纳米掺锑二氧化锡隔热薄膜的制备及性能研究

雷亚玲， 曾和平， 房丽婷， 江 河， 黎长城， 吕梅香

(华南师范大学化学与环境学院，广州 510006)

建筑能耗在能源消耗中占30%～40%[1]，引起人们的高度重视. 影响建筑能耗最直接的因素是建筑围护结构的保温隔热性能，目前，我国对建筑围护结构主要推行外墙外保温和屋面保温系统，且技术已经成熟，而对改善门窗的保温隔热性能技术还不够成熟. 普通玻璃窗的传热系数是墙体的3.2倍，是屋顶的5倍，因此，普通玻璃窗成为建筑保温围护结构中的薄弱环节[2].Low-E 玻璃、真空玻璃、贴膜玻璃、吸热玻璃和热反射玻璃等节能玻璃以及热反射玻璃薄膜相继问世，以增加对红外线的反射和吸收，隔离辐射热，从而达到隔热降温的目的. 其中，涂膜玻璃是在玻璃表面通过一定的工艺涂上一层透明隔热涂料，在满足室内采光需要的同时 (即有着较高的可见光透过率)，又使玻璃具有一定的隔热功能[3]. 然而，对于建筑物的大面积窗口及透明顶棚、汽车窗口等大量使用玻璃的场合，隔热问题并没有得到很好的解决. 在这些节能玻璃和玻璃膜中，大部分可见光透光率较低，隔热性能不佳，并且价格太高，工艺太复杂，实际应用范围受到限制.

纳米掺锑二氧化锡(Antimony doped Tin Oxide，简称ATO)粉体在近红外区具有很强的反射率. 已有研究表明，用纳米 ATO制成的薄膜不仅在可见光区具有良好的透过率，且具有较好的红外屏蔽效果，因此纳米ATO粉体是一种良好的纳米添加剂[4-13]. 高建宾等[14]将纳米 ATO 高速分散到单组分丙烯酸酯 PSA(压敏胶)中，然后将其涂布在 PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜上制得涂层，结果表明，涂层能在保持70%可见光透过率的同时，具有较好的隔热效果. 黎燕利等[15]合成了纳米 ATO 水性浆料并作为唯一填料，WPU(水性聚氨酯)为主要成膜物质，制备得到纳米 ATO 涂料. 涂膜可见光区平均透过率高达71.3%，红外光区平均屏蔽率达60.3%，透明隔热性良好.

目前纳米ATO透明隔热玻璃主要缺点在于透明度与隔热性不能同时满足要求，透明度主要集中在70%左右，其透明度与复杂的工艺阻碍了其工业化. 有机硅丙乳液成膜性能好，相比PVB(聚乙烯醇缩丁醛)树脂、EVA树脂(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)其成膜操作工艺简单，隔热性能好. 本研究选取有机硅丙乳液，以证实其与ATO浆料混合制备薄膜的可行性，透明度与隔热性能否满足要求，为其工业化应用奠定基础.

1 实验方法

1.1 试剂及仪器

二水合氯化亚锡[SnCl2·2H2O,AR]；三氯化锑[SbCl3,AR]；无水乙醇(CH3CH2OH,AR)；聚丙烯酸钠[PAAS,CP]；硅丙乳液均市售.

SX2-4-13 马弗炉(上海雷韵实验仪器制造有限公司)；CQX25-06 超声波清洗器(上海必能信超声有限公司)；85-2 恒温磁力加热搅拌器(江苏环宇科学仪器厂)；电热鼓风恒温干燥箱(上海索谱仪器有限公司)；线棒涂布器(上海岛原精密仪器有限公司)；UV-1700 紫外可见分光光度计(日本岛津)；自制隔热箱.

1.2 ATO透明隔热薄膜的制备

1.2.1 纳米ATO粉末的溶胶-凝胶法制备 称取一定量SnCl2·2H2O溶于无水乙醇中，利用磁力加热搅拌器在76 ℃下回流搅拌2 h；然后称取一定量SbCl3溶于无水乙醇中，加热搅拌使其溶解成均匀稳定的体系；将SbCl3乙醇溶液滴加到SnCl2的乙醇溶液中，在80 ℃继续回流搅拌4 h；在空气中静置24 h，即得到ATO溶胶[16-17]. 将所得溶胶在密封容器中搅拌加热到70 ℃(保持70 ℃恒温)后，敞开容器，加速其蒸发. 待溶剂蒸发完后，得到一种黄色粘稠物，即醇盐颗粒，将其在800 ℃下煅烧 8 h，然后研磨产物，得到均匀细小的ATO粉体.

1.2.2 水性ATO浆料的制备 称取一定量聚丙烯酸钠(PAAS)于圆底烧瓶中，加入去离子水，用机械搅拌分散30 min，控制转速为1 200 r/min；称取一定量ATO加入圆底烧瓶中，继续搅拌30 min，控制转速为1 200 r/min；将0.2～0.3 mm的锆珠先用74 μm的分子筛过筛，然后称取100～105 g过筛后的锆珠于100 mL的聚氨酯罐中，将混合液转移至聚氨酯罐中，用玻璃棒搅拌均匀，密封好放入球磨机中；每隔60 min转向交替，速度控制在390 r/min，一次球磨4 h，总共球磨16 h；球磨结束后，将混合物用74 μm的分子筛过筛，滤出深蓝色均一稳定的浆料，密封备用.

1.2.3 ATO复合乳液及薄膜的制备 分别测定硅丙乳液的固含量与所制备的水性浆料的固含量，按水性浆料中ATO的质量百分比为1%、2%、3%、5%、7% 配置成乳液与浆料的混合液. 将混合液使用50 μm的线棒涂布器于载玻片和230 mm×230 mm的普通玻璃上涂膜，室温下自然晾干5 h，ATO质量百分比为1%、2%、3%、5%的薄膜透明均一，而含ATO为7%的薄膜表面出现颗粒状小点，表观不符合要求，该涂料放置一段时间后，底部出现沉降，而其余含量均能稳定存放3个月以上. 因此选择ATO含量为1%、2%、3%、5%的薄膜进行隔热和透光性测试.

1.2.4 薄膜的隔热、透光性能的测试 对载玻片表面ATO薄膜使用UV-1700紫外可见光谱仪进行透明度的表征，对230 mm×230 mm玻璃表面ATO薄膜采用自制小型隔热箱(图1)进行隔热效果的测定. 光源采用与太阳光光谱相近的150 W碘钨灯，距样板表面距离为400 mm，样板采用5 mm厚的普通光学玻璃. 木箱内侧底部各放置一个涂有黑色无光漆的250 mm×250 mm×1 mm铁板，铁板下各放一个热电偶测温仪，并与之充分接触. 测试时，将待测样板涂层朝下放置，用测温仪同时测定样板和空白玻璃表面温差的变化，以研究其隔热性能[3].

图1 隔热测试实验箱示意图

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

1-隔热木箱；2-光源；3-空白玻璃；4-涂膜玻璃；
5,6-底板；7,8-热电偶

2 结果与讨论

对ATO含量为 1%、2%、3%、5%的透明薄膜的性能进行研究，结果如下.

2.1 透明度的表征

图2为空白玻璃和ATO含量为1%、2%、3%、5%的ATO薄膜在紫外可见区透过率变化曲线.

图2 ATO薄膜紫外可见吸收谱

ATO薄膜在可见区均具有较高的透过率. 在330 nm处，ATO 含量为1%与2%的薄膜其透过率仅为38.18%，而空白玻璃的透过率为68.59%，因此ATO薄膜具有较强的紫外屏蔽作用. 随着ATO含量的增加，紫外透过率逐渐降低，屏蔽紫外作用逐渐增强，但可见透过率逐渐降低. ATO含量为1%的薄膜可见光区透过率最高达到86%，5%的薄膜可见光区最高透过率可达到80%. 由此可见，ATO薄膜具有较高的可见光区透过率和较强的屏蔽紫外的作用.

2.2 隔热性能表征

图3为ATO薄膜的隔热性能测试结果. 所选空白为单纯用乳液所涂的玻璃. ATO薄膜热阻隔性明显提高，表1列出了不同ATO含量薄膜最终稳定的隔热温度，随着ATO含量的增加，薄膜的隔热性能逐渐增强. ATO含量为1%时，隔热仅为4 ℃，而ATO含量为5%时，隔热达到了10 ℃. ATO薄膜的隔热效果明显增强且性质稳定，具有良好的热阻隔能力.

图3 不同ATO质量百分含量薄膜的隔热性能

ATO质量百分数/%隔热温度/℃142638510

2.3 薄膜基本性能

选定表观符合要求、隔热性和透光性均好、ATO含量为5%的样品，根据涂料行业国家标准进行基本性能的测试(表2)，样品不仅隔热效果好，透光率高， 而且具有良好的综合性能.

表2 纳米ATO透明隔热薄膜综合性能Table 2 Properties of ATO insulation films

3 结论

以有机硅丙乳液为成膜物，以ATO水性浆料为填料，制备了纳米ATO隔热薄膜.研究发现，当ATO质量百分比为5%时，涂层的表观、透明度、隔热性能良好，并且耐水性、耐热性、表干时间等综合性能均符合要求. 该透明隔热涂料在可见光区最高可达到80%以上， 平均透过率75%以上，满足了隔热玻璃对透明的要求，并且隔热测试表明透明薄膜具有明显的隔热效果， 在碘钨灯照射下透明隔热玻璃和空白玻璃之间的温差达到10 ℃.

较强的隔热性能与良好的透明度的结合，显示出了其在建筑隔热玻璃，汽车挡风玻璃等方面的潜在的应用前景.

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