透明隔热涂料的研究及应用进展

何清衡，吴会军，2，丁云飞，2

(1.广州大学土木工程学院，广东 广州510006;2.广州大学广东省建筑节能与应用技术重点实验室，广东 广州51006)

0 引言

随着社会和经济的快速发展，全球对能源的需求日益增大，能源消耗同时也带来环境问题，因此能源和环境成为制约当今人类社会发展的瓶颈。建筑能耗约占人类总能耗的30%～40%，其中约半数是由建筑采暖或制冷等空调造成的，而通过门窗散失的热量约占整个建筑空调耗能的30%［1－2］。另一方面，随着现代建筑对室外景观和室内采光等要求的提高，往往采用较大面积的玻璃窗或玻璃幕墙结构，而建筑玻璃作为隔热保温的薄弱环节，在保证玻璃采光的同时如何提高其保温隔热性能成为降低建筑能耗的重要途径。

为了提高建筑玻璃的隔热保温性能，人们研究出多种新型玻璃材料，如金属镀膜隔热玻璃、真空玻璃、贴膜玻璃、Low－E玻璃等节能玻璃，但这些玻璃往往存在透光率低、隔热效果不佳、工艺条件控制复杂、价格昂贵等一种或多种原因，限制了其发展和应用［3］。近年来，随着纳米材料和制备技术的发展，某些金属氧化物因具有特殊的光学和热学性能逐渐受到人们的关注，并在建筑玻璃隔热方面获得了发展和运用，例如氧化铟锡(ITO)、氧化锡锑(ATO)、氟掺杂氧化锡(FTO)、铝掺杂氧化锌(AZO)等［4］在纳米材料可见光区有较高的透过率，而在红外光区却有较高的吸收率和反射率，将这些纳米材料与树脂复配成透明隔热保温涂料并用于玻璃镀膜和喷涂，可使玻璃在维持较高可见光透过率的同时提高对红外波段的隔热效果，从而使建筑玻璃具有较理想的透明和隔热效果，对于降低建筑空调能耗和实现节能减排具有重要的意义。

1 国内外透明隔热涂料研究进展

1.1 透明隔热涂料的隔热原理

太阳辐射的能量主要集中在波长为0.2～2.5 μm的范围内，其中紫外区(波长0.2～0.4 μm)占总能量的5%，可见光区(波长0.34～0.72 μm)占总能量的45%，近红外(波长0.72～2.5 μm)占总能量的50%［5］。可见，太阳光谱中的能量绝大部分分布在可见光和近红外区，其中近红外区占太阳辐射总能量的一半，若能选择性有效阻隔近红外能量而维持一定的可见光透过率，即可实现透光隔热(即不影响采光而达到红外区隔热)。

纳米ITO、ATO等纳米微粒对太阳光谱具有理想的选择性，在可见光区透过率高，而对红外光却具有很好的屏蔽性，而TiO2、Fe2O3、Al2O3等纳米颗粒具有很强的紫外波段吸收能力，若将这些具有特殊功能的纳米微粒分散后加入到树脂溶液中，可获得纳米透明隔热涂料，可用于玻璃或树脂等表面形成透明隔热膜。谭亮等［6］在水性聚氨酯中加入纳米功能粉体、消泡剂、润湿剂等制得透明隔热涂料，并用于普通白玻表面形成涂膜，并测试了涂覆透明隔热涂料前后的透射光谱，如图1，可看出玻璃隔热涂层在可见光区具有很好的透光性，而对近红外光线具有很好的屏蔽性。对于涂料透明隔热机理，何秋星等［8］提出ZnO、TiO2纳米颗粒的屏蔽作用是基于对紫外光的吸收;黄宝元等［9］通过对ATO/PU涂层进行光谱性能测试，认为ATO纳米颗粒对红外波段辐射以吸收为主、反射为辅;姚晨等［10］、王靓和赵石林［11］认为透明隔热涂膜对热辐射阻隔作用是吸收和反射共同作用的结果，具体表现为涂膜吸收热辐射使涂层温度升高，然后经对流传热将热量传递给空气，因此涂膜对于红外辐射可起到“变相反射”作用，当空气流动速度比较大时，空气对流传热速率加快，涂膜将具有更好的隔热效果。

图1 隔热涂层前后玻璃的透射光谱［6］

图2 不同组合涂层的透射光谱［7］

1.2 透明隔热涂料的国内外研究进展

目前，有关透明隔热纳米涂料的研究主要集中在美国、日本、韩国和欧洲等国，美国Nanophase公司［12］率先将半导体纳米材料(ITO、ATO、ZnO、A12O3、TiO2等)制成分散稳定的水性或溶剂型浆料，然后再将其作为涂料应用到玻璃镀膜中，获得隔热、耐磨、紫外屏蔽和隔绝红外线等复合功能。Takeda等［13］在树脂基体中掺入ATO、ITO、LaB6等纳米颗粒形成镀膜，利用ATO、ITO阻隔波长较长的红外光，而利用LaB6阻隔波长较短的红外光，使其在整个红外波段具有低透光率，而在可见光区具有高透过率。Chonan和Kuno［14］将ATO隔热浆料与丙烯酸紫外光(UV)固化树脂混合，制得隔热涂料，将其涂在PET聚酯膜表面，所得涂膜对太阳辐射透过率低于56.5%;Nishihara等［15－16］采用共沉淀法制备出ATO和ITO纳米粉体，并与树脂复配，获得的透明隔热涂料在可见光区透光率大于80%、而在近红外区透过率很低;Kaneko等［17］把SnO2、ITO、ATO纳米颗粒与聚丙烯酸酯制成复合涂料，其在可见光区吸收率几乎为零，而对红外热辐射具有很好的阻隔作用。

国内对透明隔热纳米涂料研究起步较晚，但也取得了重要的研究进展。张永进和赵石林［18］制备出ATO、ITO水性纳米分散体，并以水性聚氨酯等透明树脂为载体，获得具有良好的光谱选择性的透明隔热涂料，在可见光区具有高的透过性，并能有效阻隔红外光区的热辐射。孟庆林等［19］将ATO纳米粉体分散在醇类溶剂中，然后与水性聚氨酯混合，常温下涂在玻璃表面制成低辐射玻璃。顾广新等［20］利用具有常温相变功能的VO2，将掺钨VO2和ATO粉体混合，分散成浆料添加到水性聚氨酯涂料中，制得具有一定智能相变温度控制的功能型透明隔热保温涂料。

国外对透明隔热涂料在建筑玻璃上的使用普及率极高，美国对建筑玻璃的透明隔热涂层普及率超过90%，澳大利亚、新西兰等国使用率也都在75%以上，而在亚洲地区除中国香港和台湾地区及日本、韩国外，其它国家对建筑玻璃的透明隔热涂层使用率平均不到20%，而我国大陆建筑玻璃的透明隔热涂料使用率目前尚不足10%［21］。随着我国对建筑节能的重视，国家将加快和全面普及推广节能建材，而且随着每年大量的旧建筑节能改造和新建筑物的产生，对于新型透明隔热涂料及节能玻璃的需求巨大，因此透明隔热涂料的发展和应用具有广泛的市场潜力。

1.3 新型智能温控透明隔热涂料

20世纪50～60年代，人们相继发现了一些具有特殊温控功能的相变化合物［22］，如VO2、Ti4O7、Ti3O5、Fe3O4、CrS、NiS等过渡族元素的化合物，这类化合物在一定温度范围内会发生从绝缘体相到金属相特性的相互转变，同时还伴随有晶体结构的转化，其中以相变温度接近室温的VO2最受关注。

自从1959年Morin［23］发现VO2热致相变以来，VO2成为相变金属化合物中研究的热点之一。VO2是一种典型的相变化合物，相变温度约为68℃，当温度升至68℃左右时VO2发生从低温绝缘体相到高温金属相的突变，电阻发生2～3个数量级突变，同时伴随光学折射率、透射率和反射率的突变，尤其在红外和近红外波段光学透过率变化最为明显，图3为VO2薄膜在波长为200～2 500 nm波段的红外透射率随波长变化曲线［24］，由图3可看出，在相变前后红外透射率相差约50%，呈现明显的光学开关特性。

图3 VO2薄膜相变前后透过率的变化曲线［24］

VO2作为相变金属化合物的研究热点，不仅因为其红外透射突变明显，而且可通过掺杂将其相变温度降至室温甚至室温以下。Burkhardt等［25－26］发现在VO2晶体中分别掺入1 at.%的Mo、F、Re，其相变温度分别下降10℃、20℃和18℃;Jin和Tanemura［27］发现在VO2晶体中掺入1 at.%的W，其相变温度下降23℃。江炜［28］发 现 掺杂1 at.%和2 at.%白钨酸后，VO2相变温度分别降低19.98℃和26.46℃，并通过控制分解温度和保温时间，在500～600℃、N2气氛保护下制得相变温度为17.87℃的白钨酸掺杂VO2粉体。魏勇［29］采用化学沉淀法制得相变温度为25℃的掺钨VO2粉体，并测试了其可见－近红外透射光谱(见图4)，可看出当温度高于相转变温度(如40℃)时其红外透射率较低，而温度低于相转变温度(如15℃)时其红外透射率较高，表现出较好的温致调控功能。

图4 V0.984W0.016O/聚氨酯涂层的可见·近红外透射光谱［29］

2 透明隔热涂料的应用现状分析与前景展望

透明隔热涂料因具有很高的红外波段隔热效果及良好的可见光波段透过率，用于建筑玻璃等的透明隔热成为节能降耗的有效途径，但目前透明隔热涂料在分散、抗老化、施工等方面尚存在一些问题，影响了透明隔热涂料的隔热性能和节能应用，主要表现为:

(1)纳米粉体分散及稳定性有待改善

ATO、ITO等纳米粉体是透明隔热涂料中的主要功能成分，但由于ATO、ITO等的纳米尺度使其具有很高的表面活性和吸附性，颗粒间极易发生团聚而导致涂料透明隔热性能减弱。隔热涂料中的分散剂的种类和用量也随着加入不同纳米功能颗粒与树脂种类的变化而变化。现阶段解决透明隔热涂料中纳米颗粒分散和稳定性差的主要途径有两种，一是使用各种机械分散方法，制得分散性稳定的纳米复合材料，二是对纳米颗粒进行表面改性，降低其表面自由能并减小颗粒间范德华引力。

(2)透明隔热涂层的耐老化、耐水等耐候性有待改善

透明隔热涂料用于建筑玻璃的涂层时，需要承受太阳辐射并发挥其透明和隔热功能，而长期暴露在太阳辐射下，透明隔热涂层中的树脂易老化;而且若透明隔热涂料用于建筑玻璃外侧，往往会因雨水而发生雾化甚至起泡脱层等现象，因此需要对透明隔热涂料的耐老化、耐水等性能加以改善，以延长透明隔热涂料的使用寿命，提高其节能性能。

(3)透明隔热涂覆易起泡、成斑，均匀性有待提高

透明隔热涂料中溶剂量较大、固含量较低，造成其粘度低、干燥慢，而且由于透明隔热涂料的疏水性要求，使得透明隔热涂料在涂覆过程中流平性差、极易起泡和成斑，采用刷涂、喷涂或者滚涂等工艺很难保证涂层良好、厚度均匀 ，而且在清洁度不高的涂覆环境，会在透明隔热涂层中黏附灰尘而形成明显有碍视觉的“瘤点”，因此需要适当提高涂料固含量、加快涂料干燥时间，并解决涂料疏水和流平性等问题，以获得均匀和高性能的透明隔热涂层。

与金属镀膜隔热玻璃等相比，透明隔热涂料对可见光和红外波段等太阳辐射具有较好的选择透过性，即对可见光具有较好的透过率，而对红外波段具有良好的光屏蔽性，不会产生光污染，可用于建筑玻璃及汽车等玻璃的透明隔热涂层，也可涂覆于透明树脂制成透明隔热板材，具有非常广泛的隔热和节能应用前景。而VO2等具有温致相变功能材料的发展和应用，使透明隔热涂料具有智能、可控等新型功能，可根据气候区域和建筑要求选择合适的相变温度，提高建筑节能效率［30］，因此智能化透明隔热涂料将作为极具发展前景的节能材料和技术，在建筑节能等领域获得重要的应用，成为降低建筑能耗、实现建筑节能的重要手段。

［1］于惠泳.浅析节能建筑对降低采暖期能耗的作用［J］.中国新技术新产品，2009(3):108.

［2］彭程，吴会军，丁云飞.建筑保温隔热材料的研究及应用进展［J］.节能技术，2010，28(4):332－335.

［3］王欢，吴会军，丁云飞.气凝胶透光隔热材料在建筑节能玻璃中的研究及应用进展［J］.建筑节能，2010，38(4):35－37.

［4］Rydzek M，Reidinger M，Arduini－Schuster M，et al.Low－emitting surfaces prepared by applying transparent aluminum－doped zinc oxide coatings via a sol－gel process［J］.Thin Sold films，2012(520):4114－4118.

［5］许新，李秀艳，王高升，等.颜料对太阳热反射涂层热反射性能的影响［J］.现代涂料与涂装，1998(4):3－5.

［6］谭亮，熊永强，田瀛涛，等.玻璃隔热涂料应用于夏热冬暖地区的节能分析［J］.涂料工业，2009，34(4):51－54.

［7］Yoo B，Kim K，Lee SH，et al.ITO/ATO/TiO2 triple－layered transparent conducting substrates for dye－sensitized solar cells［J］.Solar Energy Materials and Solar Cells，2008，92(8):873－877.

［8］何秋星，涂伟萍，胡剑青.光谱选择性纳米涂料的研究进展［J］.材料导报，2005，19(12):9－12.

［9］黄宝元，钟明强，董绍春，等.基于长时间测试的ATO/PU涂层隔热机理研究［J］.涂料工业，2009，39(11):14－16.

［10］姚晨，赵石林，缪国元.纳米透明隔热涂料的特性与应用［J］.涂料工业，2007，37(1):29－32.

［11］王靓，赵石林.纳米氧化锡锑透明隔热涂料的制备及性能研究［J］.涂料工业，2004，34(10):4－9.

［12］Cayton R，Brotzman RW.Substantially transparent，abrasion－resistant films containing surface－treated nanocrystalline particles:1WO 02/45129［P］.2002.

［13］Takeda H，Yabuki K，Adachi K.Coating solution for forming a film for cutting off solar radiation and the film formed therefrom:US，6319613［P］.2001.

［14］Chonan T，Kuno H.Fine particles of antimony tin oxide for sunscreen，Dispersion thereof for sunscreen material formation，sunscreen material and transparent base material for sunscreen:US，2005/0163999［P］.2005.

［15］Nishihara A，Hayashi T，Sekiguchi M.Infrared ray cutoff Material and infrared cutoff powder use for same:US，5518810［P］.1996.

［16］Song IS，Heo SW，Lee JH，et al.Study on the wet processable antimony tin oxide(ATO)transparent electrode for PLEDs［J］.Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2012，18(1):312－316.

［17］Kaneko S，Sakurai H，Izumi K，et al.Active radiation ray curable，solar radiation blocking resin compositions and films coated therewith:US，6107360［P］.2000.

［18］张永进，赵石林.聚氨酯纳米ATO透明隔热涂料的研制［J］.化学建材，2004，20(6):18－19.

［19］孟庆林，李宁，周荃，等.纳米透明隔热涂料的研制［J］.太阳能学报，2006，27(11):1117－1119.

［20］顾广新，魏勇，武利民.透明隔热玻璃涂料的研制［J］.电镀与涂饰，2009(3):49－52.

［21］徐金枝，王大期.透明隔热玻璃涂料的现状及发展［J］.绿色建筑，2010，2(6):53－54.

［22］Griffiths C H，Eastwood H K.Influence of stoichiometry on the metal－semiconductor transition in vanadium dioxide［J］.Journal of Applied Physics，1974，45(5):2201－2206.

［23］Morin F J，Oxides which show a metal to insulator transition at the Neel temperature［J］.Physical Review Letters，1959(3):34－36.

［24］Gao Y，Luo H，Zhang Z，et al.Nanoceramic VO2thermochromic smart glass:A review on progress in solution processing［J］.Nano Energy，2012(1):221－243.

［25］Burkhardt W，Christmann T，Franke S，et al.W－and F－doped VO2films studied by photoelectron spectrometry［J］.Thin Sold Films，1999(345):229－235.

［26］Burkhardt W，Christmann T，Franke S，et al.Tungsten and fluorine co－doping of VO2films［J］.Thin Sold Films，2002(402):226－231.

［27］Jin P，Tanemural S.Relationship between transition temperature and x in V1－xWxO2films deposited by dual－target magnetron sputtering［J］.Japanese Journal of Applied Physics，1995，34:2459－2460.

［28］江炜.钨掺杂纳米二氧化钒粉体制备与光电性能研究［D］.上海:上海师范大学，2007.

［29］魏勇.透明隔热涂料的制备及其应用［D］.上海:复旦大学，2010.

［30］徐晓杰，吴玺，赵超，等.中国典型城市智能玻璃能耗模拟及节能分析改进［J］.中国科学:技术科学，2012，42(7):808－814.