高透明隔热玻璃的节能特点和发展趋势

钟应

（贵州省建材产品质量检验检测院 贵阳 550014）

0 引言

随着我国进入开启现代化建设的新征程，实现“双碳”目标是推动高质量发展的内在要求，特别是建筑生产领域的减碳，要坚定不移地推进。但减碳是一个系统工程，既要在无数个细节上狠下功夫，以“积小流成江海”的理念，又要在关键领域抓住重点，不断实现减碳得以集中体现，让减碳在循序渐进中走深走实，如建筑门窗就是一个减碳的关键点。

建筑能耗占据总能耗的四分之一以上，在建筑的维护结构中，门窗面积不足建筑维护结构的四分之一，但其能耗高达建筑能耗的一半。仅2023年上半年，我国房屋竣工面积33904万m2，建筑的体量非常之大，选择在能耗薄弱环节门窗玻璃上加大创新革新力度，着重提高玻璃的采光性和节能性，对人们追求美好生活品质的高端型、舒适性以及绿色减碳都具有重要的意义。

1 研究背景

目前，我国大部分地方的建筑玻璃和玻璃幕墙都是以普通玻璃为主，普通建筑玻璃的节能性差、安全性差，在整个光区中，不能有效阻止紫外线、近红外、远红外线等进入室内，对室内舒适性和对家具造成一定的损伤，难以满足人们对生活品质的追求。从国家标准GB/T 8484—2020《建筑外门窗保温性能检测方法》看出，把门窗的保温性能、传热系数、热导、热流系数提到了一个比较高的地位，门窗的节能性摆在更加突出的位置。从GB/T 8478—2020《铝合金门窗》来看，门窗的节能性可以由保温隔热指标来体现，在炎热的夏季，门窗的隔热必定要阻止室外高温产生的温差，否则室内将消耗大量的电能制冷以保持舒适性，所以保温隔热门窗就提出了传热系数K小于2.5 W/（m2·K）且太阳得热系数SHGC不大于0.44，对外门窗用中空玻璃的空气层厚度不应小于9.0 mm的要求。

基于实际，玻璃在门窗中是节能保温和舒适性的窗口，玻璃的品质直接对门窗的节能减碳和品质起巨大作用，如JC/T 2304—2015《建筑用保温隔热玻璃技术条件》中对不同种类、级别的保温隔热玻璃（K-LSG）热工参数做出了具体要求（表1），显示出玻璃的重要性举足轻重。

表1 保温隔热玻璃的技术要求

因此，研究和开发高透明、低辐射、高保温、高隔热的建筑玻璃产品对减碳降能意义重大，对越来越流行的玻璃房的舒适性、品质性意义不言而喻。

2 节能玻璃的研究现状

从建筑玻璃的使用地区来说，建筑玻璃在东北严寒地区着重突出保温性能，如广州等沿海一带城市主要突出玻璃的隔热性能。玻璃的能耗主要是由于近红外、远红外直接透过玻璃进入室内，增加室内制冷的负荷而引起电能上升，进一步加剧热岛强度。

2.1 节能玻璃的种类及研究状况

常规的节能玻璃主要有中空玻璃、热反射玻璃、吸热玻璃、低辐射玻璃等。

中空玻璃一般是由两片及以上的玻璃隔开一定的空间重叠密封粘接而成的，中空玻璃层之间会有一层干燥的气体层，气流层的导热能力远小于玻璃材料的导热能力，与单层玻璃相比，中空玻璃的传热系数差不多是单层玻璃传热系数的1/2，具有非常好的阻热作用。研究发现，中空玻璃的空气层从9 mm增加至15 mm，传热系数降低30%，当空气层厚度继续增加到20 mm时，传热系数降低2%［1］。如果一味地增加空气层厚度，最终不仅不能降低传热系数，反而会适得其反。

低辐射贴膜（Low-E膜）玻璃能透过少量的短波太阳能辐射，进入室内的能量被室内物体吸收，同时在温差的条件下，能有效阻止室内能量向室外辐射，其特点是能充分利用太阳能和保持室内温度相对稳定，实现保温节能，简言之就是低反射近红外和高反射远红外的能力，同时兼具高透光的良好性能。单银基膜系可见光透射率可达90%，近红外光平均反射率高于75%，双银基膜系一般是对单银基膜系在结构上的简单重复，平均近红外光反射率为95%以上［2］。Lin等［3］将纳米线/聚乙烯醇缩丁醛（AgNWs/PVB）涂层用于高性能Low-E窗，其可见光透过率和中红外反射率分别为83.0%和69.8%。

热反射贴膜玻璃主要反射远红外线，能透过大量的可见光和少量的近红外线，具有隔热的效果。Sibin等［4］在127 mm厚的FEP衬底上制备的10 nm厚ITO薄膜，红外发射率为79%，平均太阳透过率为94%，同时，研究发现Ag和ITO层的最佳厚度分别为21 nm 和60 nm，具有较高的可见光透过率（＞88%）和较高的红外反射率（＞90%）。He等［5］研究了Ta掺杂对SnO2薄膜光学性能的影响，发现薄膜可见光透过率为88%。说明热反射玻璃可以通过改变厚度、化学配方及工艺优化多层膜的组合来实现高透光和高红外反射的结果，优点是传热系数低，能耗小；缺点是透光率高，室内制冷能耗较大，密封技术要求高，加工成本昂贵。

2.2 透明纳米隔热玻璃节能研究状况

Sun等［6］和Li等［7］通过分别在PMMA中添加0.8%的ZnO纳米颗粒和在环氧树脂基质中添加0.07%的氧化锌纳米颗粒获得了高紫外线，Xiong等［8］研究了透明PS-PnBA共聚物基质的紫外线吸收，其中填充了不同直径的ZnO颗粒，对于尺寸小于10 nm的半导体颗粒，与块状半导体材料相比，量子限制效应增加了带隙能量并导致吸收边缘的蓝移。随机分布的纳米颗粒对近红外光和紫外光进行了很好的吸收，从而有效阻碍紫外和近红外进入室内。

氧化铟锡（ITO）和氧化锑锡（ATO）半导体颗粒是可被红外吸收的，这种半导体颗粒可以通过自由载流子吸收红外辐射。Liu等［9］实现了30 mm透明的ITO/丙烯酸聚氨酯纳米复合材料，其在5%的ITO纳米颗粒下阻隔50%的红外光和45%的紫外光。一定浓度的ITO是可以很好的屏蔽，但是浓度过高后，也会降低可见光的透过率。因此，在努力屏蔽红外光的前提下，解决可见光的高透过率是一个研究的方向，Wang等［10］制备F-TiO2纳米晶体透明隔热膜，发现随着F掺杂量的增加，TiO2薄膜的近红外屏蔽性能有所提高，当F与Ti的摩尔比从0增加到0.3 时，薄膜的近红外屏蔽值从1.3%增加到43.2%，且其可见光透过率高达90.1%～96.7%。

3 高透明隔热玻璃的特点及种类

3.1 高透明隔热玻璃的特点

在沿海一带夏季比较炎热的地区，选择具有优异光学性能的建筑玻璃，有效改善室内舒适度、降低制冷能耗和光照能耗，实现建筑低碳节能是一个重点考虑方向。Wang等［10］发现F-TiO2纳米隔热薄膜降低热箱内温度5.3 ℃。Luamsri等［11］制作了基于聚氯乙烯（PVC）/锑掺杂氧化锡（ATO）纳米复合材料的近红外屏蔽膜，发现在受到太阳照射后，贴有PVC/ATO薄膜的玻璃窗的热箱内温度比普通玻璃下降了12.5 ℃。透明纳米隔热膜使玻璃具有良好的隔热性，同时也大幅降低了建筑能耗。

3.2 纳米透明玻璃隔热涂料的种类

常规的纳米透明玻璃隔热涂料主要有三种：纳米ATO透明玻璃隔热涂料、ATO /PU纳米透明玻璃隔热涂料以及纳米氧化锡基/丙烯酸树脂透明玻璃隔热涂料。

纳米ATO透明玻璃隔热涂料是通过球磨法、超声分散法、高速剪切法等，制备稳定分散纳米ATO的透明玻璃隔热涂料的一种技术［12］。唐富龙等［13］使用ATO半导体粉体通过球磨分散法制备了纳米ATO透明隔热涂料，研究表明：当非离子高分子分散剂和阴离子分散剂的质量比为2∶1时，得到的透明隔热涂料的透光率最佳，且分散稳定性最好。

ATO/PU纳米透明玻璃隔热涂料是采用水性环保的聚氨酯（PU）作为成膜物质，和纳米ATO作为隔热材料复合而成的一种纳米透明玻璃隔热涂料。黄燕等［14］通过共混法工艺制备了ATO /PU纳米透明玻璃隔热涂料，研究发现：涂覆了该涂料的玻璃与空白样对比，隔热温差约有10 ℃，该种工艺的涂料具有良好的隔热性能。荣金闯等［15］对所制得ATO/PU复合涂膜进行了研究，结果表明：涂膜具有良好的隔热性能，实现红外阻隔率高达60%，而且隔热温差达到4.3 ℃左右。

纳米氧化锡基/丙烯酸树脂是以氧化铟锡（ITO）、纳米ATO或镱掺杂二氧化锡（YTO）为主要隔热原材料，有机丙烯酸树脂为成膜物质，复配制得的纳米透明玻璃隔热涂料［12］。刘成楼［16］研究表明，在助剂的作用下，纳米ATO与丙烯酸树脂的主要原料制作的纳米透明玻璃隔热涂料具有较好的隔热性，而且可见光的透过率达81.5%～85.0%，对近红外光的阻隔率达62.5%～65.0%，其光学性能非常好。Kaneko等［17］在丙烯酸树脂基体中掺入ITO或ATO制备了能够阻隔太阳光热辐射的纳米透明玻璃隔热涂膜，检测结果显示：该涂膜的可见光透过率高于90%，但是对红外线透光率则小于10%。基于以上研究表明，可见光的透过率在增高的时候，必然要以牺牲红外线透过率作为代价，同时显示出，该类涂料的丰富性和可研究的空间性比较广阔。但是在实际的使用过程中，可以根据使用的要求，对不同的产品进行选择。

纳米氧化锡基/PVB透明隔热涂料是将纳米氧化锡基材料（如ATO或ITO）作为主要的功能性隔热填充料，以聚乙烯醇缩丁醛（PVB）作为成膜物质，进行复合而成的透明玻璃隔热涂料。黄菊等［18］研究发现：当ATO/PVB质量比为1∶8 时，涂膜玻璃的透光隔热性能最好，与空白玻璃相比温差达到5～8 ℃，同时红外光的屏蔽率为66.12%。芦小松等［19］研究发现：ITO /PVB复合制作的涂膜，近红外光的屏蔽率为65.3%，可见光的透过率超过80%。

4 高透明隔热玻璃的发展趋势及展望

随着纳米技术的成熟，以纳米氧化锡基材料作为隔热的功能填料制作的高透明隔热玻璃涂料，越来越丰富多样，因其制作工艺简单，对环境污染小，必将在成本方面具有天然优势。此外，透明纳米隔热膜玻璃相较于常用的建筑节能玻璃具有高可见光透过率、高紫外红外阻隔率、减少眩光、选择面广等优点。在应用建筑以后，展示出建筑物的隔热性能和舒适性，进一步推动透明纳米隔热膜中空玻璃窗在建筑玻璃领域蓬勃发展，前景可期。