纳米隔热涂料的特性与应用

     摘要:论述了纳米透明隔热涂料的隔热原理,指出了其隔热作用不仅与纳米半导体合金粉体本身的物理结构有关,而且还与粉体的粒径有关。简述了纳米透明隔热涂料的特点和涂料制备方法。对所制备的纳米透明隔热涂料进行了表征,表明其具有良好的隔热作用和高的可见光透过率,起到很好的节能效果,具有极高的应用价值和广阔的市场前景。

    关键词:纳米复合涂料;透明隔热;半导体合金材料;隔热原理;应用

    0引言

    随着国民经济和现代科学技术的发展,节能和环保受到了人们越来越多的关注。普通玻璃虽然透明性好,但是对红外线的隔绝不够,给许多需要隔绝热辐射的场合带来巨大的能量损失。为节约能源,人们采取了使用金属镀膜热反射玻璃和各种热反射贴膜等产品,用以反射部分太阳光中的能量,从而达到隔热降温的目的。但是这些产品有的隔热效果不佳;有的透光率较低;有的则需要昂贵的设备,工艺条件的控制也很复杂,不利于向市场大面积推广。因此,市场急需一种性价比高的透明隔热涂料来解决这一关键问题。本文制备了纳米透明隔热涂料,对其特性进行了测定,并用这种涂料采用简单的涂敷工艺制备了单层隔热玻璃和中空隔热玻璃,获得了满意的结果。

    1纳米透明隔热涂料的隔热原理

    1.1宏观特性

    太阳辐射的能量主要集中在波长为0.2～2.5μm的范围内,具体能量分布如下:紫外区为0.2～0.4μm,占总能量的5%;可见光区为0.4～0.72μm,占总能量的45%;近红外区为0.72～2.5μm,占总能量的50%。

    由此可见,太阳光谱中的能量绝大部分分布在可见光和近红外区,其中近红外区就占了一半的能量。红外光对视觉效果没有贡献,若将这一部分能量进行有效阻隔,可以起到很好的隔热效果而不影响玻璃的透明性。因此,需要制备一种能有效屏蔽红外光又能使可见光透过的物质。

    纳米半导体合金粉体对太阳光谱具有理想的选择性,在可见光区透过率高,而对红外光却具有很好的屏蔽性能,将这种纳米半导体合金粉体分散后加入到树脂溶液中,可获得纳米透明隔热涂料,该涂料可在玻璃表面形成透明隔热膜。

    1.2隔热效果与物理结构的关系

    1.2.1半导体合金结构与隔热效果的关系

    涂膜对热辐射的阻隔作用是吸收和反射共同作用的结果。当光源照射到样板玻璃表面,热辐射一部分被载流子吸收,而另一部分由于入射光频率低于等离子体振荡固有频率而被等离子体反射。也就是说,由于自由载离子及等离子体的存在,半导体对入射光呈现出吸收和反射的作用。由于半导体固体在本身性质上的差异,会出现吸收和反射所占比例上的差别。当半导体内含有一定浓度的电子(空穴)时,就会引起自由载流子对入射光的吸收,吸收系数α可以式(1)计算[2]:

式中:N—介质折射率;ε0—真空电容率;m*—电子(空穴)有效质量;μ—导磁率;λ—入射光波长;n—电子(空穴)的浓度。对于某一特定的半导体以及特定的环境而言,N、ε0、m*、μ均为定值,由此可见,吸收与入射光的波长的平方以及载流子的浓度成正比。经验表明,当电子空穴浓度n≥1017cm-3时,主要的吸收区在红外波段。另一方面,由于存在自由载流子,会激发起与气体等离子体相类似的、由自由载流子集体运动引起的等离子体振动,某些物质有固有的等离子频率ωp,用式(2)表示:

    式中:n—传导电子密度;e—电子的电荷;ε—介电常数;m—电子的有效质量。

    又有,光垂直入射时,固体的反射系数用式(3)表述:

    式中:R—固体的反射系数;N—固体的折射率;K—固体的消光系数。

    当入射光频率ω小于等离子体振动频率ωP时,折射率N=0,消光系数K≠0,由式(3)可得R=1,因而对入射光呈强反射。而当入射光频率大于等离子体振动频率ωP时,半导体则对入射光呈现前述的载流子吸收。由于大多数纳米半导体粒子的ωp处于红外波段[3],因而可以认为,对入射光所产生的热量的阻隔,等离子体反射发挥一定的作用。

    综上所述,反射和吸收都起到了屏蔽红外光的作用,即产生了良好的隔热效果。因此只要通过掺杂制出具有半导体性质的合金,就有可能制备出对红外光有屏蔽作用的涂料。

    1.2.2纳米半导体合金粉体的粒径控制

    材料颗粒的尺寸大小与性能有着显著的关系。通过控制纳米半导体合金粉体微粒的微晶粒径和比表面积[4],有可能控制式(2)中传导电子密度n和介电常数ε,或有可能把该纳米半导体合金粉体的微粒具有的等离子频率ωP设定在所期望的范围。

    设纳米半导体合金粉体粒径为r、密度为ρ时,纳米半导体合金粉体一定质量m的总遮断面积A可用(4)式表示:

纳米隔热涂料