CN106590070B - 阻隔红外、隔热的透明无机涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

阻隔红外、隔热的透明无机涂料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了阻隔红外、隔热的透明无机涂料及其制备方法和应用,透明无机涂料的制备方法，包括以下步骤：将无机透明成膜介质、阻隔红外线纳米粉体、分散剂、流平剂和增稠剂均匀混合，调节体系的pH至8～10，搅拌4～10小时后，球磨12～72小时。本发明的阻隔红外、隔热的透明无机涂料采用无机透明成膜介质代替传统的有机树脂，其制备而成的阻隔红外透明隔热无机膜能显著提升该膜材料的稳定性、耐紫外老化和耐磨性方面性能。

Description

阻隔红外、隔热的透明无机涂料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体来说涉及一种阻隔红外、隔热的透明无机涂料及其制备方法和应用。
背景技术
当今世界经济正在飞速发展，但是人类赖以生存的环境却日益恶化，能源消耗问题逐渐凸显，尤其在建筑能源方面的消耗问题日益突出。因此，近年来，为了节约能源，人们尝试了多种措施来解决玻璃的隔热问题。传统的隔热玻璃所使用的方法主要是三种，其一是使用磁控溅射等工艺制备贴膜玻璃，工艺较为复杂，设备昂贵，绝大多数的玻璃贴膜依靠进口，致使玻璃贴膜价格较高；二是使用热反射膜制造镀膜玻璃，通过反射膜发射热量，但这种产品的透光性差，使其无法广泛应用；三是LOW-E玻璃，目前有国内厂家生产，设备及投资巨大运营成本高涨，导致每平方米价格在150元左右，昂贵的价格制约了用户的使用。
而用透明隔热涂料制成的涂膜玻璃生产工艺较为简单，不需要投资昂贵的设备，且施工工艺也比贴膜简单。其所使用的无机功能材料主要是透明导电氧化物，如ITO(氧化铟锡)，ATO(锑掺杂氧化锡)，AZO(铝掺杂氧化锌)等，基本原理是利用了此类纳米材料的光谱选择性，即对近红外光和紫外光的反射性和对可见光的高透射性。首先将纳米材料首先制成稳定分散的水性或溶剂型涂料，得到具有隔热性能的多功能纳米涂料，涂覆于透明薄膜表面，得到透明隔热膜。
但是目前透明隔热涂料的成膜剂大都使用有机物，如有机树脂，限制了其使用寿命，所制备的透明隔热膜在稳定性、耐紫外老化、耐磨性等方面性能仍有所欠缺。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种阻隔红外、隔热的透明无机涂料及其制备方法和应用，该阻隔红外、隔热的透明无机涂料对近红外光和紫外光具有反射性，且对可见光具有高透射性。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种阻隔红外、隔热的透明无机涂料的制备方法，包括以下步骤：将无机透明成膜介质、阻隔红外线纳米粉体、分散剂、流平剂和增稠剂均匀混合，调节体系的pH至8～10，搅拌4～10小时后，球磨12～72小时；其中，
按重量百分比计，所述无机透明成膜介质为60-75wt％，所述阻隔红外线纳米粉体为15-30wt％，所述分散剂为2-5wt％，所述流平剂为1-3wt％，余量为增稠剂；
所述无机透明成膜介质由硅溶胶、纳米二氧化钛溶胶、纳米锆溶胶均匀混合制成，其中，硅溶胶、纳米二氧化钛溶胶和纳米锆溶胶中相应的SiO2、TiO2和ZrO2质量份的比是(4～8):(1～2):1；
所述分散剂为硅烷偶联剂KH-560、聚乙二醇、多聚磷酸钠或聚丙烯酰胺；
所述流平剂为非离子聚丙烯酸酯；
所述增稠剂为甲基纤维素、羟乙基纤维素或羟丙基甲基纤维素；
所述阻隔红外线纳米粉体为锌掺杂的ATO纳米粉。
在上述技术方案中，所述锌掺杂的ATO纳米粉的分子式为(ZnxSb0.1Sn0.9-x)O2，0.05≤x≤0.2。
在上述技术方案中，所述pH为8.5～9.5，搅拌时间为6～8小时，球磨时间为48～64小时。
在上述技术方案中，所述锌掺杂的ATO纳米粉的制备方法为：
1，按照分子式(ZnxSb0.1Sn0.9-x)O2，0.05≤x≤0.2的化学计量比，将SnCl4、SbCl3和Zn(Ac)2分别均匀分布在无水乙醇中，依次得到SnCl4乙醇溶液、SbCl3乙醇溶液和Zn(Ac)2乙醇溶液；
2，在所述SnCl4乙醇溶液中滴加所述SbCl3乙醇溶液和Zn(Ac)2乙醇溶液，于50～80℃下回流3～10小时，得到溶胶；
3，调节步骤2中所得溶胶的pH至7～8，在微波条件下，于150～200℃反应0.75～2小时；
4，将步骤3所得溶胶进行洗涤、离心和干燥，得到所述锌掺杂的ATO纳米粉。
在上述技术方案中，所述SnCl4的物质的量与均匀分布该SnCl4的无水乙醇的体积的比为(1-3)：5；所述SbCl3的物质的量与均匀分布该SbCl3的无水乙醇的体积的比为1：(9-11)；所述Zn(Ac)2的物质的量与均匀分布该Zn(Ac)2的无水乙醇的体积的比为1：(48-52)，所述物质的量的单位为mmol，所述体积的单位为mL。
在上述技术方案中，在步骤3中，通过滴加氨水调节步骤2中所得溶胶的pH至7～8。
一种上述制备方法制备得到的阻隔红外、隔热的透明无机涂料。
一种上述阻隔红外、隔热的透明无机涂料在制备隔热薄膜中的应用，将所述阻隔红外、隔热的透明无机涂料涂覆在基底的表面，于180～250℃固化3～6小时，在所述基底上表面得到厚度为30～100微米的阻隔红外透明隔热无机膜。
在上述技术方案中，将所述阻隔红外、隔热的透明无机涂料涂覆在基底的面，在190～220℃固化4～5小时，得到阻隔红外透明隔热无机膜。
在上述技术方案中，通过喷涂、旋涂、刷涂或刮涂将所述阻隔红外、隔热的透明无机涂料涂覆于基底上表面。
在上述技术方案中，所述基底为玻璃。
在上述技术方案中，所述阻隔红外透明隔热无机膜的紫外线阻隔率为40～55％，可见光透过率为73～80％，红外光阻隔率30～55％。
本发明的阻隔红外、隔热的透明无机涂料采用无机透明成膜介质代替传统的有机树脂，其制备而成的阻隔红外透明隔热无机膜能显著提升该膜材料的稳定性、耐紫外老化和耐磨性方面性能。
附图说明
图1为本发明的微波水热合成法制备的锌掺杂ATO纳米粉XRD图；
图2为锌掺杂ATO纳米粉XRD图的TEM图；
图3阻隔红外透明隔热无机膜的SEM图。
具体实施方式
在本发明的具体实施方式中，SnCl4·5H2O(AR)、SbCl3(AR)、Zn(Ac)2(AR)(乙酸锌，二水)和无水乙醇(99.5％)均购买自阿拉丁试剂(上海)有限公司。
硅溶胶、纳米二氧化钛溶胶、纳米锆溶胶购买自高标先进有限公司，其中，其溶剂为乙二醇，溶胶固含量均为浓度为20％。
硅烷偶联剂KH-560，聚乙二醇，多聚磷酸钠，聚丙烯酰胺，非离子聚丙烯酸酯，甲基纤维素(平均分子量186.86n(n为聚合度))购买自天津大学科威新材料科技开发公司。羟乙基纤维素购买自阿拉丁(产品编号H104786-500g)。羟丙基甲基纤维素购买自Macklin，产品编号H811092-500g(2％粘度：6mPa.s,甲氧基：28-30％；羟丙基：7.0-12％)。
在本发明的具体实施方式中，微波水热反应装置的型号为密闭式高通量微波消解/萃取工作站(MDS-15)，生产厂家为上海新仪微波化学科技有限公司。
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1(制备阻隔红外线纳米粉体——锌掺杂的ATO纳米粉)
1，在三个烧杯中按化学计量比ZnxSb0.1Sn0.9-x(x＝0.06)分别加入SnCl4·5H2O、SbCl3和Zn(Ac)2·2H2O,再向每个烧杯中加入无水乙醇使三种原料充分溶解(均匀分布)在无水乙醇中，依次得到SnCl4乙醇溶液、SbCl3乙醇溶液和Zn(Ac)2乙醇溶液。
2，将SbCl3乙醇溶液和Zn(Ac)2乙醇溶液逐滴滴加至SnCl4乙醇溶液中，于70℃下回流4小时，得到溶胶；
3，向溶胶中逐滴加入氨水，以调节步骤2中所得溶胶的pH至7，将得到的溶胶转移至微波水热反应釜中，在微波条件下，微波水热温度设定为160℃，反应时间1小时。
4，将步骤3所得反应后的溶胶多次洗涤、离心和干燥，干燥温度为60度，制得锌掺杂的ATO纳米粉。
图1中上方的图为本实施例所制备的锌掺杂ATO纳米粉的XRD图，下方的图为SnO2XRD的标准谱(pdf#21-1250)，从图中可以看到所制备的粉末的晶相结构是SnO2，掺杂的Sb和Zn并未改变其晶体结构，得到产物的结晶度较好。图2为本实施例所制备的锌掺杂ATO纳米粉的TEM图,从图中可以看出所制备得到锌掺杂ATO纳米材料的粒径约为10纳米，纳米颗粒分散性好，无团聚现象。
实施例2
一种阻隔红外、隔热的透明无机涂料的制备方法，包括以下步骤：将无机透明成膜介质、阻隔红外线纳米粉体、多聚磷酸钠、非离子聚丙烯酸酯和甲基纤维素搅拌至均匀混合，调节体系的pH至9，搅拌6小时后，球磨48小时；其中，
锌掺杂的ATO纳米粉、无机透明成膜介质、多聚磷酸钠、非离子聚丙烯酸酯和甲基纤维素按的质量份的比20：75：2：2：1；
无机透明成膜介质由硅溶胶、纳米二氧化钛溶胶、纳米锆溶胶均匀混合制成，其中，SiO2、TiO2和ZrO2质量份的比是75:15:10；
阻隔红外线纳米粉体为实施例1制备得到的锌掺杂的ATO纳米粉。
将实施例2得到的阻隔红外、隔热的透明无机涂料通过刷涂的方式涂覆于玻璃基底表面，得到厚度约为50微米的阻隔红外透明隔热无机膜。图3为该阻隔红外透明隔热无机膜的扫描电镜图，从图中可以看出，阻隔红外透明隔热无机膜的表面比较光滑，没有裂纹，且锌掺杂ATO纳米在膜层中分布均匀，无明显团聚现象。
实施例3
一种阻隔红外、隔热的透明无机涂料的制备方法，包括以下步骤：将无机透明成膜介质、阻隔红外线纳米粉体、硅烷偶联剂KH-560、非离子聚丙烯酸酯和羟丙基甲基纤维素搅拌至均匀混合，调节体系的pH至9，搅拌6小时后，球磨48小时；其中，
锌掺杂的ATO纳米粉、无机透明成膜介质、硅烷偶联剂KH-560、非离子聚丙烯酸酯和羟丙基甲基纤维素按的质量比25：70：1：3：1；
无机透明成膜介质由硅溶胶、纳米二氧化钛溶胶、纳米锆溶胶均匀混合制成，其中，SiO2、TiO2和ZrO2质量份的比是80:10:10；
阻隔红外线纳米粉体为实施例1制备得到的锌掺杂的ATO纳米粉。
实施例4
一种阻隔红外、隔热的透明无机涂料的制备方法，包括以下步骤：将无机透明成膜介质、阻隔红外线纳米粉体、聚丙烯酰胺、非离子聚丙烯酸酯和羟乙基纤维素搅拌至均匀混合，调节体系的pH至9，搅拌6小时后，球磨48小时；其中，
锌掺杂的ATO纳米粉、无机透明成膜介质、聚丙烯酰胺、非离子聚丙烯酸酯和羟乙基纤维素按的质量比30：66：1：2：1；
无机透明成膜介质由硅溶胶、纳米二氧化钛溶胶、纳米锆溶胶均匀混合制成，其中，SiO2、TiO2和ZrO2质量份的比是70:15:15；
阻隔红外线纳米粉体为实施例1制备得到的锌掺杂的ATO纳米粉。
将实施例4所得到的阻隔红外、隔热的透明无机涂料通过刷涂的方式涂覆于玻璃基底表面，得到阻隔红外透明隔热无机膜。无机膜的厚度约为分别为30、40、50、60和70微米。
无机膜的光透过性由LS182太阳膜测试仪测得，将制涂覆有阻隔红外透明隔热无机膜的玻璃置于太阳膜测试仪的测试槽中，既可读取紫外、可见和红外波段的光透过性能。表一为不同厚度的阻隔红外透明隔热无机膜的光透过性能。从表中可以看出，随着膜厚度增加，其红外阻隔率增强，有效阻隔了红外光的透过率，达到保温隔热的目的。此外，该隔红外透明隔热无机膜对紫外光也有一定阻隔性，而对可见光却有较高的透过率。膜厚度增加对可见光透过率的影响不大，可保证涂膜玻璃的透光性。
表一不同厚度阻隔红外透明隔热无机膜的光透过性
厚度 30微米 40微米 50微米 60微米 70微米
紫外阻隔率 40％ 47％ 51％ 53％ 55％
可见光透过率 80％ 78％ 76％ 75％ 73％
红外阻隔率 30％ 35％ 42％ 47％ 55％
为了对比我们所制备的阻隔红外透明隔热无机膜的耐紫外老化性能，我们以聚氨酯有机成膜介质，按相同配比和工艺制备了相同厚度的阻隔红外透明隔热的聚氨酯膜。将二者在紫外光灯照射进行老化试验，结果显示无机膜对紫外光的耐久性能明显优于聚氨酯膜。紫外照射10天后，聚氨酯开始变黄老化，而无机膜基本无任何变化。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种阻隔红外、隔热的透明无机涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将无机透明成膜介质、阻隔红外线纳米粉体、分散剂、流平剂和增稠剂均匀混合，调节体系的pH至8～10，搅拌4～10小时后，球磨12～72小时；其中，
按重量百分比计，所述无机透明成膜介质为60-75wt％，所述阻隔红外线纳米粉体为15-30wt％，所述分散剂为2-5wt％，所述流平剂为1-3wt％，余量为增稠剂；
所述无机透明成膜介质由硅溶胶、纳米二氧化钛溶胶、纳米锆溶胶均匀混合制成，其中，硅溶胶、纳米二氧化钛溶胶和纳米锆溶胶中相应的SiO2、TiO2和ZrO2质量份的比是(4～8):(1～2):1；
所述分散剂为硅烷偶联剂KH-560、聚乙二醇、多聚磷酸钠或聚丙烯酰胺；
所述流平剂为非离子聚丙烯酸酯；
所述增稠剂为甲基纤维素、羟乙基纤维素或羟丙基甲基纤维素；
所述阻隔红外线纳米粉体为锌掺杂的ATO纳米粉；
所述锌掺杂的ATO纳米粉的分子式为(ZnxSb0.1Sn0.9-x)O2，0.05≤x≤0.2；
所述锌掺杂的ATO纳米粉的制备方法为：
1，按照分子式(ZnxSb0.1Sn0.9-x)O2，0.05≤x≤0.2的化学计量比，将SnCl4、SbCl3和Zn(Ac)2分别均匀分布在无水乙醇中，依次得到SnCl4乙醇溶液、SbCl3乙醇溶液和Zn(Ac)2乙醇溶液；
2，在所述SnCl4乙醇溶液中滴加所述SbCl3乙醇溶液和Zn(Ac)2乙醇溶液，于50～80℃下回流3～10小时，得到溶胶；
3，调节步骤2中所得溶胶的pH至7～8，在微波条件下，于150～200℃反应0.75～2小时；
4，将步骤3所得溶胶进行洗涤、离心和干燥，得到所述锌掺杂的ATO纳米粉。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述pH为8.5～9.5，搅拌时间为6～8小时，球磨时间为48～64小时。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述SnCl4的物质的量与均匀分布该SnCl4的无水乙醇的体积的比为(1-3)：5；所述SbCl3的物质的量与均匀分布该SbCl3的无水乙醇的体积的比为1：(9-11)；所述Zn(Ac)2的物质的量与均匀分布该Zn(Ac)2的无水乙醇的体积的比为1：(48-52)，所述物质的量的单位为mmol，所述体积的单位为mL。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤3中，通过滴加氨水调节步骤2中所得溶胶的pH至7～8。
5.一种如权利要求1～4中任意一项所述的制备方法制备得到的阻隔红外、隔热的透明无机涂料。
6.一种如权利要求5所述的阻隔红外、隔热的透明无机涂料在制备隔热薄膜中的应用，其特征在于，将所述阻隔红外、隔热的透明无机涂料涂覆在基底的表面，于180～250℃固化3～6小时，在所述基底上表面得到厚度为30～100微米的阻隔红外透明隔热无机膜。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，将所述阻隔红外、隔热的透明无机涂料涂覆在基底的表 面，在190～220℃固化4～5小时，得到阻隔红外透明隔热无机膜。
8.根据权利要求6或7所述的应用，其特征在于，通过喷涂、旋涂、刷涂或刮涂将所述阻隔红外、隔热的透明无机涂料涂覆于基底上表面；所述基底为玻璃；所述阻隔红外透明隔热无机膜的紫外线阻隔率为40～55％，可见光透过率为73～80％，红外光阻隔率30～55％。
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