雷亞玲， 曾和平， 房麗婷， 江 河， 黎長城， 呂梅香

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣州 510006)

建筑能耗在能源消耗中占30%～40%[1]，引起人們的高度重視. 影響建筑能耗最直接的因素是建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，目前，我國對建筑圍護結(jié)構(gòu)主要推行外墻外保溫和屋面保溫系統(tǒng)，且技術(shù)已經(jīng)成熟，而對改善門窗的保溫隔熱性能技術(shù)還不夠成熟. 普通玻璃窗的傳熱系數(shù)是墻體的3.2倍，是屋頂?shù)?倍，因此，普通玻璃窗成為建筑保溫圍護結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)[2].Low-E 玻璃、真空玻璃、貼膜玻璃、吸熱玻璃和熱反射玻璃等節(jié)能玻璃以及熱反射玻璃薄膜相繼問世，以增加對紅外線的反射和吸收，隔離輻射熱，從而達到隔熱降溫的目的. 其中，涂膜玻璃是在玻璃表面通過一定的工藝涂上一層透明隔熱涂料，在滿足室內(nèi)采光需要的同時 (即有著較高的可見光透過率)，又使玻璃具有一定的隔熱功能[3]. 然而，對于建筑物的大面積窗口及透明頂棚、汽車窗口等大量使用玻璃的場合，隔熱問題并沒有得到很好的解決. 在這些節(jié)能玻璃和玻璃膜中，大部分可見光透光率較低，隔熱性能不佳，并且價格太高，工藝太復(fù)雜，實際應(yīng)用范圍受到限制.

納米摻銻二氧化錫(Antimony doped Tin Oxide，簡稱ATO)粉體在近紅外區(qū)具有很強的反射率. 已有研究表明，用納米 ATO制成的薄膜不僅在可見光區(qū)具有良好的透過率，且具有較好的紅外屏蔽效果，因此納米ATO粉體是一種良好的納米添加劑[4-13]. 高建賓等[14]將納米 ATO 高速分散到單組分丙烯酸酯 PSA(壓敏膠)中，然后將其涂布在 PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)膜上制得涂層，結(jié)果表明，涂層能在保持70%可見光透過率的同時，具有較好的隔熱效果. 黎燕利等[15]合成了納米 ATO 水性漿料并作為唯一填料，WPU(水性聚氨酯)為主要成膜物質(zhì)，制備得到納米 ATO 涂料. 涂膜可見光區(qū)平均透過率高達71.3%，紅外光區(qū)平均屏蔽率達60.3%，透明隔熱性良好.

目前納米ATO透明隔熱玻璃主要缺點在于透明度與隔熱性不能同時滿足要求，透明度主要集中在70%左右，其透明度與復(fù)雜的工藝阻礙了其工業(yè)化. 有機硅丙乳液成膜性能好，相比PVB(聚乙烯醇縮丁醛)樹脂、EVA樹脂(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)其成膜操作工藝簡單，隔熱性能好. 本研究選取有機硅丙乳液，以證實其與ATO漿料混合制備薄膜的可行性，透明度與隔熱性能否滿足要求，為其工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 實驗方法

1.1 試劑及儀器

二水合氯化亞錫[SnCl2·2H2O,AR]；三氯化銻[SbCl3,AR]；無水乙醇(CH3CH2OH,AR)；聚丙烯酸鈉[PAAS,CP]；硅丙乳液均市售.

SX2-4-13 馬弗爐(上海雷韻實驗儀器制造有限公司)；CQX25-06 超聲波清洗器(上海必能信超聲有限公司)；85-2 恒溫磁力加熱攪拌器(江蘇環(huán)宇科學(xué)儀器廠)；電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱(上海索譜儀器有限公司)；線棒涂布器(上海島原精密儀器有限公司)；UV-1700 紫外可見分光光度計(日本島津)；自制隔熱箱.

1.2 ATO透明隔熱薄膜的制備

1.2.1 納米ATO粉末的溶膠-凝膠法制備 稱取一定量SnCl2·2H2O溶于無水乙醇中，利用磁力加熱攪拌器在76 ℃下回流攪拌2 h；然后稱取一定量SbCl3溶于無水乙醇中，加熱攪拌使其溶解成均勻穩(wěn)定的體系；將SbCl3乙醇溶液滴加到SnCl2的乙醇溶液中，在80 ℃繼續(xù)回流攪拌4 h；在空氣中靜置24 h，即得到ATO溶膠[16-17]. 將所得溶膠在密封容器中攪拌加熱到70 ℃(保持70 ℃恒溫)后，敞開容器，加速其蒸發(fā). 待溶劑蒸發(fā)完后，得到一種黃色粘稠物，即醇鹽顆粒，將其在800 ℃下煅燒 8 h，然后研磨產(chǎn)物，得到均勻細小的ATO粉體.

1.2.2 水性ATO漿料的制備 稱取一定量聚丙烯酸鈉(PAAS)于圓底燒瓶中，加入去離子水，用機械攪拌分散30 min，控制轉(zhuǎn)速為1 200 r/min；稱取一定量ATO加入圓底燒瓶中，繼續(xù)攪拌30 min，控制轉(zhuǎn)速為1 200 r/min；將0.2～0.3 mm的鋯珠先用74 μm的分子篩過篩，然后稱取100～105 g過篩后的鋯珠于100 mL的聚氨酯罐中，將混合液轉(zhuǎn)移至聚氨酯罐中，用玻璃棒攪拌均勻，密封好放入球磨機中；每隔60 min轉(zhuǎn)向交替，速度控制在390 r/min，一次球磨4 h，總共球磨16 h；球磨結(jié)束后，將混合物用74 μm的分子篩過篩，濾出深藍色均一穩(wěn)定的漿料，密封備用.

1.2.3 ATO復(fù)合乳液及薄膜的制備 分別測定硅丙乳液的固含量與所制備的水性漿料的固含量，按水性漿料中ATO的質(zhì)量百分比為1%、2%、3%、5%、7% 配置成乳液與漿料的混合液. 將混合液使用50 μm的線棒涂布器于載玻片和230 mm×230 mm的普通玻璃上涂膜，室溫下自然晾干5 h，ATO質(zhì)量百分比為1%、2%、3%、5%的薄膜透明均一，而含ATO為7%的薄膜表面出現(xiàn)顆粒狀小點，表觀不符合要求，該涂料放置一段時間后，底部出現(xiàn)沉降，而其余含量均能穩(wěn)定存放3個月以上. 因此選擇ATO含量為1%、2%、3%、5%的薄膜進行隔熱和透光性測試.

1.2.4 薄膜的隔熱、透光性能的測試 對載玻片表面ATO薄膜使用UV-1700紫外可見光譜儀進行透明度的表征，對230 mm×230 mm玻璃表面ATO薄膜采用自制小型隔熱箱(圖1)進行隔熱效果的測定. 光源采用與太陽光光譜相近的150 W碘鎢燈，距樣板表面距離為400 mm，樣板采用5 mm厚的普通光學(xué)玻璃. 木箱內(nèi)側(cè)底部各放置一個涂有黑色無光漆的250 mm×250 mm×1 mm鐵板，鐵板下各放一個熱電偶測溫儀，并與之充分接觸. 測試時，將待測樣板涂層朝下放置，用測溫儀同時測定樣板和空白玻璃表面溫差的變化，以研究其隔熱性能[3].

圖1 隔熱測試實驗箱示意圖

Figure 1 Schematic diagram of the experimental box for the heat-insulating test

1-隔熱木箱；2-光源；3-空白玻璃；4-涂膜玻璃；
5,6-底板；7,8-熱電偶

2 結(jié)果與討論

對ATO含量為 1%、2%、3%、5%的透明薄膜的性能進行研究，結(jié)果如下.

2.1 透明度的表征

圖2為空白玻璃和ATO含量為1%、2%、3%、5%的ATO薄膜在紫外可見區(qū)透過率變化曲線.

圖2 ATO薄膜紫外可見吸收譜

ATO薄膜在可見區(qū)均具有較高的透過率. 在330 nm處，ATO 含量為1%與2%的薄膜其透過率僅為38.18%，而空白玻璃的透過率為68.59%，因此ATO薄膜具有較強的紫外屏蔽作用. 隨著ATO含量的增加，紫外透過率逐漸降低，屏蔽紫外作用逐漸增強，但可見透過率逐漸降低. ATO含量為1%的薄膜可見光區(qū)透過率最高達到86%，5%的薄膜可見光區(qū)最高透過率可達到80%. 由此可見，ATO薄膜具有較高的可見光區(qū)透過率和較強的屏蔽紫外的作用.

2.2 隔熱性能表征

圖3為ATO薄膜的隔熱性能測試結(jié)果. 所選空白為單純用乳液所涂的玻璃. ATO薄膜熱阻隔性明顯提高，表1列出了不同ATO含量薄膜最終穩(wěn)定的隔熱溫度，隨著ATO含量的增加，薄膜的隔熱性能逐漸增強. ATO含量為1%時，隔熱僅為4 ℃，而ATO含量為5%時，隔熱達到了10 ℃. ATO薄膜的隔熱效果明顯增強且性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的熱阻隔能力.

圖3 不同ATO質(zhì)量百分含量薄膜的隔熱性能

ATO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%隔熱溫度/℃142638510

2.3 薄膜基本性能

選定表觀符合要求、隔熱性和透光性均好、ATO含量為5%的樣品，根據(jù)涂料行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)進行基本性能的測試(表2)，樣品不僅隔熱效果好，透光率高， 而且具有良好的綜合性能.

表2 納米ATO透明隔熱薄膜綜合性能Table 2 Properties of ATO insulation films

3 結(jié)論

以有機硅丙乳液為成膜物，以ATO水性漿料為填料，制備了納米ATO隔熱薄膜.研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ATO質(zhì)量百分比為5%時，涂層的表觀、透明度、隔熱性能良好，并且耐水性、耐熱性、表干時間等綜合性能均符合要求. 該透明隔熱涂料在可見光區(qū)最高可達到80%以上， 平均透過率75%以上，滿足了隔熱玻璃對透明的要求，并且隔熱測試表明透明薄膜具有明顯的隔熱效果， 在碘鎢燈照射下透明隔熱玻璃和空白玻璃之間的溫差達到10 ℃.

較強的隔熱性能與良好的透明度的結(jié)合，顯示出了其在建筑隔熱玻璃，汽車擋風(fēng)玻璃等方面的潛在的應(yīng)用前景.

參考文獻：

[1] 江億. 我國建筑能耗趨勢與節(jié)能重點[J].建筑科技,2006,7(4):10-14.

Jiang Y. The key to building energy consumption trend and energy saving in China[J]. Construction of Science and Technology, 2006,7(4):10-14.

[2] 劉成樓. 納米 ATO透明隔熱涂料的研制[J].現(xiàn)代涂料與涂裝,2010,13(2):6-9.

Liu C L. Study on Nano ATO Transparent Anti-heat coatings[J].Modern Paint and Finishing, 2010, 13(2): 6-9.

[3] 張中俊. 納米ATO隔熱涂料的制備及其性能研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2011.

Zhang Z J. Study on preparation and performance of nano ATO heat insulation coatings[D]. Guangzhou: South China University of Technology,2011.

[4] 馮暉. EVA/ATO透明隔熱中間膜的制備及性能研究[J].塑料工業(yè),2010,38(1):11-15.

Feng H. Study on the preparation and properties of transparent and heat-insulation EVA/ATO interlayers[J].China Plastics Industry,2010,38(1): 11-15.

[5] Khun K K, Mahajan A, Bedi R K. Nanostructured Sb doped SnO2thick films for room temperature NH3sensing[J].Chemical Physics Letters,2010,492(1):119-122.

[6] Guzman G,Dahmani B,Puetz J,et al.Transparent conducting sol-gel ATO coatings for display applications by an improved dip coating technique[J].Thin Solid Films,2006,502(2):281-285.

[7] Shieh Y N, Hsieh P C, Chen C J. Fabrication of Antimony Doped Tin Oxide (ATO) Films For Heat Insulated Glass Coating[J].Advanced Materials Research,2011,168(4):1670-1674.

[8] 秦長勇,古宏晨,方圖南.新型多功能ATO超細導(dǎo)電粉體材料[J].上?；?2000,13(5):23-25.

Qin C Y, Gu H C, Fang T N. A novel multifunctional conductive material of ATO ultra-fine powder[J]. Shang Hai Chemical Industry, 2000,13(5):23-25.

[9] 龔圣,廖列文.納米銻摻雜氧化錫(ATO)的研究及其在透明隔熱涂料中的應(yīng)用[J].廣東化工,2011,38(7):67-70.

Gong S, Liao L W. Progress and application in transparent and heat insulating coatings of functional materials of nanometer antimony-doped tin dioxide[J].Guangdong Chemical Industry, 2011,38(7):67-70.

[10] 孟慶林,李寧,周荃,等.納米透明隔熱涂料的研制[J].太陽能學(xué)報,2006,27(11):11-17.

Meng Q L, Li N, Zhou Q, et al. Study on nano ATO transparent anti-heat coatings[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2006,27(11):11-17.

[11] 羅為,蘇達根,鐘明峰.納米摻銻二氧化錫/水性聚氨脂復(fù)合窗膜的制備與性能[J].新型建筑材料. 2011,38(11):87-89.

Luo W, Su D G, Zhong M F. Preparation and properties of nano-ATO/WPU composite window films[J]. New Building Materials,2011,38(11):87-89.

[12] 張向雨,應(yīng)靈慧,劉小云.納米ATO 透明隔熱有機硅涂料的研制[J].涂料工業(yè),2012,42(3):40-47.

Zhang X Y, Ying L H, Liu X Y. Study on the nano ATO based transparent heat-insulation silicone coating[J].Paint and Coating Industry, 2012,42(3):40-47.

[13] 馮杰,鐘明強,董紹春.納米ATO 提高PC陽光板的隔熱性能及機理[J].高分子材料科學(xué)與工程,2012, 28(7):75-78.

Feng J, Zhong M Q, Dong S C. Enhancement of heat insulating property and mechanism of PC sunshine sheet ATO nanoparticles[J].Polymer Materials Science and Engineering, 2012, 28(7):75-78.

[14] 高建賓,屈小紅,陳佳琳.玻璃窗膜用丙烯酸酯/ATO 隔熱壓敏膠的性能研究[J].中國膠粘劑,2010,19(12):31-34.

Gao J B, Qu X H, Chen J L. Study on properties of acrylate/ATO heat-insulation PSA for window film[J].China Adhesives, 2010,19(12):31-34.

[15] 黎燕利,陳明鳳.納米氧化錫銻涂料制備與透明隔熱性研究[J].化工新型材料,2010,38(8):114-117.

Li Y L, Chen M F. Study on transparent and heat insulating coatings prepared from nanometered indium tin oxide (ITO)[J].New Chemical Materials, 2010,38(8):114-117.

[16] 王小蘭,李歷歷,段學(xué)臣.溶膠-凝膠法制備 ATO 納米粉體的團聚及其控制[J].材料導(dǎo)報,2004,15(4): 154-155.

Wang X L, Li L L, Duan X C. Control of the reunion of nano ATO powder prepared by sol-gel method[J]. Material Review, 2004,15(4): 154-155.

[17] Xiang W, Chen Z H, Huang P.Y. Influences of dehydrating process on properties of ATO nano-powders[J].Transactions of Nonferrous Metals,2004,14(6):1123-1128.