CN114555356A - 纳米颗粒太阳能控制膜 - Google Patents

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巴特·E·威尔逊
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Abstract

一种用于车窗的太阳能控制系统，包括由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的基底、形成在基底上或中间介电层上的热致变色膜、以及保护层，该中间介电层形成在所述基底上。该保护层可以由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，并且可以层压在热致变色膜上或层压在包括一个或多个热致变色膜和/或介电层的热致变色芯上。该热致变色膜可以包含二氧化钒纳米晶体。太阳能控制系统可应用于车窗，例如汽车的挡风玻璃。

Description

纳米颗粒太阳能控制膜
相关申请的交叉引用
本申请涉及于2019年9月9日提交的名称为“纳米颗粒太阳能控制膜(NANOPARTICLE SOLAR CONTROL FILM)”的美国临时申请No.62/897,615，并且本申请要求上述申请的权益，该申请的全部内容通过引用明确并入本文。
声明：联邦政府赞助的研究/开发
不适用
技术领域
本公开总体上涉及用于车辆的太阳能控制系统，并且更具体而言，涉及可以应用于车窗(例如汽车的挡风玻璃)的太阳能控制膜。
背景技术
为了减少空调系统的能量消耗，人们已经努力限制进入车辆的太阳辐射。例如，美国专利No.8,361,260(其全部内容通过引用并入本文)描述了银层的用途，该银层可应用于汽车的涂漆金属外部，以便在能够透射可见光的同时反射近红外和中红外(从而使油漆可见)。然而，在一年中的寒冷季节，此类系统可能会产生增加车辆加热系统能耗的不利影响，因为太阳的光线无法有效地加热车辆。此外，银是一种昂贵的材料。
发明内容
本公开考虑了用于克服伴随相关技术的上述缺陷的不同系统和方法。本发明的一个实施方案是一种用于车窗的太阳能控制系统。该太阳能控制系统可以包括由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的基底和形成在基底上的热致变色膜，热致变色膜包含二氧化钒纳米晶体。太阳能控制系统还可以包括层压在热致变色膜上的保护层，该保护层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
太阳能控制系统可以包括位于保护层和热致变色膜之间的紫外线吸收粘合剂。
太阳能控制系统可以包括层压在保护层上的一个或多个牺牲层，该一个或多个牺牲层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。太阳能控制系统可以包括在一个或多个牺牲层和保护层之间的紫外线吸收粘合剂。一个或多个牺牲层中的每一个可以包括用于剥离牺牲层的拉片。
太阳能控制系统可以包括压敏粘合剂，该压敏粘合剂设置在基底的与热致变色膜相反的一侧上。
本公开的另一个实施方案是一种用于车窗的太阳能控制系统。该太阳能控制系统可以包括由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的基底和设置在基底上的热致变色芯，该热致变色芯包括形成在基底上的第一介电层和形成在第一介电层上的第一热致变色膜，第一热致变色膜包含二氧化钒纳米晶体。太阳能控制系统还可以包括层压在热致变色芯上的保护层，该保护层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
太阳能控制系统可以包括位于保护层和热致变色芯之间的紫外线吸收粘合剂。
热致变色芯还可以包括形成在第一热致变色膜上的第二介电层。热致变色芯还可以包括形成在第二介电层上的第二热致变色膜，第二热致变色膜包含二氧化钒纳米晶体。热致变色芯还可以包括形成在第二热致变色膜上的第三介电层。
太阳能控制系统可以包括层压在保护层上的一个或多个牺牲层，该一个或多个牺牲层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。太阳能控制系统可以包括在一个或多个牺牲层和保护层之间的紫外线吸收粘合剂。一个或多个牺牲层中的每一个可以包括用于剥离牺牲层的拉片。
太阳能控制系统可以包括压敏粘合剂，该压敏粘合剂设置在基底的与热致变色芯相反的一侧上。
本公开的另一实施方案是一种用于车辆的太阳能控制方法。该太阳能控制方法可以包括提供由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的基底，在基底上形成第一介电层，以及在第一介电层上形成第一热致变色膜，第一热致变色膜包含二氧化钒纳米晶体。太阳能控制方法还可包括在包括第一介电层和第一热致变色膜的热致变色芯上层压保护层，该保护层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
太阳能控制方法可以包括在形成第一介电层和形成第一热致变色膜之间将基底卷成卷。
太阳能控制方法可以包括将压敏粘合剂设置在基底的与热致变色芯相反的一侧上。太阳能控制方法可以包括润湿车窗的表面，将基底放置在车窗的表面上，使具有压敏粘合剂的一侧抵靠车窗的表面，以及将基底按压在车窗的表面上。太阳能控制方法可以包括在保护层上层压一个或多个牺牲层，该一个或多个牺牲层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。太阳能控制方法可以包括在将基底按压在车窗表面之后，剥离一个或多个牺牲层的最外层牺牲层。
附图说明
通过参考以下描述和附图，将更好地理解本文公开的不同实施方案的以上及其他特征和优点，其中相同的附图标记始终表示相同的部件，并且其中：
图1是根据本发明的实施方案的太阳能控制系统的截面图；和
图2是用于制造、安装和使用太阳能控制系统的示例性操作流程；
图3是图2的步骤210的示例性操作流程；和
图4是图2的步骤240的示例性操作流程。
具体实施方式
本公开包括不同的太阳能控制系统和方法。下面结合附图所进行的详细描述旨在作为对若干当前预期的实施方案的描述，而不是旨在表示可以开发或利用所公开发明的唯一形式。本说明书结合所记载的实施方案阐述了其功能和特征。然而，应当理解的是，相同或者等效的功能可以通过同样涵盖在本公开的范围内的不同实施方案实现。还应当理解的是，诸如第一和第二等关系术语仅用于将一个实体与另一个实体区分开，而不必按这些实体之间的顺序要求或者暗示任何实际的这种关系。
图1是根据本公开的实施方案的太阳能控制系统16的截面图。如图所示，太阳能控制系统16可以应用于车辆的窗户23的外表面。例如，窗户23可以是汽车挡风玻璃。太阳能控制系统16可包括夹在双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯(BoPET)层30之间的热致变色芯24，热致变色芯24包括一个或多个热致变色膜28。热致变色膜28可包含二氧化钒纳米晶体，可以通过适当地合成和/或掺杂使其具有所需的转变温度。例如，可以使热致变色膜28具有大约25℃的转变温度或在25℃和68℃之间的另一个选定的转变温度。为此，可以根据美国专利No.9,975,804中描述的工艺制造热致变色膜28，该专利的全部内容通过引用并入本文。由于存在一个或多个热致变色膜28，太阳能控制系统16可以在温暖的天气条件下反射近红外和中红外光以及在寒冷的天气条件下透射近红外和中红外之间进行转换，同时透射大部分可见光入射光(例如60％至80％)。通过这种方式，可以全年保持车辆舒适的车内温度，同时减少空调和供暖系统的能耗。
在图1所示的示例性太阳能控制系统16中，热致变色芯24包括以交替方式设置在三个介电层26之间的两个热致变色膜28。每个热致变色膜28和介电层26的厚度可以是纳米级，选择堆叠层的特定厚度和数量以调节热致变色芯24反射的红外辐射的量和/或透射的可见光的量。如图所示，为了在制造过程中保护热致变色膜28，热致变色芯24的最外层可以优选为介电层26。然而，还设想热致变色芯24可以仅包括单个热致变色膜28而不包括介电层26，在这种情况下，热致变色膜28可以直接形成在BoPET层30之一上。
BoPET是将热致变色芯24夹在中间的层30的优选材料，因为它尺寸稳定(即，非弹性)，在可见光和近红外和中红外范围内具有高透射率(例如大于50％，优选约90％或更多)、低散射和低成本，尽管也考虑了使用具有这些品质中的一些或全部的其他材料。BoPET层30的尺寸稳定性为热致变色膜28提供支撑。否则，热致变色膜28可能在层30拉伸时破裂或损坏。BoPET层30的厚度可以约是一英寸的千分之二。
除了将热致变色芯24夹在中间的BoPET层30之外，图1中所示的太阳能控制系统16还包括一系列牺牲层30a、30b、30c、30d。牺牲层30a、30b、30c、30d可以具有关于太阳辐射的可见光范围和近红外和中红外范围的高透射值，并且同样可以由BoPET制成并且厚度可以约是一英寸的千分之二。当最顶层牺牲层30d由于环境因素(例如，碎裂、氧化等)而已经不可接受地退化时，可以去除或剥离最顶层牺牲层30d，从而暴露出新的最顶层30c等。另外，牺牲层30a、30b、30c、30d可以减轻热致变色膜28的氧化。这样，可以防止二氧化钒(VO2)转变为五氧化二钒(V2O5)，这可能会降低热致变色膜28的热致变色性能。尽管氧可以通过牺牲层30a、30b、30c、30d扩散，但是可以通过增加牺牲层30a、30b、30c、30d的厚度或数量来减慢氧通过牺牲层的扩散，使氧气扩散率达到可接受的水平。
在使用过程中，最外层牺牲层30d的外侧34可能会暴露于环境因素，例如雨(含有化学物质)、石块、污垢、紫外线等。因此，最外层牺牲层30d的外侧34可能会经历物理退化(例如，碎裂、氧化等)。由于最外层牺牲层30d随着时间的推移而退化，可能难以透过窗户23和太阳能控制系统16看到。有利地，如上所述，每个牺牲层30a-d可以相对于彼此去除(例如，剥离)，也可以从包括热致变色芯24和夹层BoPET层30的底层22上去除。然后下一个最外层30a-d成为牺牲层，当它已被环境因素不可接受地退化时被去除。为此，层30d可以以可剥离的方式粘附到层30c，层30c可以以可剥离的方式粘附到层30b，层30b可以以可剥离的方式粘附到层30a，并且层30a可以以可剥离的方式粘附到底层22。可以提供用于去除每个牺牲层30a-d的拉片或其他装置，使得当每个牺牲层30a-d变得不可接受地退化时，可以从相邻的牺牲层30a-d将其剥离。在进一步使用时，新的最外层30a-d可能会经历物理退化并且可以重复该过程。随着牺牲层30a-d被剥离，热致变色层28的氧化速率增加。因此，牺牲层30a-d的数量可以基于太阳能控制系统16所需的使用寿命增加或减少。为了延长太阳能控制系统16的使用寿命，可以彼此堆叠额外的层30a-d，以增加距离32。相反，为了缩短太阳能控制系统16的使用寿命，可以彼此堆叠更少的层30a-d，以减少距离32。当热致变色膜28被不可接受地氧化时，例如，可以从窗户23上移除整个太阳能控制系统16，并且可以将新的太阳能控制系统16安装到窗户23上。
牺牲层30a-d中的每一个以及层压在热致变色芯24上的BoPET层30可以限定外侧34。紫外线吸收粘合剂可以用于将BoPET层30的外侧34粘附到第一牺牲层30a并将每个牺牲层30a-d的外侧34粘附到下一个牺牲层30a-d。可将紫外线吸收硬质涂料涂覆到最外层牺牲层30d的外侧34上。紫外线吸收粘合剂和/或紫外线吸收硬质涂料可以减缓紫外线对BoPET层30和牺牲层30a-d的破坏作用。紫外线吸收粘合剂也可用于将BoPET层30层压在热致变色芯24上，从而进一步减缓紫外线暴露的任何破坏作用。这种粘合剂可以连续覆盖大部分(如果不是全部的话)BoPET层30、30a-d和热致变色芯24。
图2是用于制造、安装和使用太阳能控制系统16的示例性操作流程。图2的操作流程可以从将热致变色芯24设置在基底上的步骤210开始。基底可以是图1中所示的下部BoPET层30，其最终将被施加到窗户23的外部。如上所述，热致变色芯24可以仅包括单个热致变色膜28而没有介电层26。在这样的情况下，将热致变色芯24设置在基底上(步骤210)可以包括简单地直接在基底上形成单个热致变色膜28。例如，可以制造如美国专利No.9,975,804中所述的透明混合聚合物-纳米棒分散体或液体，并通过其中描述的涂布方法将其施加到基底上(例如参见第8栏，第47至60行)。
图3是步骤210的示例性子过程，用于热致变色芯24包括一个或多个介电层26和/或额外的热致变色膜28的情况。图3的操作流程可以从在基底上形成第一介电层26的步骤211开始。同样，基底可以是图1所示的下部BoPET层30，其最终将被施加到窗户23的外部。一个或多个介电层26和一个或多个热致变色膜28的叠层可以通过辊涂等涂布法交替地形成在基底上。例如，用作基底的BoPET层30可以以卷的形式提供，在步骤211中，该卷被展开以在其一侧形成第一介电层26。当第一介电层26涂覆在基底的一侧之后，可以在步骤212中重新卷起基底。然后可以在步骤213中展开基底，从而在第一介电层26的顶部上形成第一热致变色膜28。例如，可以制造如美国专利No.9,975,804中所述的透明混合聚合物-纳米棒分散体或液体，并通过其中描述的涂布方法将其施加到第一热致变色膜28上(参见例如第8栏，第47至60行)。然后可以在步骤214中将基底卷回来并且在步骤215中展开以在第一热致变色膜28上形成第二介电层26，并且进一步卷起和展开多次直到获得所需数量的热致变色膜28和介电层26。如上所述，热致变色芯24的最外层可能优选为如图1所示的介电层26，以便在制造过程的剩余部分期间保护热致变色膜28。
回到图2，操作流程可以继续在热致变色芯24上层压保护层的步骤220。保护层可以是图1中所示的上部BoPET层30，其将与窗户23相对并且具有如上所述的外侧34。可以将保护层层压在热致变色芯24上(例如，在最外层介电层28上或直接在热致变色膜28上)，使得基底和保护层将一个或多个热致变色膜28和任选的介电层26夹在中间以形成热致变色芯24。如上所述，紫外线吸收粘合剂可用于将BoPET层30(即保护层)层压在热致变色芯24上。
随着底层22已经形成，操作流程可以继续进行在用作保护层的BoPET层30上层压一个或多个牺牲层30a、30b、30c、30d的步骤230，底层22包括被构成基底和保护层的BoPET层30夹在中间的热致变色芯24。如上所述，每个额外的这种BoPET层可以降低氧扩散的速率。太阳能控制系统16的总厚度可能受到在制造期间卷起该太阳能控制系统16所需的弯曲次数的限制。对于较厚的太阳能控制系统16，预期可以使用片材成型工艺(a sheet formprocess)。
在步骤240中，可以将最终的太阳能控制系统16应用到诸如汽车挡风玻璃的车窗23的外表面。在进行此类安装之前，外部保护层可能已经层压在太阳能控制系统16的相对侧上，以保护太阳能控制系统16在储存和运输期间免受氧化、碎裂、紫外线等的影响。例如，这种外部保护层可以是不透明的并且不透氧。在将太阳能控制系统16安装到窗户23之前，可以将太阳能控制系统16切割成窗户23的尺寸，之后可以剥离任何这样的外部保护层以暴露太阳能控制系统16。
图4是步骤240的示例性子过程。在步骤241中，可以将压敏粘合剂设置在底层22的暴露侧，例如，图1所示的在制造过程中用作基底的下部BoPET层30。压敏粘合剂可以基于弹性体(例如丙烯酸树脂)。压敏粘合剂可以连续覆盖大部分(如果不是全部)底层22的暴露侧。在步骤242中，可以用水或其他流体润湿窗户23的外侧，之后在步骤243中，将经切割的太阳能控制系统16放置在窗户23的外侧上。然后，在步骤244中，可以将太阳能控制系统16按压在窗户23上，例如，使用橡皮刮板，在此过程中挤出全部气泡。然后可以使潮湿的粘合剂干燥，从而将太阳能控制系统16安装到窗户23并且不会滑动。
回到图2，太阳能控制系统16已根据步骤210至240制造并应用于窗户23，太阳能控制系统16随时可用。在使用期间，由于最外层牺牲层30a、30b、30c、30d遭受环境破坏，太阳能控制系统16可能最终变得难以看透和/或失去其清洁美观的外观。因此，在步骤250中，太阳能控制系统16的用户可以剥离最外层牺牲层30a、30b、30c、30d以露出如上所述的下一层。为此，在牺牲层30a-30d之间以及在牺牲层30a和在制造期间用作保护层的上部BoPET层30之间使用的粘合剂的强度可能低于用于将太阳能控制系统16粘附到窗户23的粘合剂的强度。以这种方式，当用户拉动牺牲层30a-30d中的一个时(例如，通过拉动如上所述的拉片)，只有牺牲层而不是整个太阳能控制系统16脱落。为了安装新的太阳能控制系统16，可以设想整个太阳能控制系统16可以在使用适当工具施加更大的拉力的情况下取下。
给出以上描述是为了举例说明而非限制本发明。根据上述公开，本领域技术人员可以设计出在此公开的本发明的范围和主旨内的变化形式。此外，本文公开的各实施方案的不同特征可单独使用，或者不同特征彼此组合使用，并且无意限制于本文所描述的具体组合。因此，权利要求的范围不受所举例说明的各实施方案的限制。

Claims (20)

1.一种用于车窗的太阳能控制系统，所述太阳能控制系统包括：
由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的基底；
形成于所述基底上的热致变色膜，所述热致变色膜包含二氧化钒纳米晶体；和
层压在所述热致变色膜上的保护层，所述保护层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
2.根据权利要求1所述的太阳能控制系统，还包括在所述保护层和所述热致变色膜之间的紫外线吸收粘合剂。
3.根据权利要求1所述的太阳能控制系统，还包括：
层压在所述保护层上的一个或多个牺牲层，所述一个或多个牺牲层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
4.根据权利要求3所述的太阳能控制系统，还包括在所述一个或多个牺牲层和所述保护层之间的紫外线吸收粘合剂。
5.根据权利要求3所述的太阳能控制系统，其中，所述一个或多个牺牲层中的每一个包括用于剥离所述牺牲层的拉片。
6.根据权利要求1所述的太阳能控制系统，还包括压敏粘合剂，所述压敏粘合剂设置在所述基底的与所述热致变色膜相反的一侧上。
7.一种用于车窗的太阳能控制系统，所述太阳能控制系统包括：
由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的基底；
设置在所述基底上的热致变色芯，所述热致变色芯包括形成在所述基底上的第一介电层和形成在所述第一介电层上的第一热致变色膜，所述第一热致变色膜包含二氧化钒纳米晶体；和
层压在所述热致变色芯上的保护层，所述保护层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
8.根据权利要求7所述的太阳能控制系统，还包括在所述保护层和所述热致变色芯之间的紫外线吸收粘合剂。
9.根据权利要求7所述的太阳能控制系统，其中，所述热致变色芯还包括形成在所述第一热致变色膜上的第二介电层。
10.根据权利要求9所述的太阳能控制系统，其中，所述热致变色芯还包括形成在所述第二介电层上的第二热致变色膜，所述第二热致变色膜包含二氧化钒纳米晶体。
11.根据权利要求10所述的太阳能控制系统，其中，所述热致变色芯还包括形成在所述第二热致变色膜上的第三介电层。
12.根据权利要求7所述的太阳能控制系统，还包括：
层压在所述保护层上的一个或多个牺牲层，所述一个或多个牺牲层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
13.根据权利要求12所述的太阳能控制系统，还包括在所述一个或多个牺牲层和所述保护层之间的紫外线吸收粘合剂。
14.根据权利要求12所述的太阳能控制系统，其中所述一个或多个牺牲层中的每一个包括用于剥离所述牺牲层的拉片。
15.根据权利要求7所述的太阳能控制系统，还包括压敏粘合剂，所述压敏粘合剂设置在所述基底的与所述热致变色芯相反的一侧上。
16.一种用于车辆的太阳能控制方法，所述方法包括：
提供由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的基底；
在所述基底上形成第一介电层；
在所述第一介电层上形成第一热致变色膜，所述第一热致变色膜包含二氧化钒纳米晶体；和
在包括所述第一介电层和所述第一热致变色膜的热致变色芯上层压保护层，所述保护层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。
17.根据权利要求16所述的太阳能控制方法，还包括在所述形成第一介电层和所述形成第一热致变色膜之间将所述基底卷成卷。
18.根据权利要求16所述的太阳能控制方法，还包括将压敏粘合剂设置在所述基底的与所述热致变色芯相反的一侧上。
19.根据权利要求18所述的太阳能控制方法，还包括：
润湿车窗表面；
将所述基底放置在所述车窗表面上，其中具有所述压敏粘合剂的一侧抵靠所述车窗表面；和
将所述基底按压在所述车窗表面。
20.根据权利要求19所述的太阳能控制方法，还包括：
在所述保护层上层压一个或多个牺牲层，所述一个或多个牺牲层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成；和
在所述按压之后剥离所述一个或多个牺牲层的最外层牺牲层。
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