CN109957293A - 基于一维金属银的涂料、低辐射膜、低辐射材料及其制备方法 - Google Patents

基于一维金属银的涂料、低辐射膜、低辐射材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料科学与工程技术领域，具体涉及一种基于一维金属银的涂料、低辐射膜、低辐射材料及其制备方法。该涂料包括：PVB乙醇溶液，所述PVB乙醇溶液为含有PVB的乙醇溶液；和银纳米线乙醇分散液，所述银纳米线乙醇分散液为含有银纳米线的乙醇分散液。利用该涂料可以获得低辐射膜以及低辐射材料。本发明提供的涂料用于制备低辐射膜和低辐射材料，可以显著降低辐射率，而且具有工艺简洁、过程温和、成膜快速、价格低廉以及产品尺寸无限制，光学、热学性能可调等优点。

Description

基于一维金属银的涂料、低辐射膜、低辐射材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料科学与工程技术领域，具体涉及一种基于一维金属银的涂料、低辐射膜、低辐射材料及其制备方法。
背景技术
由于美学、室内采光和其他一系列功能性需要，透明玻璃和透明外墙被越来越多的装配在现代建筑中。不幸的是，由于具有较高的红外透过率和表面发射率，这些透明结构成为了建筑能量的主要耗散点。在一些发达国家，建筑能耗占据总能耗的40％以上，这其中，接近一半的能量用于空调和保温系统。因此，基于低辐射玻璃组装而成的“节能窗”是新型节能建筑不可或缺的部件。最近科学家提出“个人热管理”特殊织物，凭借具有特殊红外、热效应的材料实现人体散热或保温。然而，就算人们使用了这种特殊织物实现了控温系统的能耗的降低，建筑内部仍然存在着大量能量不停向外耗散。
在建筑室内环境中，能量主要通过热传导、红外线透射(极少部分能量集中于900nm-5μm的近-中红外线，大部分能量集中于5μm以上的中-远红外线)和热辐射的形式从透明窗户或外墙耗散。热传导耗散可以通过中空结构很好地解决。波长大于5μm的红外线会被玻璃吸收，并转化为热辐射向外发射。换言之，解决热辐射能量耗散成为了建筑保温的关键。时至今日，通过真空溅射金属银装配的低辐射玻璃已实现商业化，然而复杂的制作工艺和繁琐的苛刻的溅射条件严重抑制了这类玻璃的大规模生产，无法降低其造价。
因此，低辐射材料例如低辐射玻璃等还需要进一步优化。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为了开发一种更适合商业化应用的低辐射材料，需要进一步降低玻璃表面辐射率，同时最小化银的用量；同时还需要提高低辐射玻璃在可见光范围内的透过率；而且生产制备这种低辐射材料的过程更加温和、可操作和可拓展性更强、价格更低廉。为此，本发明的一个目的在于提出一种涂料、低辐射膜、低辐射材料及其制备方法。
本发明方法采用银纳米线和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)配置特定比例的乙醇溶液，并使用该溶液直接喷涂实现对目标基底辐射率的降低。本发明具有工艺简洁、生产连续、过程温和、成膜快速、价格低廉以及产品尺寸无限制，光学、热学性能可调等优点。相对于传统低辐射玻璃的磁控溅射镀膜技术，本发明具有显著的优势。
具体而言，本发明提供了如下技术方案：
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种涂料，包括：PVB乙醇溶液，所述PVB乙醇溶液为含有PVB的乙醇溶液；和银纳米线乙醇分散液，所述银纳米线乙醇分散液为含有银纳米线的乙醇分散液。
发明人通过研究发现，采用PVB乙醇溶液和银纳米线乙醇分散液混合获得涂料，应用于玻璃或者其他塑料喷涂中，PVB作为粘接剂能有效地将银纳米线粘附在玻璃表面。此外，作为常用建筑防水材料，与其他粘结剂例如PVP(聚乙烯吡咯烷酮)相比，PVB具有优秀的化学稳定性和特殊的疏水性，这使得该涂料应用于建筑玻璃外侧时有良好的化学稳定性和环境难受性。同时，一维金属银具有低辐射率，高透光率以及高电导率(利于表面等离子体共振，完成对红外线的反射)的特点。相较于其他的金属纳米线原料，制作成本更低、技术和工艺更加成熟，而且其辐射率更低。使用方便，可以将该涂料喷涂于玻璃或者其他基底材料表面，降低辐射率，提高中红外反射率。而且，利用乙醇可以快速溶解PVB粉末，获得均一的PVB乙醇溶液，相较于其他溶剂，例如丙酮，无任何毒副作用，符合绿色环保的要求。
根据本发明的实施例，以上所述涂料可以进一步包括如下技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述PVB乙醇溶液和所述银纳米线乙醇分散液的质量比为5:1～20:1，优选为5:1～15:1。PVB作为一种粘结剂和保护剂，PVB的占比提高可以提高成膜材料的强度和稳定性，与此同时光学透明度会相应下降。PVB乙醇溶液和银纳米线乙醇分散液的质量比为5:1～20:1，优选5:1～15:1时，所获得的涂料稳定而且具有一定的强度，且不会影响基底本身的光学透明度。
在本发明的一些实施例中，所述PVB乙醇溶液中所述PVB的质量百分比为0.5％～2％。质量百分比是指某种物质的质量占总质量的百分比，这里是指PVB的质量占由PVB和乙醇组成的溶液的总的百分比值。发明人通过研究发现，在该质量百分比时，所获得的涂料用于成膜时，具有良好的粘结力和透明度。
在本发明的一些实施例中，所述银纳米线乙醇分散液中所述银纳米线的浓度为5～20mg/mL。
在本发明的一些实施例中，所述银纳米线的直径大小为50～100纳米。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种低辐射膜，所述低辐射膜的厚度为1～10微米，所述低辐射膜包括PVB和银纳米线。利用PVB和银纳米线获得的低辐射膜，其厚度在1～10微米左右，具有低辐射率和较高的中红外反射率。
在本发明的一些实施例中，所述低辐射膜是通过将本发明第一方面任一实施例所述的涂料干燥形成。
根据本发明的第三方面，本发明提供了一种低辐射材料，包括：基底，所述基底为透明材料，和低辐射膜，所述低辐射膜覆盖在所述基底的表面，所述低辐射膜为本发明第二方面所述的低辐射膜。
在本发明的一些实施例中，所述基底为透明玻璃或者透明塑料。
根据本发明的第四方面，本发明提供了一种制备低辐射材料的方法，所述低辐射材料为本发明第三方面所述的低辐射材料，所述方法包括：将PVB粉末溶于乙醇，在70～90摄氏度条件下，优选在80摄氏度条件下进行第一搅拌，获得PVB乙醇溶液；将银纳米线溶于乙醇，获得所述银纳米线乙醇分散液；将所述PVB乙醇分散液和所述银纳米线乙醇分散液混合，进行第二搅拌，获得涂料；利用所述涂料喷涂在所述基底上，以便在所述基底材料的表面形成所述低辐射膜，得到所述低辐射材料。利用该方法制备低辐射材料，工艺简洁、生产连续，而且过程温和、成膜快速，所用到的原料价格低廉，相较于传统的低辐射玻璃的磁控溅射镀膜技术，具有明显的优势。
在本发明的一些实施例中，所述第一搅拌的时间为1～5小时。将PVB粉末溶于乙醇时，获得PVB乙醇溶液的过程中，除了能够获得分散均匀的PVB乙醇溶液，在搅拌的过程中，还需要将PVB溶解，搅拌1～5小时可以获得均一的PVB乙醇溶液。
在本发明的一些实施例中，所述第二搅拌的时间为5～30分钟。
附图说明
图1为根据本发明的实施例提供的普通玻璃和本发明方法制备低辐射节能窗玻璃光学性能和热辐射性能对比图。其中a为可见光透过率检测结果，b为中红外反射率检测结果，c为辐射率检测结果。
图2为根据本发明的实施例提供的普通玻璃和本发明方法制备低辐射节能窗玻璃光学性能和热辐射性能对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供了一种涂料，包括PVB乙醇溶液，所述PVB乙醇溶液为含有PVB的乙醇溶液；和银纳米线乙醇分散液，所述银纳米线乙醇分散液为含有银纳米线的乙醇分散液。将PVB乙醇溶液和银纳米线乙醇分散液混合，可以用来喷涂加工低辐射节能窗，或者喷涂生产柔性低辐射节能窗贴膜。本文中，在表述“低辐射”时，是指由于涂料的使用，使得辐射率得到降低。例如，低辐射膜，低辐射材料均是指辐射率较低的膜和材料。
本发明采用银纳米线和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)配置特定比例的乙醇溶液，并使用该溶液直接喷涂实现对目标基底辐射率的降低，并提高中红外反射率。本发明具有工艺简洁、生产连续、过程温和、成膜快速、价格低廉以及产品尺寸无限制，光学、热学性能可调等优点。相对于传统低辐射玻璃的磁控溅射镀膜技术，本发明具有显著的优势。
在本发明的至少一些实施方式中，本发明提供了一种喷涂银纳米线制备低辐射节能窗的方法，包括：(1)将粉末状PVB溶于乙醇，加热至80度搅拌1小时，配置质量比为1％的PVB乙醇溶液；(2)将质量为所述PVB乙醇溶液1/15～1/5的银纳米线乙醇分散液(所述银纳米线乙醇分散液的浓度为10mg/mL，银纳米线直径为50-100nm)加入到所述PVB乙醇溶液中，搅拌10分钟，获得混合溶液；(3)将所述混合溶液注入压力喷雾装置喷涂到基底上。可用的基底包括但不限于玻璃和各种透明塑料薄膜。可用的压力喷雾装置可以为喷壶或者压力注射器等等。
下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
实验组1
按照如下方法制备低辐射节能窗玻璃：
首先，将粉末状PVB溶于乙醇，加热至80度搅拌1小时，配置质量百分比(PVB:(PVB+乙醇)*100％)为1％的PVB乙醇溶液。
其次，配制浓度为10mg/mL银纳米线乙醇分散液(所述银纳米线的直径为50nm)，然后将质量为PVB乙醇溶液1/15的银纳米线乙醇分散液加入到PVB乙醇溶液中，搅拌10min，获得混合溶液，即为涂料。
最后将混合溶液注入手持喷雾装置进行喷涂，基底为透明玻璃，待溶液自然干燥后得到银纳米线低辐射玻璃。
实验组2
按照如下方法制备低辐射节能窗玻璃：
首先，将粉末状PVB溶于乙醇，加热至80度搅拌1小时，配置质量百分比为1％的PVB乙醇溶液。
其次，配制浓度为10mg/mL的银纳米线乙醇分散液(其中，银纳米线的直径为50nm)，然后将质量为PVB乙醇溶液1/10的银纳米线乙醇分散液加入到PVB乙醇溶液中，搅拌10min，获得混合溶液，即为涂料。
最后，将混合溶液注入手持喷雾装置进行喷涂，基底为透明玻璃，待溶液自然干燥后得到银纳米线低辐射玻璃。
实验组3
按照如下方法制备低辐射节能窗玻璃：
首先，将粉末状PVB溶于乙醇，加热至80度搅拌1小时，配置质量百分比为1％的PVB乙醇溶液。
其次，配制浓度为10mg/mL的银纳米线乙醇分散液(其中，所述银纳米线的直径为50nm)，然后将质量为PVB乙醇溶液1/5的银纳米线乙醇分散液加入到PVB乙醇溶液中，搅拌10min，获得混合溶液，即为涂料。
最后将混合溶液注入手持喷雾装置进行喷涂，基底为透明玻璃，待溶液自然干燥后得到银纳米线低辐射玻璃。
实验组4
按照如下方法制备低辐射节能窗贴膜：
首先，将粉末状PVB溶于乙醇，加热至80度搅拌1小时，配置质量百分比为1％的PVB乙醇溶液。
其次，配制浓度为10mg/mL的银纳米线乙醇分散液(所述银纳米线的直径为50nm)，然后将质量为PVB乙醇溶液1/15的银纳米线乙醇分散液加入到PVB乙醇溶液中，搅拌10min，获得混合溶液，即为涂料。
最后，将混合溶液注入气压喷雾注射器进行喷涂(注射速度为10mL/min)，基底为前、后转轴带动的成卷柔性PET塑料(PET前进速度为2-10m/min)，待溶液自然干燥后得到银纳米线低辐射节能窗贴膜。
实验组5
按照如下方法制备低辐射节能窗贴膜：
首先，将粉末状PVB溶于乙醇，加热至80度搅拌1小时，配置质量百分比为1％的PVB乙醇溶液。
其次，配制浓度为10mg/mL的银纳米线乙醇分散液(其中，所述银纳米线的直径为50nm)，然后将质量为PVB乙醇溶液1/10银纳米线乙醇分散液加入到PVB乙醇溶液中，搅拌10min。
最后，将混合溶液注入气压喷雾注射器进行喷涂(注射速度为10mL/min)，基底为前、后转轴带动的成卷柔性PET塑料(PET前进速度为2-10m/min)，待溶液自然干燥后得到银纳米线低辐射节能窗贴膜。
实验组6
按照如下方法制备低辐射节能窗贴膜：
首先，将粉末状PVB溶于乙醇，加热至80度搅拌1小时，配置质量百分比为1％的PVB乙醇溶液。
其次，配制浓度为10mg/mL的银纳米线乙醇分散液(银纳米线直径为50nm)，然后将质量为PVB乙醇溶液1/5银纳米线乙醇分散液加入到PVB乙醇溶液中，搅拌10min。
最后，将混合溶液注入气压喷雾注射器进行喷涂(注射速度为10mL/min)，基底为前、后转轴带动的成卷柔性PET塑料(PET前进速度为2-10m/min)，待溶液自然干燥后得到银纳米线低辐射节能窗贴膜。
实验组7
实验组7与实验组1不同的是，实验组7在制备混合溶液时，浓度为10mg/mL银纳米线乙醇分散液与PVB乙醇溶液的质量比为1:20。
实验组8
实验组8与实验组1不同的是，实验组8在制备混合溶液时，利用水分散银纳米线，获得银纳米水分散液，然后将浓度为10mg/mL银纳米水分散液与PVB乙醇溶液按照质量比为1:15混合搅拌，获得混合溶液。
实验组9
实验组9与实验组1的不同之处在于，在喷涂用混合溶液制备过程中，将粉末状PVB换为粉末状PVP(分子量300,000)，其他材料和过程相同。将混合溶液注入手持喷雾装置进行喷涂，基底为透明玻璃，待溶液自然干燥后得到银纳米线低辐射玻璃。由于PVP可溶于水，因此该银纳米线低辐射玻璃无法应用于建筑外墙(考虑天气原因)。
对各实验组的低辐射玻璃或者低辐射节能窗贴膜进行表征，包括：
1、材料的可见光透过率：利用可见光透过仪检测在可见光谱(400纳米～750纳米)范围内，透过玻璃或者节能窗贴膜的光强度与入射光强度的百分比；
2、材料的中红外线反射率：测定在中红外范围内(2～12微米波长)，投射到玻璃或者节能窗贴膜上面被反射的辐射能与投射到玻璃或者节能窗贴膜上的总辐射能的百分比；
3、材料的辐射率：利用常规恒温辐射光谱做定积分处理，测定材料在不同温度下(30～120摄氏度)的辐射率。
其中图1示出了实验组1中的节能窗玻璃与普通玻璃的可见光透过率，中红外线反射率以及在不同温度下的辐射率。从图1可以看出，与普通玻璃相比，实验组1中的低辐射节能窗玻璃具有降低的可见光透过率，提高的中红外反射率，而且在不同温度下辐射率系数均小于普通玻璃。
图2为将实验组1制备的低辐射玻璃在建筑上的应用展示图。在室内温度为26摄氏度，室外温度为-4摄氏度条件下，对普通玻璃和低辐射玻璃进行红外成像和可见光成像。由红外成像结果可以得到，经过低辐射材料喷涂处理的窗户在该环境温差下辐射率比未经处理的普通窗户低约32％。同时，由可见光照片可知经过低辐射材料喷涂处理的窗户和未经处理窗户可将光透过率相当。
为了反映各实验组的结果，将各实验组的可见光透过率，中红外线反射率以及在30摄氏度条件下的辐射率汇总到表1中。
各实验组的表征结果分别如下：
表1各实验组表征结果
从表1可以看出，实验组8因为利用水分散银纳米线，最终获得的混合溶液不均匀。而实验组9利用PVB替换PVP，也能获得较好的结果，但是由于PVP可溶于水，该玻璃应用于建筑外墙时会受到天气的影响。而其他各实验组与实验组1的各项指标相似。
本文中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种涂料，其特征在于，包括：
PVB乙醇溶液，所述PVB乙醇溶液为含有PVB的乙醇溶液；
和银纳米线乙醇分散液，所述银纳米线乙醇分散液为含有银纳米线的乙醇分散液。
2.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，所述PVB乙醇溶液和所述银纳米线乙醇分散液的质量比为5:1～20:1，优选为5:1～15:1。
3.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，所述PVB乙醇溶液中所述PVB的质量百分比为0.5％～2％。
4.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，所述银纳米线乙醇分散液中所述银纳米线的浓度为5～20mg/mL。
5.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，所述银纳米线的直径大小为50～100纳米。
6.一种低辐射膜，其特征在于，所述低辐射膜的厚度为1～10微米，所述低辐射膜包括PVB和银纳米线。
7.根据权利要求6所述的低辐射膜，其特征在于，所述低辐射膜通过将权利要求1～5任一项所述的涂料干燥形成。
8.一种低辐射材料，其特征在于，包括：
基底，所述基底为透明材料，
和低辐射膜，所述低辐射膜覆盖在所述基底的表面，所述低辐射膜为权利要求6或7所述的低辐射膜。
9.根据权利要求8所述的低辐射材料，其特征在于，所述基底为透明玻璃或者透明塑料。
10.一种制备权利要求8或9所述的低辐射材料的方法，其特征在于，包括：
将PVB粉末溶于乙醇，在70～90摄氏度条件下，优选在80摄氏度条件下进行第一搅拌，获得PVB乙醇溶液；
将银纳米线溶于乙醇，获得所述银纳米线乙醇分散液；
将所述PVB乙醇分散液和所述银纳米线乙醇分散液混合，进行第二搅拌，获得涂料；
利用所述涂料喷涂在所述基底上，以便在所述基底材料的表面形成所述低辐射膜，得到所述低辐射材料；
任选地，所述第一搅拌的时间为1～5小时；
任选地，所述第二搅拌的时间为5～30分钟。
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