水性纳米隔热涂层的研究进展

曾国屏，周晓东，王小玉，王刚，张鹏，孙复钱

（1.江西省科学院应用化学研究所，江西南昌330096；2.安徽省郎溪县联科实业有限公司，安徽郎溪242100）

水性纳米隔热涂层的研究进展

曾国屏1，周晓东2，王小玉1，王刚1，张鹏1，孙复钱1

（1.江西省科学院应用化学研究所，江西南昌330096；2.安徽省郎溪县联科实业有限公司，安徽郎溪242100）

纳米透明隔热涂料以其较高的可见光透过率和良好的红外线阻隔效果，为玻璃隔热问题的解决提供新的思路和方向，在未来的隔热透明材料中具有良好的应用发展前景，因而越来越受到人们的关注。本文综述了对水性透明隔热材料的隔热原理，概述了透明隔热涂料的国内外研究及应用进展，同时提出了未来透明隔热涂层的发展方向。

透明隔热涂层；建筑玻璃；纳米；节能

建筑能耗[1]通常指建筑使用能耗，即建筑物在使用中带来的能量消耗，其中包括电器、照明、采暖、制冷、设施、热水以及炊事等。依据2000年中国有关的统计数据表明，我国的建筑能耗已达到发达国家1/3的水平，大约占全社会能耗的27.8%，而其中采暖和空调所带来的建筑能耗占据了10%以上。这部分所带来的建筑能耗不可小觑，我国城乡总建筑面积430亿平方米计算，再加上每年的新建成的公共建筑3亿平方米，这部分建筑在使用的过程中会产生大量采暖、通风、照明、空调等方面的建筑能耗。在我国的北方地区，采暖和空调有关的建筑能耗占全社会能耗的20%以上，相关数据表明，在采暖期间，二氧化碳的排放量明显高于其他时期，在如今全国采暖和空调已经全面普及的时代，其中带来的能耗已经达到30%左右。我国的建筑大多数是非环保节能型建筑，这直接导致我国建筑能耗远远高于其他国家，能量使用效率却不尽理想。据统计，我国的能量消耗总量已达到了世界第二，能量使用效率却只有30%左右，远不及发达国家的70%的能量使用率。这其中的最主要的原因就在于我国建筑总体的隔热和保温效果较差[2]。

我国幅员辽阔，各地区的气候条件存在较大的差异，这也直接导致不同地区存在不同的建筑节能设计。GB 50176-1993《民用建筑热工设计规范》对夏热冬暖地区的建筑节能设计框定了详细的设计要求：要严格满足夏季隔热要求，但是对于冬季保温不做要求[3]。这其中主要原因是降低1℃所带来的能量消耗是提高1℃所带来能量消耗的4倍，这使得夏季制冷的成本远远高于冬季保温成本。所以对于夏暖冬热地区，解决建筑的夏季隔热问题对建筑节能具有重大的意义。

为了保持建筑物内部的温度、节约能源，减少石油、煤炭及天然气等一次性能源的使用和消耗，响应近年来对建筑物节能和环保方面的要求[4]，目前市场存在的各种隔热节能产品，如镀膜玻璃、贴膜玻璃、真空玻璃、Low-E玻璃等建筑玻璃，这些玻璃虽然具有一定的隔热效果，但依然存在可见光透过率低、成本较高、制作工艺复杂等缺点，限制了其在隔热节能材料中的应用发展。

近几年发展起来的纳米透明隔热涂料以其较高的可见光透过率和良好的红外线阻隔效果在各种隔热节能材料中脱颖而出。不仅如此，纳米透明隔热涂料还具有对环境污染小、隔热效果出色、制备工艺简单、成本低廉等特点。因此，纳米透明隔热涂料在隔热节能材料领域中逐渐引起了人们的注意，为玻璃隔热问题提供新的解决思路和方向，并且在未来的隔热透明材料中具有良好的应用发展前景[5]。

1 水性纳米涂层以及其隔热机理

太阳光的波长范围主要在0.2～4μm，这其中涵盖了三个主要的区域：紫外区域、可见光区域、红外区域。其中，紫外区域的波长为0.20～0.38μm，能量为太阳辐射总能量的5%；可将光的波长为0.38～0.76μm，其能量大约为太阳辐射总能量的45%，近红外区域波长为0.76～1.5μm，这个区域的能量占太阳辐射能量的最大部分，达到50%之多。由此可见，太阳辐射能量的主要在红外区域和近红外区域，建筑节能领域隔热材料需要满足的基本条件是能有效地反射掉这两个区域的光线，大大削减太阳光辐射能量，从而达到隔热的效果。因此，需要制备一种能有效阻隔红外光效果又能使可见光透过的玻璃涂层是问题的关键。

近年来，人们发现纳米金属氧化物粉体对太阳光谱具有较为理想的选择性，SnO2及其掺杂产物都是四面体金红石型结构[6]，属于四面晶系。在其晶胞中，Sn和O原子共同组成正交六面体，其中顶和体心为Sn4+，每个Sn离子附近有6个氧原子，每个氧原子与3个Sn离子相邻。常用的掺杂元素有Sb、F等，其中，掺杂Sb的SnO2为Sn02:Sb（又称ATO），掺杂F的SnO2为Sn02:F（又称FTO）。Sb通过形成Sb5+的离子态占据二氧化锡晶格Sn4+的位置，可提供额外的电子；F则是以F-形式进入二氧化锡晶格，取代O2-的位置，也同样可以提供额外的电子，形成了一种N型宽能隙半导体，从而使ATO和FTO粉末制成膜以后显示比较优秀的透明导电性能，其中ATO的光透过率可以达到70%，电阻率可达10-3Ω·cm；FTO的光透过率则可以达到80%，电阻率为9.1×10-3Ω·cm。由于二氧化锡是一种N型宽能隙半导体材料，根据Drude理论，导电性最佳的纳米ATO粒子在可见光区有着高的透过率，在红外光区有着高的阻隔率，可获得纳米透明隔热涂层具备最优的红外线阻隔性能[7-8]。透明隔热涂层就是一种透明半导体薄膜，可供选择的材料主要有锑掺杂氧化锡（ATO）、锡掺杂氧化铟（ITO）、铝掺杂氧化锌（AZO）、氟掺杂氧化锡（FTO）等[9-10]，其中最为理想的是锡掺杂氧化锡（ATO）。透明隔热涂层对太阳光谱具有理想的选择性，既达到保温隔热的效果，又不影响釆光，是一种新型绿色建筑材料[11-12]。

2 水性纳米隔热涂层国内外研究现状

目前，国外在水性纳米涂料领域的研究成就较为显著，其中以美国占首要位置，其次是日本和德国等国家。Nanophase Technologies公司以其在纳米ZnO的突出成就在纳米涂料类公司中处在前列。该类涂料具有优秀的透明性和隔绝紫外、红外的性能，涂覆在金属部件上可以大大提高材料的耐磨性，所以在军事方面，如军舰等金属构件上应用较为广泛。ALTAIR Technologies公司与Nanopowder两大公司合作，以纯锐钛矿型纳米TiO2作为主要纳米产品，合作生产出了性能优异的功能性涂料。日本石原公司和TAYCA公司所开发的超细TiO2在化妆品、涂料、陶瓷领域应用较为广泛，这主要由于其涂层的抗紫外线防护能力较高。目前，已经在国际上商业化的涂料材料里使用的纳米种类主要有以下几种：杜邦公司和Altair公司所生产的不同规格的TiO2纳米，市场价格在1.5万～4万美元/t；Ekacial公司特色的SiO2、纳米蒙脱土、纳米碳酸钙和氧化锌产品。美国福特公司将纳米TiO2引入到罩光漆中，使得其耐候性与抗划伤性都明显提高。美国专利6,723,381、5958,514、5616,532号分别报导了由水合氧化铝、氧化硅、氧化锡纳米粒子组成的复合光催化涂料与含有纳米氧化硅的耐磨透明有机硅涂层，该涂层具有良好的自洁功能[13-14]。Shinkareva等[15]在填料体系中引入镀镍的玻璃微珠，得到了隔热性能良好的保温涂料。Raouf等[16]将富勒烯用在新型隔热保温材料中，由于富勒烯本身的低热导性，使得该材料能够在800℃下使其基层隔热降温达100℃以上。SynnefaA等[17]挑选了14种不同的反射型涂料，通过对比其应用于城市建筑中性能的差异，结合热岛效应等城市中常见的现象，得到了在城市环境合适的涂料。BASE公司和Silberline公司生产多种含纳米级二氧化钛的金属闪光面漆也是无机纳米材料用于涂料中的另一个成功案例，该方法是利用纳米二氧化钛对可见光一定程度的遮盖性，透射光在铝粉表面反射与纳米级TiO2本身表面反射产生了不同的视角效果，所以该涂料就具备有一定的随角异色性，从不同角度可以观察到不同颜色的反射光。这一特性使之在高档轿车涂料中很快得到推广应用并有可能应用于其他特种涂料中。

国内有代表性的申报专利并已制备出纳米材料的主要有中科院金属研究所、中科院化学研究所、复旦大学国家教育部先进涂料工程研究中心、华南理工大学、深圳大学、北京理工大学纳米材料研究中心、哈尔滨工业大学材料与工程学院等单位。国内最为主要、使用最为广泛的隔热涂料是阻隔型隔热涂料，主要以改性的聚丙烯酸酯作为成膜剂，以铝、镁类硅酸盐作为无机填料，再加上一定的辅助剂、添加剂和填充剂制备而成。近年来，结合多种隔热机理综合而成的复合型隔热材料也逐渐受到了重视。这种涂料往往具备有多种机理的各自优势的结合，具有更良好的隔热效果。我国关于隔热涂料所使用的纳米材料主要有纳米TiO2、纳米SiO2、纳米CaCO3等，其中纳米TiO2使用最为广泛，其不同晶型具备不同功能作用。例如，纳米TiO2改善涂层的抗老化性能，金红石型纳米TiO2是良好的无机紫外线吸收剂，可以屏蔽太阳中的紫外线，有效大幅度提高涂层的耐久性[18]。同时，纳米TiO2具有抗菌杀毒功效，锐钛型纳米TiO2又是极好的光催化剂，研发光催化涂料能与细菌中的有机物反应生成二氧化碳和水，从而达到杀菌的作用[19]。

纳米材料的涂料体系主要分成三类，分别是溶剂型涂料、水性涂料和粉末涂料体系，其中水性涂料体系为54%、溶剂型为38%、粉末体系8%。

水性涂料体系使用少量的纳米材料，对改善建筑涂料性能具有至关重要的功效。例如，应用不同的纳米材料可以改善涂料耐候性、力学性能、耐磨性、抗菌性等，还可以提高涂层的疏水性、亲水性、自清洁、抗沾污性等。其中纳米粒子在提高涂料耐候性和力学性能所占的比例较大，各为21%。复旦大学的顾广新课题组将钨二氧化钒粉体和氧化锑锡（ATO）粉体共混制备成超细的纳米浆料并引入到水性聚氨酯涂料中，实验发现涂料的透明隔热性能十分显著。张冠琦等将水性聚氨酯树脂作为成膜物质，再加入特制的纳米ATO填料得到了透明隔热涂料，其隔热性能和透光率都十分出色[20-21]。宋进朝等则将二氧化钛涂覆的玻璃微珠和有机硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液制备得到一种耐沾污性、透气性、隔热性都较好的透明隔热涂料。

如今的市场不仅仅满足于单纯的透明隔热性能，而是在保持良好的透明隔热性能的同时，又具有较好的自清洁功能、抗菌杀菌等其他优质性能的纳米生态环保保温涂料，大大提高了人们的生活环境和健康水平；同时开发具有高力学性能的纳米涂料，使得日常生活用品如家具表面漆、汽车面漆在纳米改性后耐磨性和耐刮伤性有了很大的提高。其他新型的纳米涂料如纳米疏水、疏油、抗蚀耐污涂料，抗老化超耐侯性涂料也研发也有了一定的成果，在此不再赘述。

3 纳米隔热涂层发展趋势及展望

透明隔热涂料的主要有如下优点：低温稳定性良好，涂膜外观工整无针孔，干燥所需的时间较短，附着力强，力学性能良好，耐候性，耐老化性、耐碱性、耐温变性及涂膜硬度适中等。其最突出的优点自然是其透明度高、隔热性强。

如今纳米隔热涂料已经在人们的生活中无处不在，其中最为广泛的是建筑以及交通行业。在建筑方面，主要应用在建筑玻璃的保温和隔热；在交通行业，主要用作汽车的挡风玻璃以及车顶的透明隔热板。如今常见的太阳伞，是将隔热涂料涂覆在纺织品上，可以作为夏季防晒的理想用品。由于模具的形状特殊，无法用传统的隔热材料来隔热，使模具在高温下热损失严重，大大增加了生产成本，模具的高温隔热涂料的成功运用，解决了模具行业大量资源损耗的难题。但就目前的发展情况来看，成膜物质问题以及纳米填料在涂料中的应用问题是隔热涂料更应该解决和发展的方向。随着隔热涂料的发展，应用于透明隔热涂料的成膜物质和纳米材料将更充分的发挥其功能。

综合专利技术和比较权威的报道看，在我国，由于纳米透明隔热涂料集经济、环保、隔热保温等优良性能于一身，在未来涂料领域它的应用将会越来越得到重视并能得到更进一步的发展。中国的玻璃年产量约13 440 000m2，约82%～84%用于建筑装饰，也就是说，约11 020 000m2的隔热玻璃用于建筑装饰中。我国现有建筑玻璃量为1 490 000 000m2，若有30%的家庭和公共建筑玻璃采用纳米透明隔热涂料进行隔热处理，则需要50 000t纳米透明隔热涂料，其涂料产值将达300亿元。目前，玻璃透明隔热涂料正日益受到广泛青睐。

由此可见，纳米透明隔热涂料的推广应用迫切需要研发性价比高、透明隔热、综合性能佳、具有自主知识产权的透明隔热涂料，可应用于多种领域的透明隔热纳米玻璃涂料，涂覆于玻璃上制成纳米透明隔热玻璃，将会继中空玻璃、LOW-E玻璃为代表的节能玻璃之后成为未来几年行业中最耀眼的亮点。

4 结语

近几年发展起来的纳米透明隔热涂料以其较高的可见光透过率和良好的红外线阻隔效果逐渐引起了人么的关注，具环境污染小、隔热效果显著、工艺简单、成本低等特点为解决玻璃隔热问题提供新的思路和方向。

随着纳米隔热涂料日益发展，研发性价比高、透明隔热、综合性能佳、自主知识产权的透明隔热涂料，能在建筑物上广泛推广应用，在未来的隔热透明材料中具良好的应用发展前景，在降低能耗的同时显著降低成本，创造明显的经济和社会效益。

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The Research Progress of Water-based Nano Heat Insulation Coating

Zeng Guo-ping1,Zhou Xiao-dong2,Wang Xiao-yu1,Wang Gang1,Zhang Peng1,Sun Fu-qian1
(1.Jiangxi Academy of Applied Chemistry,Jiangxi Nanchang 330096;2.Anhui Langxi County Lianke Industrial Co.,Ltd.,Anhui Langxi 242100)

Nano transparent heat insulation coating with high transmittance of visible light and infrared barrier effect,provides a new solution to the glass heat insulation problems and the direction,in the future of insulation transparent material has good application prospects for development,so more and more get the attention of people.This paper reviews the principle of water insulation transparent insulation material,summarized the research and application progress of transparent insulation coating at home and abroad,at the same time,puts forward the future development direction of transparent insulation coating.

Transparent heat insulation coating;Architectural glass;Nano;Energy saving;Progress

TQ630.7

：A

2096-0387（2017）05-0083-05

国家自然科学基金资助项目（51463009）；江西省重点研化计划项目（20161BBE50097）；江西省发明专利产业化重点项目（20161BBM26035）；江西省科学院产学研合作项目（2016-YCXY-02）；江西省科技成果转化类项目（20171BEI90004)。

曾国屏（1963—），男，江西进贤人，双学士,研究员，研究方向：功能高分子及水性环保涂料合成与应用。