CN101172778B - 玻璃用节能隔热环保涂层材料及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃用节能隔热环保涂层材料，其特点是，按重量百分比含有10-65％的改性水性聚氨酯树脂，0-40％的改性水性丙烯酸树脂，2-55％的纳米金属氧化物水性浆料，及0-70％的水和0-5％的助剂，生产方法：将改性树脂与水混合均匀，再加入纳米金属氧化物水性浆料混合搅拌，最后加入助剂搅拌均匀即成，用这种涂料涂敷的玻璃，其可见光透过率高，而紫外和红外线(热辐射)的透过率极低，具有高效阻隔紫外和红外的作用，而且本发明是以水为溶剂的绿色环保产品，施工方法简单，涂膜在室温下可快速固化成膜，广泛应用于各类建筑物及车辆、船舶等门窗玻璃的节能隔热。
Description
技术领域
本发明涉及一种玻璃用节能隔热环保涂层材料及其生产方法，是一种由多元无机纳米粒子水分散体和改性水性聚氨酯类树脂复合成的功能环保涂料，属于在各种玻璃(包括有机玻璃)表面形成透明的节能隔热涂膜技术领域。
背景技术
由于全球变暖、温室气体排放日趋严重，节能降耗、减少CO2气体排放已成为世界各国共同的目标，我国十一五规划确立了国家能源消耗降低20％左右的目标，国家建设部颁布了建筑节能条例，节能已作为一项基本国策。其中，建筑耗能最严重的是玻璃，玻璃面积占总建筑面积的10％-15％，而通过玻璃散热达到70％。普通玻璃对红外和紫外线的阻隔远远不够，人们采取了多种措施来解决玻璃隔热问题，比如采用隔热贴膜、热反射膜、LOW-E玻璃、中空玻璃等等，但其节能隔热性能仍然满足不了要求，有的甚至带来二次光污染，或因工艺复杂、运营成本高等导致无法应用于对已有建筑玻璃的节能改造。近几年，人们通过大量实验研究和性能对比发现，采用纳米透明隔热涂料是目前玻璃隔热节能的最佳选择。在发达国家，玻璃用透明隔热涂料的普及率已达到85-90％；在亚洲地区除中国香港、台湾和日本、韩国外，其它国家的普及率平均不到20％，而我国大陆，透明隔热涂料的使用才刚刚起步。目前国内新出现的各种树脂隔热玻璃涂料，还存在着许多性能或成本或环保上的缺陷，主要有：
(1)溶剂型或油性玻璃隔热涂料，虽然分散液稳定性好，但挥发性有机溶剂含量超标，对环境污染很大；
(2)通过高功耗研磨分散的水性隔热涂料，虽然环保，却存在生产能耗大、隔热和稳定性能差等缺点；
(3)有的使用了水性环保树脂，但涂膜耐水耐擦洗性能差，或者成膜性能不好，需在较高温度下烘烤固化，增大了施工和维修难度；
(4)国内隔热涂料中多采用二元纳米金属氧化物，其隔热波段窄、屏蔽紫外性能不理想，有的价格偏高。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术缺点，提供一种玻璃用节能隔热环保涂层材料及其生产方法，它是以水为溶剂的水性环保节能功能涂料，该涂料比已有技术中所公开的涂料具有更佳的隔热、抗紫外和环保性能，而且可常温或室温自干成膜，膜层透明度可调控，力学性能及耐水、耐酸、耐温差性能优异，生产及施工工艺简单可控，成本低。
本发明所采取的技术方案是：一种玻璃用节能隔热环保涂层材料，其特点是，按重量百分比含有下列组分：
改性水性聚氨酯树脂 10-65％
改性水性丙烯酸树脂 0-40％
纳米金属氧化物水性浆料 2-55％
水 0-70％
助剂 0-5％
所述的纳米金属氧化物水性浆料为本专利权人拥有的专利“ZL00129358.3”中的纳米涂膜材料与水在100-400℃温度下、及压力为0.1-40MPa下搅拌分散的纳米水分散体，其中，纳米金属氧化物水性浆料的固含量为0.5-40％，粒径为40-200nm。
上述玻璃用节能隔热环保涂层材料的生产方法按下列工序制作：
a、将改性水性聚氨酯树脂和改性水性丙烯酸树脂与水混合搅拌均匀；
b、上述混合物中加入纳米金属氧化物水性浆料，混合搅拌均匀；
c、最后加入助剂，搅拌均匀即成。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明采用本专利权人拥有的专利“ZL00129358.3”中的纳米涂膜材料与水搅拌分散而成的具有高效屏蔽紫外和红外光线的纳米金属氧化物水性浆料，克服了以往采用有机溶剂或高功耗研磨分散金属氧化物纳米粉体所带来的挥发性有机溶剂含量超标、粒度分布不均匀、性能不稳定和生产能耗大、污染环境等缺点；
(2)制备出的多元纳米金属氧化物水性浆料，不仅粒度分布窄，而且隔断红外光线和屏蔽紫外光线的性能更佳，克服了以往采用二元纳米金属氧化物的隔热波段窄、屏蔽紫外性能不理想的缺点；
(3)本发明选择改性水性聚氨酯树脂和改性水性丙烯酸树脂作为成膜物质，水作为稀释剂，涂膜可常温或室温快速自干成膜，膜层不仅光学、力学和耐化学性能优异，而且克服了以往因使用油性或非水性树脂引起对人体、环境的伤害和污染；
(4)本发明的玻璃用节能隔热环保涂层材料经参照有关国家标准检测，结果证明本发明涂料所形成的涂层附着力达到0级(最高级)，硬度达到3H-4H，耐水、耐温差、耐磨、耐酸和耐人工老化等性能优异；环保性能符合国家标准；可见光(380-780nm)透过率可控制在55-76％范围内，紫外线屏蔽率可达75-80％；屏蔽红外线(780-2500nm)达80-90％以上；遮蔽系数可控制在0.55-0.72范围内。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细地解释说明。
附图说明
图1为本发明实施例1-5制备的玻璃用节能隔热环保涂层材料的阳光透过率曲线；
图2为本发明实施例1-5制备的玻璃用节能隔热环保涂层材料粒度及其分布曲线；
具体实施方式
实施例1-5中玻璃用节能隔热环保涂层材料的配方如表1所示。其中，纳米金属氧化物水性浆料按上述方法(用专利“ZL00129358.3”中的纳米涂膜材料与水在100-400℃温度下及压力为0.1-40MPa下搅拌分散组合成纳米水分散体；为了分散效果更好些，本发明中的纳米涂膜材料在制作时(即在原专利“ZL00129358.3”制备方法的最后工序中)也可以不加入偶联剂和表面包覆剂)制备，括号内数值为纳米金属氧化物水性浆料的固含量，粒径为40-200nm。所述的改性水性聚氨酯树脂和改性水性丙烯酸树脂、助剂(如流平剂、润湿剂、消泡剂等)可直接采用市售商品。
制备方法为：将改性水性聚氨酯树脂和改性水性丙烯酸树脂与水混合搅拌，再加入纳米金属氧化物水性浆料，机械搅拌10-60分钟左右，混合均匀，最后加入助剂，搅拌均匀即成。
本发明所述玻璃用节能隔热环保涂层材料可采用淋涂、辊涂、浸涂、刷涂或喷涂等方法在普通的无机或有机玻璃、金属及水泥等基体表面均匀涂敷成透明的隔热抗紫外涂膜。因此在本发明的具体实施方式中，将上述5个实施例的涂层材料制备出成品后，即在干净的普通玻璃(厚度为5mm)表面涂敷成透明、均匀的薄膜进行相关的性能检测。表1中同时列出对每个实施例进行的实际应用方法及效果检测(如涂敷方法、膜层厚度、膜层表干时间)。
表1.
| 组分 | 实施例(重量百分比％) | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 改性水性聚氨酯改性水性丙烯酸树脂纳米金属氧化物水性浆料水助剂搅拌时间(分钟) | 231040(30)22510 | 65025(35)8215 | 102630(25)30430 | 2262(40)70020 | 24055(0.5)0330 |
| 膜层表干时间(分钟)涂敷方法膜层厚度(微米) | 15淋涂66 | 50辊涂50 | 10浸涂31 | 20喷涂12 | 50刷涂26 |
表2是采用紫外光-可见光-红外光分光光度计(Cary5000)对上述涂膜玻璃进行光热性能表征，根据GB/T2680-1994中规定的方法计算出涂膜玻璃的紫外、可见光透射比和遮蔽系数。其中例6数据为未涂膜的普通5mm厚空白玻璃进行对照检测。
表2.
| 项目 | 实施例 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 紫外线透射比(％)可见光透射比(％)遮蔽系数(SC) | 20.3257.800.5811 | 24.3266.240.6542 | 24.7863.870.6921 | 39.1977.240.7662 | 51.3581.280.8055 | 67.5689.270.9397 |
遮蔽系数(SC)是建筑节能设计标准中对玻璃的重要限制指标，指太阳辐射能量透过窗玻璃的总能量与透过相同面积3mm透明玻璃的总能量之比。SC用样品玻璃太阳能总透射比除以标准3mm白玻的太阳能总透射比(GB/T2680中理论值取0.889)进行计算。遮蔽系数越小，阻挡阳光热量(红外光线)向室内辐射的性能(隔热)越好，同样阻挡室内热量向室外辐射的性能(保温)越好，以实现降低空调用电和采暖能耗而实现节能。从表2中可看出，遮蔽系数和紫外线透过率随着纳米金属氧化物含量(为纳米金属氧化物水性浆料的用量与其固含量的乘积)的增大而降低，即涂膜玻璃的隔热和屏蔽紫外性能越好，但是遮蔽系数过低导致可见光透过率也随之降低，会影响室内采光。
照射到地面的太阳光谱中有6.1％的紫外和42.1％的红外，x射线和紫外光等高能辐射对人体有害，红外光线使人体感到炎热，影响人类的生活。因此，在建筑物大面积幕墙与窗口及透明顶棚、车辆、舰船、陈列冷柜大量使用的玻璃，需要对紫外和热(红外)辐射进行有效屏蔽和阻隔，而要求对可见光具有较高透过率。
图1为本发明上述实施例1-5制备的玻璃用节能隔热环保涂层材料的阳光透过率曲线。图中标号为实施例1-5，6号为空白玻璃的透过率曲线。可见，无论在紫外光线区(≤380nm)还是红外光区(780-2500nm)，本发明实施例1-5涂膜玻璃的透过率均比6号空白玻璃有明显下降，而在可见光区有较高透过率。说明本发明的涂膜玻璃在不影响建筑物采光的情况下，具有明显的隔热和屏蔽紫外光线的性能。
图2为本发明实施例1-5制备的玻璃用节能隔热环保涂层材料粒度及其分布曲线。本发明采用LS230型激光粒度分析仪对隔热涂层材料粒度及其分布进行表征。实施例1-5的结果如图2所示，图中标号为实施例1-5(由于实施例2和3具有相同的粒度分布，为了简明，图中只列出了实施例3)。从图2可见，本发明中的纳米金属氧化物不仅粒径在200nm以下，而且均具有窄粒度分布的特点。其积极效果是能提高隔热涂料的性能稳定性，充分发挥纳米材料的隔热功能。
本发明是以水为溶剂的水性环保节能功能涂料，可根据需要(如环境温度的高低、涂膜基体的不同、客户的要求不同等)用任意比例的水稀释，涂膜厚度一般为8-100微米，膜层可在常温或室温下快速自干成透明薄膜，膜层表干为10-60分钟，实干为3-5天。如果膜层在60-80℃下烘干，实干仅为1-3小时。可广泛应用于各类建筑物及车辆、船舶等门窗玻璃的节能隔热。表3是对本发明玻璃用节能隔热环保涂层材料基本性能的检验结果。
表3.
| 检验项目 | 检验结果 | 参照标准 |
| 挥发性有机化合物(VOC)(g/L)游离甲醛含量(g/L)重金属含量(mg/kg) | 17.8(标准要求≤200)0.02(标准要求≤0.1)0-0.4(标准要求≤60-90) | GB18582-2001 |
| 铅笔硬度 | 3H | GB/T6739-1996 |
| 膜层附着力 | 0级 | GB/T9286-1998 |
| 耐水性(168h) | 附着力0级无起层、皱皮、鼓泡 | GB/T9286-1998GB/T1733-1993 |
| 耐温差性(-40∽80℃循环) | 附着力1级无起层、皱皮、鼓泡 | GB/T9286-1998 |
| 耐磨性能(200r/750g) | 0.005g | GB/T1768-1989 |
| 耐酸性能(168h，稀盐酸) | 无起层、皱皮、鼓泡 | GB/T9274-1988 |
| 耐人工老化(1000h) | 无色差、剥落、皱皮、鼓泡 | GB/T1865-1997 |
Claims (2)
1.一种玻璃用节能隔热环保涂层材料，其特征在于，按重量百分比含有下列组分：
其中，所述的纳米金属氧化物水性浆料是纳米涂膜材料与水在100-400℃温度下、压力为0.1-40MPa下搅拌分散的纳米水分散体，其中，纳米金属氧化物水性浆料的固含量为30％，纳米金属氧化物的含量为纳米金属氧化物水性浆料的用量与其固含量的乘积，粒径为40-200nm。
2.一种制备权利要求1所述的玻璃用节能隔热环保涂层材料的生产方法，其特征在于，按下列工序制作：
a、将23％的改性水性聚氨酯树脂和10％的改性水性丙烯酸树脂与22％的水混合搅拌均匀；
b、上述混合物中加入40％的纳米金属氧化物水性浆料，混合搅拌均匀，其中，所述的纳米金属氧化物水性浆料是纳米涂膜材料与水在100-400℃温度下、压力为0.1-40MPa下搅拌分散的纳米水分散体，其中，纳米金属氧化物水性浆料的固含量为30％，纳米金属氧化物的含量为纳米金属氧化物水性浆料的用量与其固含量的乘积，粒径为40-200nm；
c、最后加入5％的助剂，搅拌均匀即成。
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