一種水性透明隔熱塗料及其製備方法和使用方法與流程
2023-12-04 23:47:26
本發明涉及隔熱塗料，尤其是種水性透明隔熱塗料及其製備方法和使用方法。
背景技術：
門窗具有採光、通風和圍護的作用，還在建築藝術處理上起著很重要的作用，因此，現代的建築在設計時越來越多地使用玻璃窗戶和幕牆。然而，眾所周知，太陽光譜按波長可分為三部分：紫外光、可見光、近紅外光。其中，300-400nm的紫外光佔據太陽光能量的3%；400-760nm的可見光佔據太陽光能量的45%；760-2500nm的紅外光佔據太陽光能量的49%。因此，照射到地球表面上98%的太陽光能量在300-2500nm波長範圍內，這也正是普通玻璃透過率最高的區域。顯然，普通玻璃對於人們需要的可見光波段具有高透過率，但同時對紫外和紅外波段也同樣具有高透過率。因此，大面積使用普通玻璃在夏天室內降溫和冬天取暖會造成巨大的能源浪費。據研究統計，在建築能耗方面，我國建築門窗散熱量佔建築外圍總散熱量的50％以上，為發達國家的3-5倍。因此提高門窗的保溫隔熱性能是降低建築能耗的有效途徑。
目前，國內外針對玻璃的熱工性能改造的方法主要有low-e鍍膜技術、貼膜技術以及塗料塗膜技術。其中，以low-e鍍膜技術和貼膜技術在市場上最為成熟，但這兩中方法技術難度大，對設備和操作人員素質要求高，主要被國外大公司壟斷並且其成膜還具有對電視信號、手機信號屏蔽的缺點。相對而言，塗料塗膜技術是將具有太陽光選擇透過性能的納米材料加入到塗料中直接在玻璃表面塗覆塗層從而賦予玻璃光選擇屏蔽能力，具有明顯的操作方便，設備簡單，不存在電磁屏蔽，能對現有玻璃改造的優勢。目前，透明隔熱塗料的研究主要集中在納米功能材料的製備和納米材料在塗料中的分散，一方面，納米功能材料的選擇以氧化物半導體材料為主，如氧化銦摻錫（ito）、氧化錫摻銻（ato）等；另一方面，對其表面接枝、包覆或直接加入分散助劑提高其在塗料中的分散穩定性。雖然取得了較好的可見光透過和紅外光屏蔽性能，但由於氧化物半導體材料的一般化學製備方法中都要經過高溫焙燒過程，由此造成的納米糰聚對納米材料的分散和改性造成了很大的困難，由此導致塗料中納米材料含量低，對紅外光屏蔽能力有限。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種水性透明隔熱塗料及其製備方法和使用方法，塗料塗覆在玻璃表面上具有很好的可見光透過和紅外屏蔽隔熱效果。
為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種水性透明隔熱塗料，按重量百分數包括以下原料：
醇酸樹脂10-23%
水溶性丙烯酸樹脂20-40%
氨基樹脂5-9%
水性納米硫化銅漿液14-33%
二丙二醇丁醚dpnb2-7%
去離子水13-20%
防白水2-7%
消泡劑0.1-0.3%
流平劑0.3-0.5%
基材潤溼劑0.2-0.5%
ph調節劑0.1-0.3%；
所述水性納米硫化銅漿液按重量百分數包括以下原料：
pvp改性硫化銅納米片0.5-0.8%
乙醇20-25%
防白水18-32%
去離子水45-60%；
所述水性納米硫化銅漿液的製備方法，包括以下步驟：
a)將通過水熱法製備得到的pvp改性硫化銅納米片懸浮液超聲分散5-15min後，向其中注入過量的丙酮，用保鮮膜密封靜置4-8h；
b)靜置過程中pvp改性硫化銅納米片發生明顯地沉降，將上清液倒入廢液桶中，並加入適量去離子水超聲分散完全，再注入過量的丙酮，以此洗滌兩次後在室溫下乾燥3-5h，得到pvp改性硫化銅納米片；
c)向pvp改性硫化銅納米片中加入乙醇和去離子水，超聲分散至底部無明顯固體，加入防白水，超聲5-15min，得到分散良好的水性納米硫化銅漿液。
本發明硫化銅是一種在光催化劑、太陽能光熱轉換、建築物玻璃窗的輻射選擇過濾層等領域具有廣泛應用的ｐ型多功能半導體光電材料。由於納米硫化銅能帶躍遷能產生對近紅外光的特殊波段的吸收，使用特定方法製備的納米硫化銅已經被證明具有顯著的近紅外吸收能力，且其禁帶寬度為2.2ev左右，在可見光範圍內具有弱的吸收，因此可以作為一種光選擇吸收材料，並且其製備過程相對簡單，成本低，穩定性好，以此納米材料為基礎研製成高紅外吸收隔熱塗料。而且，不同於氧化物半導體納米材料，硫化銅可以通過共沉澱法、水熱法低溫（<200℃）直接合成，能夠實現對納米硫化銅在製備過程中的表面接枝改性，從而大大降低了納米材料的團聚特性，使得材料在塗料中更易分散穩定。利用本發明的塗料塗覆在玻璃表面上具有很好的可見光透過和紅外屏蔽隔熱效果。
作為改進，步驟a）中，將通過水熱法製備得到的pvp改性硫化銅納米片懸浮液的製備方法為：將0.2000g的cucl2·2h2o和2.5000g的pvp溶解在30ml的去離子水中，在室溫磁力攪拌下形成透明的藍色溶液，然後將1.4ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明藍色溶液中，磁力攪拌30min後，轉移至45ml水熱高壓釜中密封，並在180℃下水熱處理12h，最後將體系自然冷卻至室溫。
作為改進，醇酸樹脂固體含量為45±1%。
作為改進，所述水溶性丙烯酸樹脂固體含量為50±1%，ph值為7.0-9.0。
作為改進，所述氨基樹脂固體含量為98±1%。
本發明水性透明隔熱塗料的製備方法，包括以下步驟：
a)將消泡劑、流平劑和底材潤溼劑加入到防白水中，攪拌均勻待用；
b)依次將去離子水、二丙二醇丁醚dpnb、氨基樹脂、水溶性丙烯酸樹脂和醇酸樹脂加入到水性納米硫化銅漿液中，在900r/min-1500r/min轉速條件下攪拌10-20min；
c)在機械攪拌下將溶解在防白水中的助劑和ph調節劑滴加到樹脂中，滴加完成後繼續攪拌20-30min，得到水性透明隔熱塗料。
利用該方法製備得到的塗料，當塗覆到玻璃表面後，會形成可見光的透過率高於65%，對紅外輻射吸收率大於80%，對紫外線屏蔽率大於70%的完整塗膜。另外，本發明的製備方法使納米能以納米特性穩定均勻的分散在水中，在比一般透明隔熱塗料中添加量較少的情況下也能起到良好的隔熱效果。
本發明隔熱塗料的使用方法：將塗料通過噴塗的方式噴塗在幹潔的普通玻璃表面，隨後在烘箱中以90-110℃預烘8-12min後，升溫至140-160℃烘烤12-17min，取出後自然冷卻至室溫，得到納米硫化銅透明隔熱塗層。
附圖說明
圖1為硫化銅納米片及其標準卡片的xrd圖片。
圖2為硫化銅納米片的低倍率(a)和高倍率(b)掃描電鏡照片。
圖3為硫化銅納米片的表面尺寸(a)和納米片厚度(b)直方圖。
圖4為硫化銅納米片的eds能譜分析。
圖5為不同實例中塗膜在250-1600nm的光透過率譜圖。
圖6為隔熱測試裝置結構示意圖。
圖7為不同實例中塗膜的在紅外燈照射下箱內溫度隨照射時間的變化圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明作進一步說明。
實施例1：
1、製備水性納米硫化銅漿液，製備過程包括如下步驟：
a)將0.300g的cucl2·2h2o和1.500g的pvp溶解在去離子水（60ml）中，在室溫磁力攪拌下形成透明的藍色溶液，然後將2.1ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明藍色溶液中，磁力攪拌30min後，轉移至兩個45ml水熱高壓釜中，密封，並在180℃下水熱處理12h；然後將體系自然冷卻至室溫，
b)將通過水熱法製備得到的pvp改性硫化銅納米片懸浮液超聲分散10min後，向其中注入過量的丙酮，用保鮮膜密封靜置6h；
c)靜置過程中pvp改性硫化銅納米片發生明顯地沉降，將上清液倒入廢液桶中，並加入適量去離子水超聲分散完全，再注入過量的丙酮，以此洗滌兩次後在室溫下乾燥4h，得到pvp改性的硫化銅納米片；
d)向上述材料中加入9.430g乙醇和25.930g去離子水，超聲分散至燒杯底部無明顯固體，加入9.430g防白水，超聲10min，得到分散良好的水性納米硫化銅漿液。
2、製備納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆，製備過程包括如下步驟：
a)將0.470g消泡劑、0.710g流平劑和0.710g底材潤溼劑加入到4.710g防白水中，用一次性吸管攪拌均勻待用；
b)依次將23.100g去離子水、9.430gdpnb、8.000g氨基樹脂、36.000g水性丙烯酸樹脂和18.000g醇酸樹脂加入到上述製備的水性納米硫化銅漿液，在900r/min-1500r/min轉速條件下攪拌10-20min；
c)在機械攪拌下將溶解在防白水中的助劑和0.240gph調節劑滴加到樹脂中，滴加完成後繼續攪拌20-30min，得到納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆。
d)將上述製備的納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆通過噴塗的方式噴塗在幹潔的普通玻璃（200mm×250mm）表面，溼膜厚度為150μm，隨後在烘箱中以100℃預烘10min後，升溫至150℃烘烤15min，取出後自然冷卻至室溫，得到納米硫化銅透明隔熱塗層。
實施例2：
1、製備水性納米硫化銅漿液，製備過程包括如下步驟：
a)將0.600g的cucl2·2h2o和3.000g的pvp溶解在去離子水（60ml）中，在室溫磁力攪拌下形成透明的藍色溶液，然後將4.2ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明藍色溶液中，磁力攪拌30min後，轉移至兩個45ml水熱高壓釜中，密封，並在180℃下水熱處理12h；然後將體系自然冷卻至室溫；
b)將通過水熱法製備得到的pvp改性硫化銅納米片懸浮液超聲分散10min後，向其中注入過量的丙酮，用保鮮膜密封靜置6h；
c)靜置過程中pvp改性硫化銅納米片發生明顯地沉降，將上清液倒入廢液桶中，並加入適量去離子水超聲分散完全，再注入過量的丙酮，以此洗滌兩次後在室溫下乾燥4h，得到pvp改性的硫化銅納米片；
d)向其中加入9.430g乙醇和25.930g去離子水，超聲分散至燒杯底部無明顯固體，加入9.430g防白水，超聲10min，得到分散良好的水性納米硫化銅漿液。
2、製備納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆，製備過程包括如下步驟：
a)將0.470g消泡劑、0.710g流平劑和0.710g底材潤溼劑加入到4.710g防白水中，用一次性吸管攪拌均勻待用；
b)依次將23.100g去離子水、9.430gdpnb、8.000g氨基樹脂、36.000g水性丙烯酸樹脂和18.000g醇酸樹脂加入到上述製備的水性納米硫化銅漿液，在900r/min-1500r/min轉速條件下攪拌10-20min；
c)在機械攪拌下將溶解在防白水中的助劑和0.240gph調節劑滴加到樹脂中，滴加完成後繼續攪拌20-30min，得到納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆。
d)將上述製備的納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆通過噴塗的方式噴塗在幹潔的普通玻璃（200mm×250mm）表面，溼膜厚度為100μm，隨後在烘箱中以100℃預烘10min後，升溫至150℃烘烤15min，取出後自然冷卻至室溫，得到納米硫化銅透明隔熱塗層。
實施例3：
1、製備水性納米硫化銅漿液，製備過程包括如下步驟：
a)將0.600g的cucl2·2h2o和3.000g的pvp溶解在去離子水（60ml）中，在室溫磁力攪拌下形成透明的藍色溶液，然後將4.2ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明藍色溶液中，磁力攪拌30min後，轉移至兩個45ml水熱高壓釜中，密封，並在180℃下水熱處理12h；然後將體系自然冷卻至室溫，
b)將通過水熱法製備得到的pvp改性硫化銅納米片懸浮液超聲分散10min後，向其中注入過量的丙酮，用保鮮膜密封靜置6h；
c)靜置過程中pvp改性硫化銅納米片發生明顯地沉降，將上清液倒入廢液桶中，並加入適量去離子水超聲分散完全，再注入過量的丙酮，以此洗滌兩次後在室溫下乾燥4h，得到pvp改性的硫化銅納米片；
d)向其中加入9.430g乙醇和25.930g去離子水，超聲分散至燒杯底部無明顯固體，加入9.430g防白水，超聲10min，得到分散良好的水性納米硫化銅漿液。
2、製備納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆，製備過程包括如下步驟：
a)將0.470g消泡劑、0.710g流平劑和0.710g底材潤溼劑加入到4.710g防白水中，用一次性吸管攪拌均勻待用；
b)依次將23.100g去離子水、9.430gdpnb、8.000g氨基樹脂、36.000g水性丙烯酸樹脂和18.000g醇酸樹脂加入到上述製備的水性納米硫化銅漿液，在900r/min-1500r/min轉速條件下攪拌10-20min；
c)在機械攪拌下將溶解在防白水中的助劑和0.240gph調節劑滴加到樹脂中，滴加完成後繼續攪拌20-30min，得到納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆。
d)將上述製備的納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆通過噴塗的方式噴塗在幹潔的普通玻璃（200mm×250mm）表面，溼膜厚度為150μm，隨後在烘箱中以100℃預烘10min後，升溫至150℃烘烤15min，取出後自然冷卻至室溫，得到納米硫化銅透明隔熱塗層。
實施例4：
1、製備水性納米硫化銅漿液，製備過程包括如下步驟：
a)將0.600g的cucl2·2h2o和3.000g的pvp溶解在去離子水（60ml）中，在室溫磁力攪拌下形成透明的藍色溶液，然後將4.2ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明藍色溶液中，磁力攪拌30min後，轉移至兩個45ml水熱高壓釜中，密封，並在180℃下水熱處理12h；然後將體系自然冷卻至室溫，
b)將通過水熱法製備得到的pvp改性硫化銅納米片懸浮液超聲分散10min後，向其中注入過量的丙酮，用保鮮膜密封靜置6h；
c)靜置過程中pvp改性硫化銅納米片發生明顯地沉降，將上清液倒入廢液桶中，並加入適量去離子水超聲分散完全，再注入過量的丙酮，以此洗滌兩次後在室溫乾燥4h，得到pvp改性的硫化銅納米片；
d)向其中加入9.430g乙醇和25.930g去離子水，超聲分散至燒杯底部無明顯固體，加入9.430g防白水，超聲10min，得到分散良好的水性納米硫化銅漿液。
2、製備納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆，製備過程包括如下步驟：
a)將0.470g消泡劑、0.710g流平劑和0.710g底材潤溼劑加入到4.710g防白水中，用一次性吸管攪拌均勻待用；
b)依次將23.100g去離子水、9.430gdpnb、8.000g氨基樹脂、36.000g水性丙烯酸樹脂和18.000g醇酸樹脂加入到上述製備的水性納米硫化銅漿液，在900r/min-1500r/min轉速條件下攪拌10-20min；
c)在機械攪拌下將溶解在防白水中的助劑和0.2400gph調節劑滴加到樹脂中，滴加完成後繼續攪拌20-30min，得到納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆。
d)將上述製備的納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆通過噴塗的方式噴塗在幹潔的普通玻璃（200mm×250mm）表面，溼膜厚度為200μm，隨後在烘箱中以100℃預烘10min後，升溫至150℃烘烤15min，取出後自然冷卻至室溫，得到納米硫化銅透明隔熱塗層。
實施例5：
1、製備水性納米硫化銅漿液，製備過程包括如下步驟：
a)將0.900g的cucl2·2h2o和4.500g的pvp溶解在去離子水（60ml）中，在室溫磁力攪拌下形成透明的藍色溶液，然後將6.3ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明藍色溶液中，磁力攪拌30min後，轉移至兩個45ml水熱高壓釜中，密封，並在180℃下水熱處理12h；然後將體系自然冷卻至室溫；
b)將通過水熱法製備得到的pvp改性硫化銅納米片懸浮液超聲分散10min後，向其中注入過量的丙酮，用保鮮膜密封靜置6h；
c)靜置過程中pvp改性硫化銅納米片發生明顯地沉降，將上清液倒入廢液桶中，並加入適量去離子水超聲分散完全，再注入過量的丙酮，以此洗滌兩次後在室溫下乾燥4h，得到pvp改性的硫化銅納米片；
d)向其中加入9.430g乙醇和25.930g去離子水，超聲分散至燒杯底部無明顯固體，加入9.430g防白水，超聲10min，得到分散良好的水性納米硫化銅漿液。
2、製備納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆，製備過程包括如下步驟：
a)將0.470g消泡劑、0.710g流平劑和0.710g底材潤溼劑加入到4.710g防白水中，用一次性吸管攪拌均勻待用；
b)依次將23.100g去離子水、9.430gdpnb、8.000g氨基樹脂、36.000g水性丙烯酸樹脂和18.000g醇酸樹脂加入到上述製備的水性納米硫化銅漿液，在900r/min-1500r/min轉速條件下攪拌10-20min；
c)在機械攪拌下將溶解在防白水中的助劑和0.240gph調節劑滴加到樹脂中，滴加完成後繼續攪拌20-30min，得到納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆。
d)將上述製備的納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆通過噴塗的方式噴塗在幹潔的普通玻璃（200mm×250mm）表面，溼膜厚度為150μm，隨後在烘箱中以100℃預烘10min後，升溫至150℃烘烤15min，取出後自然冷卻至室溫，得到納米硫化銅透明隔熱塗層。
對照實施例6：
此例子中不加入納米硫化銅，只製備丙烯酸氨基醇酸烤漆。
1、製備丙烯酸氨基醇酸烤漆，製備過程包括如下步驟：
a)將0.470g消泡劑、0.710g流平劑和0.710g底材潤溼劑加入到4.710g防白水中，用一次性吸管攪拌均勻待用；
b)依次將9.430g乙醇、49.030g去離子水、9.430gdpnb、8.000g氨基樹脂、36.000g水性丙烯酸樹脂和18.000g醇酸樹脂混合，在900r/min-1500r/min轉速條件下攪拌10-20min；
c)在機械攪拌下將溶解在防白水中的助劑和0.2400gph調節劑滴加到樹脂中，滴加完成後繼續攪拌20-30min，得到不含納米硫化銅丙烯酸氨基醇酸烤漆。
2、製備透明隔熱塗層，製備過程包括如下步驟：
將上述製備的丙烯酸氨基醇酸烤漆通過噴塗的方式噴塗在幹潔的普通玻璃（200mm×250mm）表面，溼膜厚度為150μm，隨後在烘箱中以100℃預烘10min後，升溫至150℃烘烤15min，取出後自然冷卻至室溫，得到丙烯酸氨基醇酸烤漆透明隔熱塗層。
測試數據對比
如圖1所示，譜圖中納米cus樣品的明顯衍射峰與cus的pdf#06-0464標準卡片相符，證明得到六方相的cus晶體，並未出現其它雜峰；
如圖2所示，製備的樣品為六角形片狀結構且cus納米片的單分散性能好，無團聚現象。
如圖3所示，在95%的置信區間內，cus納米片表面尺寸和厚度分布分別為233.78±36.80nm和39.46±7.40nm。為二維納米材料。
如圖4所示，表明製備的樣品由cu和s兩種元素組成，c、n和o元素來源於cus表面接枝的聚乙烯吡咯烷酮，au元素來源於掃描電鏡測試的鍍金，不含有其它的雜質元素。
如圖5所示，不同實例中塗覆在玻璃板上的塗膜在250-1600nm的透過率譜圖，從圖中可以看出，製備的塗膜就有明顯的可見光透過和近紅外光屏蔽作用；且以實例3為例，實現了在塗膜固含中cus納米片相對很少的情況下光的透過率高於65%，對紅外輻射吸收率大於80%，對紫外線屏蔽率大於70%的可觀性能。
如圖6所示，光源為兩個250w紅外燈，其中心至樣板表面的垂直距離是25cm，測試用的木盒壁厚為5mm，尺寸為230×310×210mm3，木盒四周（除頂部）均被泡沫塑料保溫層包裹，內部尺寸為150×250×170mm3。將實例中塗有塗膜的玻璃板覆蓋於右側的木盒頂部（塗層面朝上），未塗覆任何塗料的空白玻璃作為參照覆蓋於左側的木盒頂部，每隔1min記錄兩個熱電偶溫度顯示器的溫度數據，測試時間定為60min。
如圖7所示，不同實例中塗覆在玻璃板上的塗膜通過自製的隔熱測試裝置在紅外燈照射下箱內溫度隨照射時間的變化圖，可以看出塗覆含納米硫化銅的塗膜表現出了顯著的隔熱效應。其中，實例1、2、3、4、5、6最終的溫度分別為74.65℃、73.85℃、70.80℃、68.10℃、67.20℃、82.85℃。