TWI491670B - 具備紅外線吸收功能且具有高可見光穿透率之聚碳酸酯組合物 - Google Patents

Description

具備紅外線吸收功能且具有高可見光穿透率之聚碳酸酯組合物

本發明為一種可應用於綠色建築材料之高透明隔熱採光之塑料，具體說明是一種可吸收紅外線使其成型品於光源照射之背面位置具備降溫效果之聚碳酸酯樹脂組合物。

聚碳酸酯具備優異透明性、質輕、高力學強度、難燃、熱穩定性佳、可彎曲加工、吸水率低、介電性質優良等特性，為五大通用工程塑料之一，且唯一具備透明性之產品。可以使用於建築材料的採光應用，例如採光浪板、採光中空板及採光平板等，主要是考量聚碳酸酯具備高強度且透光度高的特性，但應用於採光時，高透明度的特性，使光譜中所有的光線均可大幅度的穿過，而光譜中紅外線區域的光譜為人眼所看不見，無助於採光效果，但卻會造成室內溫度升高，從而需要利用空調來降溫，於地球溫室效應越來越嚴重的現在，可降低能源的使用量，就可以幫助減緩地球暖化的效應，為達成節能應用，具備抗紅外線穿透功能且高透明度之採光材料，有其存在的必要性。

為具備降低紅外線穿透且透明之採光材料應用，以往進行各式研究，如使用多重金屬鍍膜維持可見光穿透率並降低紅外線穿透率。或是利用銦錫 氧化物(Indium Tin Oxide，簡稱ITO)或銻錫氧化物(Antimony Doped Tin Oxide，簡稱ATO)微粒，添加到聚碳酸酯中，直接進行應用。以金屬鍍膜方式，容易有氧化問題，須特別保持真空防止氧化發生，且多重鍍膜的製程複雜，導致成品費用偏高。而使用銦錫氧化物添加塗佈製膜方式，因為需要進行二次加工處理，對於非平面設計的成品進行加工有困難。使用銦錫氧化物或銻錫氧化物微粒直接添加進行應用部分，雖可具備簡便的方式製造成品，但添加銦錫氧化物或銻錫氧化物微粒要達成高透明度並具備高紅外線遮蔽率有困難，添加量大則透明度低且物性差無法應用，添加量小則紅外線穿透率偏高無法達成有效降低紅外線穿透的目的。高透明度且低紅外線穿透的特性，仍有改善的必要。

中國專利CN 1639265 A，利用六硼化物或六硼化物與銦錫氧化物或銻錫氧化物微粒，分散於聚碳酸酯或丙烯酸類樹脂中，作為紅外線屏蔽成分，成品雖有表現出高可見光透光率及接近55%之太陽光穿透率，但因為添加六硼化物及銦錫氧化物/銻錫氧化物所導致的霧度(HAZE)問題卻未能克服，霧度偏高時，會影響視野，嚴重時會有白濁化現象，限制其在使用於建築材料上需求高透明度且良好視野的應用。

中國專利CN 101421353 A，利用經過高分子分散劑處理而形成的銻錫氧化物微粒或銦錫氧化物，分散於聚碳酸酯樹脂中，再利用射出成型或擠出成型製作具備遮蔽中紅外線區域的組合物即成型板。添加銻錫氧化物微粒或銦錫氧化物的問題在於添加量少，可維持高透明度但無法有效降低紅外線穿透率，添加量大，則透明度不足，且物性嚴重受影響。

中國專利CN 102803381 A，將複合鎢氧化物(成份M_xW_yO_z)微粒及使用TGA 250℃條件，5%以內重量損失之紫外線吸收劑，達成高透明度且低霧 度之組合物和其成型品。複合氧化鎢微粒如需達成良好的紅外線遮蔽效果，需使複合氧化鎢微粒達到奈米級粒徑，奈米級微粒最大的問題在於團聚問題克服方式，文中提及利用直接添加或單次或多次的分散劑披覆，可以提高分散性，降低對物理特性的影響。直接添加複合氧化鎢微粒的問題在於無法保證分散性，單次或多次的分散劑披覆問題點在於重複添加分散劑溶解、攪拌、乾燥處理，時間及能源大量損耗，缺乏效率。

本發明之目的在於克服現有技術之不足，提供一種高透明度且可吸收紅外線之聚碳酸酯組合物，紅外線為熱量來源，且無助於視野觀察，當紅外線被遮蔽未進入到成型品後方，則成型品後方可具備較低之溫度，適合應用於建築材料，其高透明度可取代玻璃，且具備玻璃所欠缺的物理強度，當應用於採光部位時，紅外線遮蔽功能可降低日光中熱能的傳輸，使採光部後方的區域具備較低的熱量累積，進而達成降低空調或電力的使用，高透明度及低紅外線穿透率為應用於建築材料採光/開口部的重要條件。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現：

相對於100質量份的(A)聚碳酸酯，還含有0.01~2.5質量份的(B)奈米隔熱分散液(成分M_xWO_3-yA_y)，0.01~0.3質量份的(C)抗氧化劑以及0.05~1.0質量份的(D)紫外線吸收劑而形成之可吸收紅外線且具有高可見光穿透率之聚碳酸酯組合物。

與現有技術相比較，本發明之效果是：

(1)厚3.2mm透明方型試片之透明度可達70%，此時紅外線遮蔽率(780nm以上光穿透率)可達88%。

(2)厚2.0mm透明方型試片之透明度可達79%，此時紅外線遮蔽率(780nm以上光穿透率)可達73%。

(3)因具備高透明度，因此可直接應用於建築材料之採光/開口部；而同時具備高紅外線遮蔽率，因此可應用於建築物之綠能建築。成型品的背面及其後空間具備較低的熱量累積，進而降低空調或電力的使用，達成節能減碳目的。

以下提供本發明一種具備紅外線吸收功能之聚碳酸酯塑料組合物之具體實施方式。本發明之聚碳酸酯樹脂組合物含有芳香族聚碳酸樹脂(A)、奈米隔熱分散液(B)、抗氧化劑(C)、UV吸收劑(D)。

於本發明中使用的芳香族聚碳酸酯樹脂(A)，通常可舉出為二價石碳酸與光氣或碳酸酯化合物等聚碳酸酯前驅物反應而製造，並可以分支的熱塑性芳香族聚碳酸酯聚合物或共聚物。芳香族聚碳酸酯的製造方法沒有特別限定，可以採用光氣法(介面聚合法)或熔融法(酯交換法)等公開的方法。於本發明中所使用的芳香族聚碳酸酯樹脂(A)的分子量，以使用二氯甲烷為溶劑，在25℃下測定的溶液黏度進行換算的黏度平均分子量，優選為15000~40000、更優選為20000~28000。黏度平均分子量小於15000時，物性強度差，當大於40000時，流動性差而不易加工成型。

於本發明中使用的奈米隔熱分散液(B)中含有有效成分之化學結構為M_xWO_3-yA_y，其中M為一種 以上作為陽離子之鹼金屬元素，W為鎢，O為氧，A為作為陰離子之鹵素元素，且0<x≦1，0<y≦0.5。上述結構材料進行濕球研磨使粉體粒徑D50<50nm，可搭配使用直徑2mm釔安定氧化鋯圓球及聚合物分散劑(polymeric dispersant)來進行研磨達成複合氧化鎢微粒的奈米化，使複合氧化鎢分散微粒可維持於良好分散不團聚的狀態。添加質量份相對於(A)聚碳酸酯為0.01~2.5，添加質量份小於0.01時，紅外線吸收功能不顯著，添加質量份大於2.5時，除物性明顯衰退外，另對於加工時過量液體添加劑導致的壁面沾黏而影響其分散效果。

於本發明中所使用的抗氧化劑(C)，可使本發明之聚碳酸酯樹脂組成物於成型時熱安定性提升，此磷系安定劑，係選自磷酸系化合物或芳香族磷化合物，磷酸系化合物可舉出亞磷酸、磷酸之酯類。具體而言，可舉出二丁基磷酸酯、二異丙基磷酸酯、二辛基磷酸酯、二(異丙基苯基)磷酸酯、二(辛基苯基)磷酸酯、二(癸基苯基)磷酸酯、三甲基磷酸酯、三乙基磷酸酯、三丁基磷酸酯、三辛基磷酸酯、三癸基磷酸酯、三苯基磷酸酯、三(壬基苯基)磷酸酯、三(2,4-二-三級丁基苯基)亞磷酸酯、丁基二苯基磷酸酯、癸基二苯基磷酸酯、辛基二苯基磷酸酯等。其中，優選為使用三(2,4-二-三級丁基苯基)亞磷酸酯。其中，優選為三(2,4-二-三級丁基苯基)亞磷酸酯，添加質量份相對於(A)聚碳酸酯為0.01~0.3，添加質量份低於0.01時，防止聚碳酸酯於高溫操作時裂解導致色口黃化的效果不佳，添加質量份大於0.3時，雖具備良好防止高溫操作時色口黃化效果，但於高溫高濕經時試驗後成品物性劣化明顯，對於長久使用的品質穩定性會造成問題。

於本發明中所使用之紫外線吸收劑(D)，為由丙二酸酯系化合物，或草醯苯胺系化合物，或苯并三唑系化合物及具有具苯并三唑系骨架之側鏈的丙 烯酸系樹脂所組成。丙二酸酯系化合物可列舉亞苄基雙丙二酸二乙酯，草醯苯胺系化合物可列舉具有碳數1~12個之烴基的草醯苯胺化合物等，苯并三唑系化合物可列舉2-(2-羥基-5-三級辛基苯基)、2,2’-亞甲基雙(4-三級辛基-6-苯并三唑苯酚)等、苯并三唑具苯并三唑系骨架之側鏈的丙烯酸系樹脂可列舉於聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)側鏈結合2-(5-第三辛基-2-羥苯基)苯并三唑基的化合物等。這些紫外線吸收劑之紫外光吸收光譜200~400nm之相對最大吸收波長為290~330nm。(D)成分之紫外線吸收劑的添加質量份相對於(A)聚碳酸酯為0.05~1，添加質量份低於0.05時無明顯之耐紫外線效果，添加質量份大於1，色相偏黃，容易被認為品質劣化不良。

於本發明的聚碳酸酯樹脂組合物中，在不損於本發明的目的範圍內，亦可以根據需要混合其他種添加劑。舉例來說可使用抗靜電劑、脫模劑、抗菌劑、擴鏈劑及相容劑等。

實施例

原材料

(1)聚碳酸酯樹脂：TARFLON FN2200、台化出光石油化學股份有限公司製，黏度平均分子量22000，記作”FN2200”。

(2)奈米隔熱分散液：氧化鎢複合微粒，D50<50nm，有效溶質含量25%，記作”MWOA”。

(3)抗氧化劑：Irgafos 168、BASF，記作”I-168”。

(4)滑劑：季戊四醇四硬脂酸酯，記作”PETS”。

(5)紫外線吸收劑：苯并三唑系紫外光吸收劑、Eusorb UV-329，記作”UV-329”

(6)六硼化鑭(對照組)：LaB6，記作”LaB6”。

(7)銻錫氧化物微粒(對照組)：Antimony Doped Tin Oxide(簡稱ATO)，記作”ATO”。

(8)銦錫氧化物微粒(對照組)：Indium Tin Oxide(簡稱ITO)，記作”ITO”。

評價方法：

樹脂組合物的製造

在製造本發明的樹脂組合物時，製造方法沒有特別限定，為確保組合物可充分融熔混煉，可採用押出成型機製粒、單螺桿、雙螺桿、多螺桿組合方式進行混煉製造。

原材料的供給方式，可以是把所有必要的原材料一次進行混合機混合，或是其中某些成分製作成高濃度母粒添加，或是區分主、側餵料等方式供給押出機進行押出混煉。

原材料混合機可以有多種型態，以高速混合機型式的混合機為優選。

例如依表一及表二所記載之比例，將實施例與比較例的配方，以粉末混合機進行混合後，再以雙螺桿混煉押出機押出製粒，押出溫度265℃，螺桿轉速200rpm，押出產速25kg/hr之條件進行混煉、製粒。所得膠粒以120℃乾燥4hr以上進行預乾燥處理，降低含水量。再以射出成型機溫度285℃，模具溫度80℃條件進行製作性能評價用試片。

(1)利用射出機製作標準檢測如ASTM用試片，測試試片具備常見之啞鈴型、長棒型、方型，可提供用作物性及光學評估用判定用途。IZOD缺口衝擊強度依據ASTM D256以短棒形試片進行評估測試，本試驗使用63mm * 13mm * 3.2mm試片進行缺口深2.54mm切割後，進行缺口衝擊強度試驗。

試驗機台例如

粉末混合機：僑隆機械有限公司，CL-FC25

雙螺桿押出機：TOSHIBA,TEM-35BS

烘箱：承輝企業有限公司，ST-60A/B

試片射出機：富強鑫精密工業股份有限公司， FT-110

耐衝擊試驗機 CEAST Resil Junior 6963.000

缺口切割機 Notchvis 6950.000)

可見光穿透率及霧度(HAZE)依據ASTM D1003，以方形試片進行評估測試，本試驗使用60mm * 60mm * 3.2mm試片進行光學檢測。

試驗機台例如霧度計 TOKYO DENSHOKU HAZE METER MODEL TC-H3DPK。

(2)另外對於比較例與實施例使用紫外光/可見光分光光譜儀(檢測光譜範圍200~1100nm)，進行波長1000nm的透光率檢測。

光譜儀試驗機台例如美商CARY 50，本試驗使用長*寬*厚為60mm * 60mm * 3.2mm及60mm * 60mm * 2.0mm試片進行光學檢測。因紅外線屬於780nm以上之波長，因此以光譜儀測試800、1000nm之穿透率數值作為判斷紅外線之穿透率，數值越高代表紅外線穿過比例越高，相對的則紅外線遮蔽率越低。本試驗使用長*寬*厚為60mm * 60mm * 3.2mm及60mm * 60mm * 2.0mm試片進行檢測。

從表1可知實施例1~4試驗說明，使用本發明之具備紅外線吸收功能之聚碳酸酯組合物，除可維持高物性強度(如IZOD可維持76kg-cm/cm以上)，而於厚度3.2mm試片之可見光穿透率在75.5~66%時，其1000nm之紅外線穿透率僅有16~7%，可確認具備高透明度、高機械強度與高紅外線遮蔽率。實施例5試驗說明添加更大量本發明使用之奈米隔熱分散液，可保證紅外線穿透率為0%，但因為添加量大，可見光穿透率僅23%，如需應用於採光用途之建築材料，需降低產品厚度來提升透光率，否則會因為可見光穿透率偏低而導致應用用途受到限制。實施例6試驗說明添加量添加雖有助於降低紅外線穿透率，但未適量添加會導致物性衰退，可由IZOD明顯判斷。

從表2可知，比較例1為一般級聚碳酸酯，其可見光穿透率可達90.1%，在1000nm之穿透率為90%，顯示不具備紅外線吸收效果。比較例2與3說明即使為可使用的紅外線吸收劑，如缺乏適當的分散效果，紅外線阻擋效果亦不明顯。比較例4與5說明使用ITO系紅外線吸收劑，可具備紅外線阻擋效果，但添加量大時，除影響物性強度如IZOD衰退嚴重，及耐熱性變差如HDT降低，另會造成霧度提高，使視野不良。

上述的實施例僅在說明本發明之技術手段，並非用以限制本發明之技術範疇。

本發明的聚碳酸酯樹脂組合物，因具備高透明度、高機械強度與高紅外線遮蔽率，因此特別適合應用於建築材料之採光/開口部位，例如採光浪板、採光平板、中空板、玻璃替代品等。此發明的關鍵技術在於奈米隔熱分散液的分散均勻性，於製造組合物時原物料是以分散液狀態進行使用，在使用前保持分散狀態，使用時可利用mixer攪拌將PC粉與液態分散液混合打散，直接進行押出製粒或利用烘箱將部分溶劑先行去除，殘餘溶劑可在押出製粒時排除。

Claims (3)

1. 一種具備紅外線吸收功能且具有高可見光穿透率之聚碳酸酯組合物，其特徵在於：相對於100質量份的(A)聚碳酸酯，還含有0.01~2.5質量份的(B)奈米隔熱分散液，0.01~0.3質量份的(C)抗氧化劑，以及0.05~1質量份的(D)紫外線吸收劑，其中該(B)奈米隔熱分散液中含有的有效成分之化學結構為M_xWO_3-yA_y，其中M為一種以上作為陽離子之鹼金屬元素，W為鎢，O為氧，A為作為陰離子之鹵素元素，且0<x≦1，0<y≦0.5。
2. 如請求項第1項所述之具備紅外線吸收功能且具有高可見光穿透率之聚碳酸酯組合物，其中該(C)抗氧化劑係選自磷酸系化合物或芳香族磷化合物。
3. 如請求項第1項所述之具備紅外線吸收功能且具有高可見光穿透率之聚碳酸酯組合物，其中該鹼金屬元素可以為鈉，鹵素元素可以為氯。