專利名稱：一種溫致透光率可逆變化材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種調(diào)節(jié)光透過性能的材料及這種材料的制備方法，具體涉及一種用于調(diào)節(jié)光透過性能的溫致透光率可逆變化材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
房屋的冬暖夏涼是人類自古以來追求的夢想，遺憾的是現(xiàn)實(shí)世界往往出現(xiàn)冬冷夏熱，原因在于太陽對一定緯度地面入射角在冬夏發(fā)生較大變化及建筑材料的太陽能吸收率和熱發(fā)射率不能隨季節(jié)變化而產(chǎn)生變化，只能以采暖制冷來營造建筑熱舒適環(huán)境，大量消耗地球礦物能源、污染環(huán)境、加劇全球溫室效應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國建筑能耗已占全美總能耗的38％，在我國僅采暖能耗也已超過10％，且隨著空調(diào)的普遍使用建筑能耗增勢迅猛，2003年盛夏全國出現(xiàn)的“電荒”是一明證。為節(jié)約能源，人們采用輕質(zhì)多孔材料、絕熱涂料等，在房屋頂部開設(shè)通風(fēng)窗、采用太陽能反射涂料和淺色降溫涂料、太陽光譜選擇性吸收涂料等多種方式對建筑物進(jìn)行保溫絕熱處理，上述各種方法未能在冬夏兩季都充分處置利用太陽能，故對要求冬暖夏涼的建筑物來說均存在很大局限性。
鑒于每秒到達(dá)地面的太陽總輻射能高達(dá)60萬億千瓦，為全球總發(fā)電量的5萬倍以上，且為一種永久性、潔凈無害能源，充分利用太陽能無疑是一種解決建筑耗能的有效途徑。在此方面，人們已采用了特朗伯(Trombe)墻、太陽能電池、TIM(TransparentInsulation Materials)材料、集熱屋頂、可調(diào)太陽墻等材料和裝置來充分處置利用太陽能。其中TIM材料為在外墻面上涂覆太陽能吸收涂料，然后外加鋁箔簾幕組合而成，研究結(jié)果表明該材料可使人們幾乎完全擺脫對地球礦物能源的依賴而舒適地生活。這些結(jié)果說明通過對太陽能的合理處置利用可以營造出建筑熱舒適環(huán)境，從而徹底解決建筑耗能和環(huán)境保護(hù)問題。本發(fā)明專利申請者已研制出一種在夏季能大量反射太陽輻射且能大量發(fā)射自身熱量(即低吸收率、高發(fā)射率的低吸收發(fā)射比狀態(tài))，而到冬季可轉(zhuǎn)換成能大量吸收太陽輻射且很少發(fā)射自身熱量(即高吸收率、低發(fā)射率的高吸收發(fā)射比狀態(tài))的建筑涂料，即空調(diào)型建筑涂料，發(fā)現(xiàn)其吸收發(fā)射比可在18℃上下，于0.39-0.55之間呈可逆變化，符合建筑物冬暖夏涼的要求方向。
在繼續(xù)研究改善空調(diào)型建筑涂料性能的同時(shí)，發(fā)明人認(rèn)為還需解決窗戶對建筑熱舒適環(huán)境的影響問題。由于窗戶應(yīng)具有建筑采光的功能，故應(yīng)在滿足采光的前提下考慮其對建筑熱環(huán)境的作用和影響。眾所周知，一般窗玻璃具有透過可見光、反射紅外光的特性，此特性在冬季可被用來制造主動(dòng)式太陽熱房，從而使建筑取暖能耗降低，但到夏季，此特性則使建筑物室內(nèi)過熱，從而使建筑制冷空調(diào)能耗大大增加。由此可知，需要研究出一種在冬季具有高透光率、夏季具有低透光率、且透光率變化的溫度接近建筑熱舒適溫度的常溫溫致透光率可逆變化的材料才能同時(shí)滿足冬、夏兩季的應(yīng)用要求，從而結(jié)合空調(diào)型建筑涂料的使用，使建筑熱環(huán)境的舒適程度得到明顯提高。
研究具有上述功能材料的途徑有以下幾種玻璃本體改性、玻璃表面覆膜及玻璃夾層材料，但鑒于所需材料的性能特點(diǎn)，將玻璃進(jìn)行本體改性困難較大，國內(nèi)外多采用后兩種技術(shù)途徑制取該類材料。張小平等采用在玻璃表面鍍SnO2、SiO、ZnS、Ag、Al，制取了透明熱反射膜，該膜層雖有較好的保溫效果但透過率不能隨溫度產(chǎn)生變化；E.S.Lee等采用在玻璃表面鍍WO3膜層制取了電致變色材料，該材料在施加0-3V電壓前后，其透光率由29％變?yōu)?2％，此類材料雖可在窗玻璃上得到一定應(yīng)用，由于其不具備溫致變化性，故實(shí)際應(yīng)用多有不便；A.Seeboth等采用聚醚/聚羥基凝膠填充在玻璃夾層中制取了溫致透光率可逆變化材料，該材料透光率可由20℃以下的10％左右變化至30℃以上的90％左右，但其溫致變化方向性與建筑方面要求相反。

發(fā)明內(nèi)容
針對已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種可以使建筑物窗戶透光率溫致可逆變化的材料；本發(fā)明的另一目的在于提供這種溫致可逆變化材料的制備方法。
本發(fā)明采用聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素等按適當(dāng)比例與無機(jī)鹽配合，可以制備出具有溫致可逆變化透光性能的材料。該材料組成配比如下(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素等等中的一種或數(shù)種材料0.2-10％Na、K、Ca、Mg等無機(jī)鹽等中的一種或數(shù)種材料0.5-10％水 80-99.3％總量滿足100％其中優(yōu)選的配比如下(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素等等中的一種或數(shù)種材料0.4-5％Na、K、Ca、Mg等無機(jī)鹽等中的一種或數(shù)種材料1.0-10％水 85-98.6％總量滿足100％本發(fā)明提出溫致透光率可逆變化材料的制備方法如下首先將聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素等中的一種或數(shù)種材料按一定質(zhì)量比例溶于水中，然后將Na、K、Ca、Mg等無機(jī)鹽中的一種或數(shù)種按一定質(zhì)量比例溶于水，再將兩種水溶液按1∶1體積比混合攪拌均勻，使其各組分比例符合前述配比要求，即可制備出溫致透光率可逆變化材料。該材料在低溫時(shí)為無色透明液體，在高溫時(shí)可轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨煌该饕后w，且溫度在轉(zhuǎn)變溫度上下變化時(shí)，該液體在無色透明和白色不透明狀態(tài)之間可逆變化。
本發(fā)明溫致透光率可逆變化材料的使用方法和作用效果使用時(shí)，首先采用本發(fā)明所述方法制備出溫致透光率可逆變化材料，以液體形式將其置于透明材料夾層中，厚度約為1-3mm。采用紫外可見分光光度計(jì)測試出的透光率隨溫度變化情況如表1所示。
表1溫致透光率可逆變化材料透光率隨溫度變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果配比透光率/％152025303540℃℃℃℃℃℃0.5％聚苯乙烯+2％NaCl8585858075250.5％聚苯乙烯+0.5％氧化聚丙 909090908530烯+2％MgCl21.0％聚乙烯醇+2％KCl 8383838375251.0％聚乙烯醇+1.0％羥乙基纖 909090827520維素+4％KNO32.0％羥乙基纖維素+5％CaCl29085782015151.5％羥丙基纖維素+1.0％羥乙 702015101010基纖維素+10％NaCl由表1可見，該類材料低溫下的透光率與所采用的材料種類及含量有關(guān)，其變化范圍約在70-90％之間，結(jié)果表明透光性受到的影響很??；高溫下的透光率也與所采用的材料種類及含量有關(guān)，其變化范圍約在10-30％之間，透光性明顯降低；透光率產(chǎn)生轉(zhuǎn)變的溫度與采用材料種類、含量及鹽含量有關(guān)，該轉(zhuǎn)變溫度約在20℃-40℃之間，且可進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。以上結(jié)果表明本發(fā)明的材料具備溫致透光率可逆變化性質(zhì)，基本符合在建筑窗戶上應(yīng)用的要求方向。
采用該類材料可對建筑熱環(huán)境進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。按照圖1的模型建造兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，稱量皿經(jīng)適當(dāng)改造后作為光控制材料容器1，容器蓋子的夾層中可裝入自來水4、或裝入常溫溫致透光率可逆變化調(diào)光材料，容器底部可涂或不涂一層選擇性吸收材料3，容器內(nèi)有50ml水作為熱載體，容器周圍有泡沫塑料保溫層2。采用的選擇性吸收材料的太陽吸收率α＝0.95，熱發(fā)射率ε＝0.4。
通過自然暴曬測試了選擇性吸收材料的性能。實(shí)驗(yàn)時(shí)最高氣溫是35℃，其中1#實(shí)驗(yàn)裝置中容器底部涂有選擇性吸收材料，而2#實(shí)驗(yàn)裝置中沒有涂選擇性吸收材料，兩套實(shí)驗(yàn)裝置蓋子中都裝入自來水。先將兩套裝置于室內(nèi)放置24h后，再一起放到太陽下暴曬，每隔30分鐘測一次水溫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2，結(jié)果顯示1#實(shí)驗(yàn)裝置與2#實(shí)驗(yàn)裝置的溫差最高達(dá)到+10.7℃(13:00)，同時(shí)水溫也達(dá)到了最高值64.2℃，表明選擇性吸收材料的吸熱效果明顯，同時(shí)說明這種材料適用于冬季，但不適用于夏季。
表2選擇性吸收材料性能
10: 10: 11: 11: 12: 12: 13: 13: 14: 14:
Time003000300030003000301# 30.0 38.3 46.1 52.5 57.8 62.1 64.2 59.0 55.8 53.0T/℃2# 30.0 35.1 40.0 45.0 19.5 51.7 53.5 50.5 48.7 47.2當(dāng)采用了本發(fā)明專利材料后，情況則有所不同。實(shí)驗(yàn)時(shí)，1#、2#均涂有選擇性吸收材料，1#蓋子中加入自來水，而2#蓋子中加有溫致透光率可逆變化材料。同樣于室內(nèi)放置24h后再放到太陽下暴曬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。溫致透光率可逆變化材料在水溫為47.0℃時(shí)由透明變?yōu)椴煌该?，由圖2可見在此之前，兩套裝置的升溫速度幾乎相同，表明溫致透光率可逆變化材料在透明時(shí)幾乎不影響光的透過，之后，由于溫致透光率可逆變化材料變?yōu)椴煌该鳡顟B(tài)，2#裝置的升溫速度明顯降低，且兩者最高溫度相差約為4℃，表明溫致透光率可逆變化材料的遮光效果明顯。
由以上兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，若材料的透光率不隨溫度變化而變化，則適用于冬季在建筑上使用的選擇性吸收材料，到夏季則將產(chǎn)生過熱現(xiàn)象；若采用透光率溫致可逆變化材料與選擇性吸收材料組合使用，則可在不影響其冬季制熱的同時(shí)，在夏季可使過熱現(xiàn)象大大緩解，并有可能通過配方優(yōu)化使其基本消失，從而使該組合材料成為寒冷地區(qū)用智能調(diào)溫材料。
本發(fā)明采用聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素等按適當(dāng)比例與無機(jī)鹽配合，可以制備出具有溫致可逆變化透光性能的材料。本發(fā)明材料可用于建筑窗戶、溫室暖棚、車船飛機(jī)等方面。冬季在建筑上與選擇性吸收材料配合使用，可在不影響其冬季制熱的同時(shí)，在夏季可使過熱現(xiàn)象大大緩解，從而使該組合材料成為寒冷地區(qū)用智能調(diào)溫材料，適合創(chuàng)造建筑熱舒適環(huán)境，具有節(jié)約礦物能源、減少環(huán)境污染、較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明溫致透光率可逆變化材料實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；圖2為加有本發(fā)明溫致透光率可逆變化材料和加有自來水的調(diào)光材料暴曬溫度曲線比較圖。
圖中標(biāo)號(hào)說明1-光控制材料容器2-保溫層3-選擇性吸收材料4-水具體實(shí)施方式
下面通過具體的實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明是如何實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例1溫致透光率可逆變化材料配比為聚苯乙烯0.1％氧化聚丙烯 0.1％KCl 0.5％水 99.3％總量滿足100％
按上述配比稱量各組成材料，首先將聚苯乙烯、氧化聚丙烯溶于水中，配制成濃度為0.2％的水溶液，然后將KCl溶于水中，配制成濃度為1.0％的水溶液，再將兩種水溶液按1∶1體積比混合攪拌均勻，即可制備出溫致透光率可逆變化材料。該材料在30℃以下時(shí)為無色透明液體，其透光率約為80％，在30℃以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨煌该饕后w，其透光率約為20％，且溫度在轉(zhuǎn)變溫度上下變化時(shí)，該液體在無色透明和白色不透明狀態(tài)之間可逆變化。
采用本發(fā)明圖1實(shí)驗(yàn)裝置測試其調(diào)溫效果表明，在轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)其可比透光率不變化材料試樣降低最高溫度約3℃。
實(shí)施例2溫致透光率可逆變化材料配比為聚乙烯醇 0.2％羥乙基纖維素 0.2％NaCl 5.0％水 94.6％總量滿足100％按上述配比稱量各組成材料，首先將聚乙烯醇、羥乙基纖維素溶于水中，配制成濃度為0.4％的水溶液，然后將KCl溶于水中，配制成濃度為10％的水溶液，再將兩種水溶液按1∶1體積比混合攪拌均勻，即可制備出溫致透光率可逆變化材料。該材料在27℃以下時(shí)為無色透明液體，其透光率約為85％，在27℃以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨煌该饕后w，其透光率約為15％，且溫度在轉(zhuǎn)變溫度上下變化時(shí)，該液體在無色透明和白色不透明狀態(tài)之間可逆變化。
采用本發(fā)明圖1實(shí)驗(yàn)裝置測試其調(diào)溫效果表明，在轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)其可比透光率不變化材料試樣降低最高溫度約4℃。
實(shí)施例3溫致透光率可逆變化材料配比為羥乙基纖維素 5.0％羥丙基纖維素 5.0％MgSO410％水80.0％按上述配比稱量各組成材料，首先將羥乙基纖維素、羥丙基纖維素溶于水中，配制成濃度為10％的水溶液，然后將MgSO4溶于水中，配制成濃度為20％的水溶液，再將兩種水溶液按1∶1體積比混合攪拌均勻，即可制備出溫致透光率可逆變化材料。該材料在22℃以下時(shí)為無色透明液體，其透光率約為90％，在22℃以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨煌该饕后w，其透光率約為10％，且溫度在轉(zhuǎn)變溫度上下變化時(shí)，該液體在無色透明和白色不透明狀態(tài)之間可逆變化。
采用本發(fā)明圖1實(shí)驗(yàn)裝置測試其調(diào)溫效果表明，在轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)其可比透光率不變化材料試樣降低最高溫度約5℃。
權(quán)利要求
1.一種溫致透光率可逆變化材料，其特征在于該材料組成及配比如下聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素中的一種或一種以上的混合物 0.2-10％Na、K、Ca、Mg無機(jī)鹽中的一種或一種以上的混合物0.5-10％水 80-99.3％以上百分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫致透光率可逆變化材料，其特征在于該材料組成及配比如下聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素中的一種或一種以上的混合物 0.4-5％Na、K、Ca、Mg無機(jī)鹽中的一種或一種以上的混合物 1.0-10％水85-98.6％以上百分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種溫致透光率可逆變化材料，其特征在于所述溫致透光率可逆變化材料在低溫時(shí)為無色透明液體，在高溫時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨煌该饕后w，且溫度在轉(zhuǎn)變溫度上下變化時(shí)，該液體在無色透明和白色不透明狀態(tài)之間可逆變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的溫致透光率可逆變化材料，其制備方法如下首先將聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素中的一種或一種以上的混合物按一定質(zhì)量比例溶于水中，然后將Na、K、Ca、Mg等無機(jī)鹽中的一種或一種以上的混合物按一定質(zhì)量比例溶于水，再將兩種水溶液按1∶1體積比混合攪拌均勻，使其各組分比例符合前述配比要求，即可制備出溫致透光率可逆變化材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種溫致透光率可逆變化材料及其這種材料的制備方法。該材料組成及配比(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))如下聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素中的一種或一種以上的混合物0.2－10％，Na、K、Ca、Mg無機(jī)鹽中的一種或一種以上的混合物0.5－10％，水80－99.3％。本發(fā)明材料可用于建筑窗戶、溫室暖棚、車船飛機(jī)等方面。冬季在建筑上與選擇性吸收材料配合使用，可在不影響其冬季制熱的同時(shí)，在夏季可使過熱現(xiàn)象大大緩解，從而使該組合材料成為寒冷地區(qū)用智能調(diào)溫材料，適合創(chuàng)造建筑熱舒適環(huán)境，具有節(jié)約礦物能源、減少環(huán)境污染、較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C09D129/00GK1621458SQ20041006705
公開日2005年6月1日 申請日期2004年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月11日
發(fā)明者馬一平 申請人:同濟(jì)大學(xué)