸為液態時，復合玻璃的透射率在400～1500 nm 范圍內變化較小，在1500～2600 nm 范圍內，下降幅度較大。在添加紅外反射材料氧化鈦后，添加氧化鈦的十酸是固態且氧化鈦添加比例達到5%以上時，復合玻璃系統在220～2600 nm 波長范圍內，反射率都有明顯的升高，添加比例為30%時，效果最佳。對于透射率，10%比例的氧化鈦較為適用。添加氧化鈦的十酸是液態時，且氧化鈦添加比例為5%以上時，反射率改善較為明顯，相較純液態十酸的情況，在500～1500 nm 范圍內，反射率提升幅度達到了30%。但當氧化鈦添加比例達到20%、30%時，復合玻璃的透射率較低，相較純液態十酸的情況，透射率在500～1500 nm 范圍內，降低幅度平均達到了60%。對比添加氧化鈦的十酸在固態、液態的反射率可以發現，氧化鈦對改善液態十酸的反射率優于對固態十酸反射率的改善。