一种水性透明隔热涂料及其制备方法和使用方法与流程

本发明涉及隔热涂料，尤其是种水性透明隔热涂料及其制备方法和使用方法。

背景技术：

门窗具有采光、通风和围护的作用，还在建筑艺术处理上起着很重要的作用，因此，现代的建筑在设计时越来越多地使用玻璃窗户和幕墙。然而，众所周知，太阳光谱按波长可分为三部分：紫外光、可见光、近红外光。其中，300-400nm的紫外光占据太阳光能量的3%；400-760nm的可见光占据太阳光能量的45%；760-2500nm的红外光占据太阳光能量的49%。因此，照射到地球表面上98%的太阳光能量在300-2500nm波长范围内，这也正是普通玻璃透过率最高的区域。显然，普通玻璃对于人们需要的可见光波段具有高透过率，但同时对紫外和红外波段也同样具有高透过率。因此，大面积使用普通玻璃在夏天室内降温和冬天取暖会造成巨大的能源浪费。据研究统计，在建筑能耗方面，我国建筑门窗散热量占建筑外围总散热量的50％以上，为发达国家的3-5倍。因此提高门窗的保温隔热性能是降低建筑能耗的有效途径。

目前，国内外针对玻璃的热工性能改造的方法主要有low-e镀膜技术、贴膜技术以及涂料涂膜技术。其中，以low-e镀膜技术和贴膜技术在市场上最为成熟，但这两中方法技术难度大，对设备和操作人员素质要求高，主要被国外大公司垄断并且其成膜还具有对电视信号、手机信号屏蔽的缺点。相对而言，涂料涂膜技术是将具有太阳光选择透过性能的纳米材料加入到涂料中直接在玻璃表面涂覆涂层从而赋予玻璃光选择屏蔽能力，具有明显的操作方便，设备简单，不存在电磁屏蔽，能对现有玻璃改造的优势。目前，透明隔热涂料的研究主要集中在纳米功能材料的制备和纳米材料在涂料中的分散，一方面，纳米功能材料的选择以氧化物半导体材料为主，如氧化铟掺锡（ito）、氧化锡掺锑（ato）等；另一方面，对其表面接枝、包覆或直接加入分散助剂提高其在涂料中的分散稳定性。虽然取得了较好的可见光透过和红外光屏蔽性能，但由于氧化物半导体材料的一般化学制备方法中都要经过高温焙烧过程，由此造成的纳米团聚对纳米材料的分散和改性造成了很大的困难，由此导致涂料中纳米材料含量低，对红外光屏蔽能力有限。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种水性透明隔热涂料及其制备方法和使用方法，涂料涂覆在玻璃表面上具有很好的可见光透过和红外屏蔽隔热效果。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种水性透明隔热涂料，按重量百分数包括以下原料：

醇酸树脂10-23%

水溶性丙烯酸树脂20-40%

氨基树脂5-9%

水性纳米硫化铜浆液14-33%

二丙二醇丁醚dpnb2-7%

去离子水13-20%

防白水2-7%

消泡剂0.1-0.3%

流平剂0.3-0.5%

基材润湿剂0.2-0.5%

ph调节剂0.1-0.3%；

所述水性纳米硫化铜浆液按重量百分数包括以下原料：

pvp改性硫化铜纳米片0.5-0.8%

乙醇20-25%

防白水18-32%

去离子水45-60%；

所述水性纳米硫化铜浆液的制备方法，包括以下步骤：

a)将通过水热法制备得到的pvp改性硫化铜纳米片悬浮液超声分散5-15min后，向其中注入过量的丙酮，用保鲜膜密封静置4-8h；

b)静置过程中pvp改性硫化铜纳米片发生明显地沉降，将上清液倒入废液桶中，并加入适量去离子水超声分散完全，再注入过量的丙酮，以此洗涤两次后在室温下干燥3-5h，得到pvp改性硫化铜纳米片；

c)向pvp改性硫化铜纳米片中加入乙醇和去离子水，超声分散至底部无明显固体，加入防白水，超声5-15min，得到分散良好的水性纳米硫化铜浆液。

本发明硫化铜是一种在光催化剂、太阳能光热转换、建筑物玻璃窗的辐射选择过滤层等领域具有广泛应用的ｐ型多功能半导体光电材料。由于纳米硫化铜能带跃迁能产生对近红外光的特殊波段的吸收，使用特定方法制备的纳米硫化铜已经被证明具有显著的近红外吸收能力，且其禁带宽度为2.2ev左右，在可见光范围内具有弱的吸收，因此可以作为一种光选择吸收材料，并且其制备过程相对简单，成本低，稳定性好，以此纳米材料为基础研制成高红外吸收隔热涂料。而且，不同于氧化物半导体纳米材料，硫化铜可以通过共沉淀法、水热法低温（<200℃）直接合成，能够实现对纳米硫化铜在制备过程中的表面接枝改性，从而大大降低了纳米材料的团聚特性，使得材料在涂料中更易分散稳定。利用本发明的涂料涂覆在玻璃表面上具有很好的可见光透过和红外屏蔽隔热效果。

作为改进，步骤a）中，将通过水热法制备得到的pvp改性硫化铜纳米片悬浮液的制备方法为：将0.2000g的cucl2·2h2o和2.5000g的pvp溶解在30ml的去离子水中，在室温磁力搅拌下形成透明的蓝色溶液，然后将1.4ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明蓝色溶液中，磁力搅拌30min后，转移至45ml水热高压釜中密封，并在180℃下水热处理12h，最后将体系自然冷却至室温。

作为改进，醇酸树脂固体含量为45±1%。

作为改进，所述水溶性丙烯酸树脂固体含量为50±1%，ph值为7.0-9.0。

作为改进，所述氨基树脂固体含量为98±1%。

本发明水性透明隔热涂料的制备方法，包括以下步骤：

a)将消泡剂、流平剂和底材润湿剂加入到防白水中，搅拌均匀待用；

b)依次将去离子水、二丙二醇丁醚dpnb、氨基树脂、水溶性丙烯酸树脂和醇酸树脂加入到水性纳米硫化铜浆液中，在900r/min-1500r/min转速条件下搅拌10-20min；

c)在机械搅拌下将溶解在防白水中的助剂和ph调节剂滴加到树脂中，滴加完成后继续搅拌20-30min，得到水性透明隔热涂料。

利用该方法制备得到的涂料，当涂覆到玻璃表面后，会形成可见光的透过率高于65%，对红外辐射吸收率大于80%，对紫外线屏蔽率大于70%的完整涂膜。另外，本发明的制备方法使纳米能以纳米特性稳定均匀的分散在水中，在比一般透明隔热涂料中添加量较少的情况下也能起到良好的隔热效果。

本发明隔热涂料的使用方法：将涂料通过喷涂的方式喷涂在干洁的普通玻璃表面，随后在烘箱中以90-110℃预烘8-12min后，升温至140-160℃烘烤12-17min，取出后自然冷却至室温，得到纳米硫化铜透明隔热涂层。

附图说明

图1为硫化铜纳米片及其标准卡片的xrd图片。

图2为硫化铜纳米片的低倍率(a)和高倍率(b)扫描电镜照片。

图3为硫化铜纳米片的表面尺寸(a)和纳米片厚度(b)直方图。

图4为硫化铜纳米片的eds能谱分析。

图5为不同实例中涂膜在250-1600nm的光透过率谱图。

图6为隔热测试装置结构示意图。

图7为不同实例中涂膜的在红外灯照射下箱内温度随照射时间的变化图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

1、制备水性纳米硫化铜浆液，制备过程包括如下步骤：

a)将0.300g的cucl2·2h2o和1.500g的pvp溶解在去离子水（60ml）中，在室温磁力搅拌下形成透明的蓝色溶液，然后将2.1ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明蓝色溶液中，磁力搅拌30min后，转移至两个45ml水热高压釜中，密封，并在180℃下水热处理12h；然后将体系自然冷却至室温，

b)将通过水热法制备得到的pvp改性硫化铜纳米片悬浮液超声分散10min后，向其中注入过量的丙酮，用保鲜膜密封静置6h；

c)静置过程中pvp改性硫化铜纳米片发生明显地沉降，将上清液倒入废液桶中，并加入适量去离子水超声分散完全，再注入过量的丙酮，以此洗涤两次后在室温下干燥4h，得到pvp改性的硫化铜纳米片；

d)向上述材料中加入9.430g乙醇和25.930g去离子水，超声分散至烧杯底部无明显固体，加入9.430g防白水，超声10min，得到分散良好的水性纳米硫化铜浆液。

2、制备纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆，制备过程包括如下步骤：

a)将0.470g消泡剂、0.710g流平剂和0.710g底材润湿剂加入到4.710g防白水中，用一次性吸管搅拌均匀待用；

b)依次将23.100g去离子水、9.430gdpnb、8.000g氨基树脂、36.000g水性丙烯酸树脂和18.000g醇酸树脂加入到上述制备的水性纳米硫化铜浆液，在900r/min-1500r/min转速条件下搅拌10-20min；

c)在机械搅拌下将溶解在防白水中的助剂和0.240gph调节剂滴加到树脂中，滴加完成后继续搅拌20-30min，得到纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆。

d)将上述制备的纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆通过喷涂的方式喷涂在干洁的普通玻璃（200mm×250mm）表面，湿膜厚度为150μm，随后在烘箱中以100℃预烘10min后，升温至150℃烘烤15min，取出后自然冷却至室温，得到纳米硫化铜透明隔热涂层。

实施例2：

1、制备水性纳米硫化铜浆液，制备过程包括如下步骤：

a)将0.600g的cucl2·2h2o和3.000g的pvp溶解在去离子水（60ml）中，在室温磁力搅拌下形成透明的蓝色溶液，然后将4.2ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明蓝色溶液中，磁力搅拌30min后，转移至两个45ml水热高压釜中，密封，并在180℃下水热处理12h；然后将体系自然冷却至室温；

b)将通过水热法制备得到的pvp改性硫化铜纳米片悬浮液超声分散10min后，向其中注入过量的丙酮，用保鲜膜密封静置6h；

c)静置过程中pvp改性硫化铜纳米片发生明显地沉降，将上清液倒入废液桶中，并加入适量去离子水超声分散完全，再注入过量的丙酮，以此洗涤两次后在室温下干燥4h，得到pvp改性的硫化铜纳米片；

d)向其中加入9.430g乙醇和25.930g去离子水，超声分散至烧杯底部无明显固体，加入9.430g防白水，超声10min，得到分散良好的水性纳米硫化铜浆液。

2、制备纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆，制备过程包括如下步骤：

a)将0.470g消泡剂、0.710g流平剂和0.710g底材润湿剂加入到4.710g防白水中，用一次性吸管搅拌均匀待用；

b)依次将23.100g去离子水、9.430gdpnb、8.000g氨基树脂、36.000g水性丙烯酸树脂和18.000g醇酸树脂加入到上述制备的水性纳米硫化铜浆液，在900r/min-1500r/min转速条件下搅拌10-20min；

c)在机械搅拌下将溶解在防白水中的助剂和0.240gph调节剂滴加到树脂中，滴加完成后继续搅拌20-30min，得到纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆。

d)将上述制备的纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆通过喷涂的方式喷涂在干洁的普通玻璃（200mm×250mm）表面，湿膜厚度为100μm，随后在烘箱中以100℃预烘10min后，升温至150℃烘烤15min，取出后自然冷却至室温，得到纳米硫化铜透明隔热涂层。

实施例3：

1、制备水性纳米硫化铜浆液，制备过程包括如下步骤：

a)将0.600g的cucl2·2h2o和3.000g的pvp溶解在去离子水（60ml）中，在室温磁力搅拌下形成透明的蓝色溶液，然后将4.2ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明蓝色溶液中，磁力搅拌30min后，转移至两个45ml水热高压釜中，密封，并在180℃下水热处理12h；然后将体系自然冷却至室温，

b)将通过水热法制备得到的pvp改性硫化铜纳米片悬浮液超声分散10min后，向其中注入过量的丙酮，用保鲜膜密封静置6h；

c)静置过程中pvp改性硫化铜纳米片发生明显地沉降，将上清液倒入废液桶中，并加入适量去离子水超声分散完全，再注入过量的丙酮，以此洗涤两次后在室温下干燥4h，得到pvp改性的硫化铜纳米片；

d)向其中加入9.430g乙醇和25.930g去离子水，超声分散至烧杯底部无明显固体，加入9.430g防白水，超声10min，得到分散良好的水性纳米硫化铜浆液。

2、制备纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆，制备过程包括如下步骤：

a)将0.470g消泡剂、0.710g流平剂和0.710g底材润湿剂加入到4.710g防白水中，用一次性吸管搅拌均匀待用；

b)依次将23.100g去离子水、9.430gdpnb、8.000g氨基树脂、36.000g水性丙烯酸树脂和18.000g醇酸树脂加入到上述制备的水性纳米硫化铜浆液，在900r/min-1500r/min转速条件下搅拌10-20min；

c)在机械搅拌下将溶解在防白水中的助剂和0.240gph调节剂滴加到树脂中，滴加完成后继续搅拌20-30min，得到纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆。

d)将上述制备的纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆通过喷涂的方式喷涂在干洁的普通玻璃（200mm×250mm）表面，湿膜厚度为150μm，随后在烘箱中以100℃预烘10min后，升温至150℃烘烤15min，取出后自然冷却至室温，得到纳米硫化铜透明隔热涂层。

实施例4：

1、制备水性纳米硫化铜浆液，制备过程包括如下步骤：

a)将0.600g的cucl2·2h2o和3.000g的pvp溶解在去离子水（60ml）中，在室温磁力搅拌下形成透明的蓝色溶液，然后将4.2ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明蓝色溶液中，磁力搅拌30min后，转移至两个45ml水热高压釜中，密封，并在180℃下水热处理12h；然后将体系自然冷却至室温，

b)将通过水热法制备得到的pvp改性硫化铜纳米片悬浮液超声分散10min后，向其中注入过量的丙酮，用保鲜膜密封静置6h；

c)静置过程中pvp改性硫化铜纳米片发生明显地沉降，将上清液倒入废液桶中，并加入适量去离子水超声分散完全，再注入过量的丙酮，以此洗涤两次后在室温干燥4h，得到pvp改性的硫化铜纳米片；

d)向其中加入9.430g乙醇和25.930g去离子水，超声分散至烧杯底部无明显固体，加入9.430g防白水，超声10min，得到分散良好的水性纳米硫化铜浆液。

2、制备纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆，制备过程包括如下步骤：

a)将0.470g消泡剂、0.710g流平剂和0.710g底材润湿剂加入到4.710g防白水中，用一次性吸管搅拌均匀待用；

b)依次将23.100g去离子水、9.430gdpnb、8.000g氨基树脂、36.000g水性丙烯酸树脂和18.000g醇酸树脂加入到上述制备的水性纳米硫化铜浆液，在900r/min-1500r/min转速条件下搅拌10-20min；

c)在机械搅拌下将溶解在防白水中的助剂和0.2400gph调节剂滴加到树脂中，滴加完成后继续搅拌20-30min，得到纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆。

d)将上述制备的纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆通过喷涂的方式喷涂在干洁的普通玻璃（200mm×250mm）表面，湿膜厚度为200μm，随后在烘箱中以100℃预烘10min后，升温至150℃烘烤15min，取出后自然冷却至室温，得到纳米硫化铜透明隔热涂层。

实施例5：

1、制备水性纳米硫化铜浆液，制备过程包括如下步骤：

a)将0.900g的cucl2·2h2o和4.500g的pvp溶解在去离子水（60ml）中，在室温磁力搅拌下形成透明的蓝色溶液，然后将6.3ml的(nh4)2s溶液迅速注入到上述的透明蓝色溶液中，磁力搅拌30min后，转移至两个45ml水热高压釜中，密封，并在180℃下水热处理12h；然后将体系自然冷却至室温；

b)将通过水热法制备得到的pvp改性硫化铜纳米片悬浮液超声分散10min后，向其中注入过量的丙酮，用保鲜膜密封静置6h；

c)静置过程中pvp改性硫化铜纳米片发生明显地沉降，将上清液倒入废液桶中，并加入适量去离子水超声分散完全，再注入过量的丙酮，以此洗涤两次后在室温下干燥4h，得到pvp改性的硫化铜纳米片；

d)向其中加入9.430g乙醇和25.930g去离子水，超声分散至烧杯底部无明显固体，加入9.430g防白水，超声10min，得到分散良好的水性纳米硫化铜浆液。

2、制备纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆，制备过程包括如下步骤：

a)将0.470g消泡剂、0.710g流平剂和0.710g底材润湿剂加入到4.710g防白水中，用一次性吸管搅拌均匀待用；

b)依次将23.100g去离子水、9.430gdpnb、8.000g氨基树脂、36.000g水性丙烯酸树脂和18.000g醇酸树脂加入到上述制备的水性纳米硫化铜浆液，在900r/min-1500r/min转速条件下搅拌10-20min；

c)在机械搅拌下将溶解在防白水中的助剂和0.240gph调节剂滴加到树脂中，滴加完成后继续搅拌20-30min，得到纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆。

d)将上述制备的纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆通过喷涂的方式喷涂在干洁的普通玻璃（200mm×250mm）表面，湿膜厚度为150μm，随后在烘箱中以100℃预烘10min后，升温至150℃烘烤15min，取出后自然冷却至室温，得到纳米硫化铜透明隔热涂层。

对照实施例6：

此例子中不加入纳米硫化铜，只制备丙烯酸氨基醇酸烤漆。

1、制备丙烯酸氨基醇酸烤漆，制备过程包括如下步骤：

a)将0.470g消泡剂、0.710g流平剂和0.710g底材润湿剂加入到4.710g防白水中，用一次性吸管搅拌均匀待用；

b)依次将9.430g乙醇、49.030g去离子水、9.430gdpnb、8.000g氨基树脂、36.000g水性丙烯酸树脂和18.000g醇酸树脂混合，在900r/min-1500r/min转速条件下搅拌10-20min；

c)在机械搅拌下将溶解在防白水中的助剂和0.2400gph调节剂滴加到树脂中，滴加完成后继续搅拌20-30min，得到不含纳米硫化铜丙烯酸氨基醇酸烤漆。

2、制备透明隔热涂层，制备过程包括如下步骤：

将上述制备的丙烯酸氨基醇酸烤漆通过喷涂的方式喷涂在干洁的普通玻璃（200mm×250mm）表面，湿膜厚度为150μm，随后在烘箱中以100℃预烘10min后，升温至150℃烘烤15min，取出后自然冷却至室温，得到丙烯酸氨基醇酸烤漆透明隔热涂层。

测试数据对比

如图1所示，谱图中纳米cus样品的明显衍射峰与cus的pdf#06-0464标准卡片相符，证明得到六方相的cus晶体，并未出现其它杂峰；

如图2所示，制备的样品为六角形片状结构且cus纳米片的单分散性能好，无团聚现象。

如图3所示，在95%的置信区间内，cus纳米片表面尺寸和厚度分布分别为233.78±36.80nm和39.46±7.40nm。为二维纳米材料。

如图4所示，表明制备的样品由cu和s两种元素组成，c、n和o元素来源于cus表面接枝的聚乙烯吡咯烷酮，au元素来源于扫描电镜测试的镀金，不含有其它的杂质元素。

如图5所示，不同实例中涂覆在玻璃板上的涂膜在250-1600nm的透过率谱图，从图中可以看出，制备的涂膜就有明显的可见光透过和近红外光屏蔽作用；且以实例3为例，实现了在涂膜固含中cus纳米片相对很少的情况下光的透过率高于65%，对红外辐射吸收率大于80%，对紫外线屏蔽率大于70%的可观性能。

如图6所示，光源为两个250w红外灯，其中心至样板表面的垂直距离是25cm，测试用的木盒壁厚为5mm，尺寸为230×310×210mm³，木盒四周（除顶部）均被泡沫塑料保温层包裹，内部尺寸为150×250×170mm³。将实例中涂有涂膜的玻璃板覆盖于右侧的木盒顶部（涂层面朝上），未涂覆任何涂料的空白玻璃作为参照覆盖于左侧的木盒顶部，每隔1min记录两个热电偶温度显示器的温度数据，测试时间定为60min。

如图7所示，不同实例中涂覆在玻璃板上的涂膜通过自制的隔热测试装置在红外灯照射下箱内温度随照射时间的变化图，可以看出涂覆含纳米硫化铜的涂膜表现出了显著的隔热效应。其中，实例1、2、3、4、5、6最终的温度分别为74.65℃、73.85℃、70.80℃、68.10℃、67.20℃、82.85℃。