铯钨青铜掺杂节能玻璃的制备与性能

吴琼辉，杨 光

(1.中国建材国际工程集团有限公司,上海 200063；2.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444)

目前，建筑节能是实现低碳经济和解决能源危机的重要方式。由于传统玻璃对热辐射几乎没有阻挡作用，导致窗户的隔热保温性能严重不足。因此，研发新型节能窗材料来提高窗户的节能效果，是实现建筑节能的关键技术之一。最常用的节能窗材料有低发射率(Low-E)涂层、铟或锑掺杂氧化锡(ITO或ATO)涂层等，但应用上这些材料都有不足。虽然Low-E涂层的核心银涂层具有相当好的太阳光反射隔热性能，但其强反射也带来了光污染的问题，而且需要多个功能层的复合结构增加了其加工成本。ITO或ATO基涂层虽然也显示出很强的隔热能力，但其组分中铟和锑的成本高。VO2贴膜玻璃可以根据外界温度自动调节近红外光(NIR)透过率，但是其可见光透过率有待提高和稳定性相对较差，制约其广泛应用[1]。

基于钨青铜(MxWO3，M=Li、Na、K等)的节能材料具有强NIR屏蔽且高可见光透过等优点，但是其在应用中存在有机膜寿命短、有机膜与基体间附着力较小、不适用于复杂曲面形状的玻璃等问题。为了实现节能玻璃大规模的生产与应用，亟需寻找一种强NIR屏蔽且高可见光透过性能的块体节能玻璃以及简单、稳定的制备工艺。因此，为了实现太阳光的NIR强屏蔽且可见光高透过的目标，通过熔融淬冷法将强NIR屏蔽的MxWO3引入到不具备光热调控能力，但可见光透过高、稳定性好、生产加工技术成熟、成本低廉的钠钙硅玻璃中，研发出NIR超宽带屏蔽的钨青铜掺杂高透节能玻璃，从而实现建筑自主节能。最近，相关研究发现了以蓝钨、钨酸和氧化钨为钨源都可以得到NIR屏蔽性能优异的钨青铜掺杂透明节能玻璃，但是对以钨青铜为钨源的研究尚不清楚[2]。

为此，以钨青铜和钨酸为钨源，采用熔融淬冷法制备NIR屏蔽的钨青铜掺杂透明节能玻璃。研究澄清温度对钨青铜掺杂玻璃的NIR屏蔽性能的影响、最佳样品的隔热性能与稳定性，和玻璃的NIR屏蔽性能起源。

1 实 验

采用传统熔融淬冷法制备玻璃。将原料按铯钨青铜∶钨酸∶H3BO3∶SiO2∶NaF∶Sb2O3=2.5∶3.5∶31.6∶35.7∶26.5∶0.2(摩尔比)的配比称量，并在坩埚中充分混合均匀。将坩埚置于升降炉中，先升温至1 400 ℃保温2 h，再降至澄清温度分别为1 000 ℃、1 100 ℃、1 200 ℃、1 400 ℃保温1 h取出。取出样品倒入模具中淬冷成型，随后在箱式马弗炉中450 ℃保温6 h退火以消除残余应力。将样品分别命名CWO-1000、CWO-1100、CWO-1200和CWO-1400。

采用UV-Vis-NIR分光光度计(UH4150，日立，东京，日本)测试玻璃样品的透过性能。在室温条件下，将制得的节能玻璃、钠钙玻璃和钨青铜贴膜(CWO-film)玻璃分别置于120 W红外灯下照射的实验设备中，红外灯与玻璃垂直距离约15 cm，在玻璃正下方放置带有测温探头的小盒子。从红外灯辐照启动的时候，每分钟记录一次温度变化直到整个模拟实验完成，对比三种样品下小盒子内温度变化情况即可得知玻璃的保温性能[2]。将样品置于实验室外，保证其充分受到阳光的照射，每隔1个月测试1次其UV-Vis-NIR透过性能来检测样品的稳定性[2]。采用X-射线衍射仪(D/MAX2200，Rigaku，东京，日本)对样品物相进行测试，CuKα为辐射源(λ=0.154 18 nm)。采用激光显微Raman光谱仪(HR800，Horiba/Jobin-Yvon,Longjumeau，法国)测试样品结构，激光波长为514 nm。

2 结果与讨论

2.1 澄清温度对试验样品性能的影响

图1为不同澄清温度下所得玻璃样品的UV-Vis-NIR透过光谱。由于玻璃基质导致2 100～2 500 nm波长范围内透过率降低，NIR屏蔽性能(ΔT)的定义为300～2 100 nm波长范围内最高可见光透过率(Tmax)和在NIR处透过率最低处之差[3]。图1表明随着澄清温度从1 400 ℃降低到1 000 ℃，样品的可见光透过率逐渐降低，但伴随着NIR屏蔽性能显著的增强。其中，CWO-1400样品具有最高的可见光透过率Tmax=84.3%和最弱的NIR屏蔽性能ΔT=8.9%，而CWO-1000样品拥有最强的NIR屏蔽性能ΔT=53.9%和适中的可见光透过Tmax=55.2%。此外，CWO-1000样品的可见光透过率和NIR屏蔽性能接近于商用钨青铜贴膜玻璃(ΔT=54.8%和Tmax=58.1%)。

2.2 样品的隔热性能及稳定性

隔热性能的对比实验显示随着光照时间的增加，钨青铜掺杂玻璃测试盒内温度上升的速度低于钠钙硅玻璃且略低于CWO-film玻璃测试盒中温度上升的速度，并在14 min后温差值分别达到3.4 ℃与0.5 ℃。这表明钨青铜掺杂玻璃的隔热性能优于钠钙硅玻璃且略优于CWO-film玻璃。户外日照的老化实验表明在六个月的日照条件下，钨青铜掺杂节能玻璃的NIR屏蔽性能基本不发生变化，这证明了钨青铜掺杂节能玻璃具有较高的稳定性。

2.3 结构分析

3 结 论

通过成熟的熔融淬冷法制备了一种新型NIR屏蔽的CsxWO3掺杂透明节能玻璃。该玻璃的NIR屏蔽性能随澄清温度的降低而增强。最佳的CWO-1000样品的NIR屏蔽性能ΔT=53.9%和可见光透过率为55.2%。隔热性能的模拟实验表明，CWO-1000样品比市售普通钠钙硅玻璃具有更优的温度调节性能，且略优于钨青铜贴膜玻璃。此外，在户外日照超过半年后CWO-1000样品的NIR屏蔽性能无衰减。结构分析表明，该节能玻璃内的非晶CsxWO3结构为其NIR屏蔽性能起源。