銫鎢青銅摻雜節(jié)能玻璃的制備與性能

吳瓊輝，楊 光

(1.中國建材國際工程集團有限公司,上海 200063；2.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

目前，建筑節(jié)能是實現(xiàn)低碳經(jīng)濟和解決能源危機的重要方式。由于傳統(tǒng)玻璃對熱輻射幾乎沒有阻擋作用，導致窗戶的隔熱保溫性能嚴重不足。因此，研發(fā)新型節(jié)能窗材料來提高窗戶的節(jié)能效果，是實現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)之一。最常用的節(jié)能窗材料有低發(fā)射率(Low-E)涂層、銦或銻摻雜氧化錫(ITO或ATO)涂層等，但應用上這些材料都有不足。雖然Low-E涂層的核心銀涂層具有相當好的太陽光反射隔熱性能，但其強反射也帶來了光污染的問題，而且需要多個功能層的復合結(jié)構(gòu)增加了其加工成本。ITO或ATO基涂層雖然也顯示出很強的隔熱能力，但其組分中銦和銻的成本高。VO2貼膜玻璃可以根據(jù)外界溫度自動調(diào)節(jié)近紅外光(NIR)透過率，但是其可見光透過率有待提高和穩(wěn)定性相對較差，制約其廣泛應用[1]。

基于鎢青銅(MxWO3，M=Li、Na、K等)的節(jié)能材料具有強NIR屏蔽且高可見光透過等優(yōu)點，但是其在應用中存在有機膜壽命短、有機膜與基體間附著力較小、不適用于復雜曲面形狀的玻璃等問題。為了實現(xiàn)節(jié)能玻璃大規(guī)模的生產(chǎn)與應用，亟需尋找一種強NIR屏蔽且高可見光透過性能的塊體節(jié)能玻璃以及簡單、穩(wěn)定的制備工藝。因此，為了實現(xiàn)太陽光的NIR強屏蔽且可見光高透過的目標，通過熔融淬冷法將強NIR屏蔽的MxWO3引入到不具備光熱調(diào)控能力，但可見光透過高、穩(wěn)定性好、生產(chǎn)加工技術(shù)成熟、成本低廉的鈉鈣硅玻璃中，研發(fā)出NIR超寬帶屏蔽的鎢青銅摻雜高透節(jié)能玻璃，從而實現(xiàn)建筑自主節(jié)能。最近，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)了以藍鎢、鎢酸和氧化鎢為鎢源都可以得到NIR屏蔽性能優(yōu)異的鎢青銅摻雜透明節(jié)能玻璃，但是對以鎢青銅為鎢源的研究尚不清楚[2]。

為此，以鎢青銅和鎢酸為鎢源，采用熔融淬冷法制備NIR屏蔽的鎢青銅摻雜透明節(jié)能玻璃。研究澄清溫度對鎢青銅摻雜玻璃的NIR屏蔽性能的影響、最佳樣品的隔熱性能與穩(wěn)定性，和玻璃的NIR屏蔽性能起源。

1 實 驗

采用傳統(tǒng)熔融淬冷法制備玻璃。將原料按銫鎢青銅∶鎢酸∶H3BO3∶SiO2∶NaF∶Sb2O3=2.5∶3.5∶31.6∶35.7∶26.5∶0.2(摩爾比)的配比稱量，并在坩堝中充分混合均勻。將坩堝置于升降爐中，先升溫至1 400 ℃保溫2 h，再降至澄清溫度分別為1 000 ℃、1 100 ℃、1 200 ℃、1 400 ℃保溫1 h取出。取出樣品倒入模具中淬冷成型，隨后在箱式馬弗爐中450 ℃保溫6 h退火以消除殘余應力。將樣品分別命名CWO-1000、CWO-1100、CWO-1200和CWO-1400。

采用UV-Vis-NIR分光光度計(UH4150，日立，東京，日本)測試玻璃樣品的透過性能。在室溫條件下，將制得的節(jié)能玻璃、鈉鈣玻璃和鎢青銅貼膜(CWO-film)玻璃分別置于120 W紅外燈下照射的實驗設(shè)備中，紅外燈與玻璃垂直距離約15 cm，在玻璃正下方放置帶有測溫探頭的小盒子。從紅外燈輻照啟動的時候，每分鐘記錄一次溫度變化直到整個模擬實驗完成，對比三種樣品下小盒子內(nèi)溫度變化情況即可得知玻璃的保溫性能[2]。將樣品置于實驗室外，保證其充分受到陽光的照射，每隔1個月測試1次其UV-Vis-NIR透過性能來檢測樣品的穩(wěn)定性[2]。采用X-射線衍射儀(D/MAX2200，Rigaku，東京，日本)對樣品物相進行測試，CuKα為輻射源(λ=0.154 18 nm)。采用激光顯微Raman光譜儀(HR800，Horiba/Jobin-Yvon,Longjumeau，法國)測試樣品結(jié)構(gòu)，激光波長為514 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 澄清溫度對試驗樣品性能的影響

圖1為不同澄清溫度下所得玻璃樣品的UV-Vis-NIR透過光譜。由于玻璃基質(zhì)導致2 100～2 500 nm波長范圍內(nèi)透過率降低，NIR屏蔽性能(ΔT)的定義為300～2 100 nm波長范圍內(nèi)最高可見光透過率(Tmax)和在NIR處透過率最低處之差[3]。圖1表明隨著澄清溫度從1 400 ℃降低到1 000 ℃，樣品的可見光透過率逐漸降低，但伴隨著NIR屏蔽性能顯著的增強。其中，CWO-1400樣品具有最高的可見光透過率Tmax=84.3%和最弱的NIR屏蔽性能ΔT=8.9%，而CWO-1000樣品擁有最強的NIR屏蔽性能ΔT=53.9%和適中的可見光透過Tmax=55.2%。此外，CWO-1000樣品的可見光透過率和NIR屏蔽性能接近于商用鎢青銅貼膜玻璃(ΔT=54.8%和Tmax=58.1%)。

2.2 樣品的隔熱性能及穩(wěn)定性

隔熱性能的對比實驗顯示隨著光照時間的增加，鎢青銅摻雜玻璃測試盒內(nèi)溫度上升的速度低于鈉鈣硅玻璃且略低于CWO-film玻璃測試盒中溫度上升的速度，并在14 min后溫差值分別達到3.4 ℃與0.5 ℃。這表明鎢青銅摻雜玻璃的隔熱性能優(yōu)于鈉鈣硅玻璃且略優(yōu)于CWO-film玻璃。戶外日照的老化實驗表明在六個月的日照條件下，鎢青銅摻雜節(jié)能玻璃的NIR屏蔽性能基本不發(fā)生變化，這證明了鎢青銅摻雜節(jié)能玻璃具有較高的穩(wěn)定性。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

3 結(jié) 論

通過成熟的熔融淬冷法制備了一種新型NIR屏蔽的CsxWO3摻雜透明節(jié)能玻璃。該玻璃的NIR屏蔽性能隨澄清溫度的降低而增強。最佳的CWO-1000樣品的NIR屏蔽性能ΔT=53.9%和可見光透過率為55.2%。隔熱性能的模擬實驗表明，CWO-1000樣品比市售普通鈉鈣硅玻璃具有更優(yōu)的溫度調(diào)節(jié)性能，且略優(yōu)于鎢青銅貼膜玻璃。此外，在戶外日照超過半年后CWO-1000樣品的NIR屏蔽性能無衰減。結(jié)構(gòu)分析表明，該節(jié)能玻璃內(nèi)的非晶CsxWO3結(jié)構(gòu)為其NIR屏蔽性能起源。