专利名称：一种温致透光率可逆变化材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种调节光透过性能的材料及这种材料的制备方法，具体涉及一种用于调节光透过性能的温致透光率可逆变化材料及其制备方法。
背景技术：
房屋的冬暖夏凉是人类自古以来追求的梦想，遗憾的是现实世界往往出现冬冷夏热，原因在于太阳对一定纬度地面入射角在冬夏发生较大变化及建筑材料的太阳能吸收率和热发射率不能随季节变化而产生变化，只能以采暖制冷来营造建筑热舒适环境，大量消耗地球矿物能源、污染环境、加剧全球温室效应。据统计，美国建筑能耗已占全美总能耗的38％，在我国仅采暖能耗也已超过10％，且随着空调的普遍使用建筑能耗增势迅猛，2003年盛夏全国出现的“电荒”是一明证。为节约能源，人们采用轻质多孔材料、绝热涂料等，在房屋顶部开设通风窗、采用太阳能反射涂料和浅色降温涂料、太阳光谱选择性吸收涂料等多种方式对建筑物进行保温绝热处理，上述各种方法未能在冬夏两季都充分处置利用太阳能，故对要求冬暖夏凉的建筑物来说均存在很大局限性。
鉴于每秒到达地面的太阳总辐射能高达60万亿千瓦，为全球总发电量的5万倍以上，且为一种永久性、洁净无害能源，充分利用太阳能无疑是一种解决建筑耗能的有效途径。在此方面，人们已采用了特朗伯(Trombe)墙、太阳能电池、TIM(TransparentInsulation Materials)材料、集热屋顶、可调太阳墙等材料和装置来充分处置利用太阳能。其中TIM材料为在外墙面上涂覆太阳能吸收涂料，然后外加铝箔帘幕组合而成，研究结果表明该材料可使人们几乎完全摆脱对地球矿物能源的依赖而舒适地生活。这些结果说明通过对太阳能的合理处置利用可以营造出建筑热舒适环境，从而彻底解决建筑耗能和环境保护问题。本发明专利申请者已研制出一种在夏季能大量反射太阳辐射且能大量发射自身热量(即低吸收率、高发射率的低吸收发射比状态)，而到冬季可转换成能大量吸收太阳辐射且很少发射自身热量(即高吸收率、低发射率的高吸收发射比状态)的建筑涂料，即空调型建筑涂料，发现其吸收发射比可在18℃上下，于0.39-0.55之间呈可逆变化，符合建筑物冬暖夏凉的要求方向。
在继续研究改善空调型建筑涂料性能的同时，发明人认为还需解决窗户对建筑热舒适环境的影响问题。由于窗户应具有建筑采光的功能，故应在满足采光的前提下考虑其对建筑热环境的作用和影响。众所周知，一般窗玻璃具有透过可见光、反射红外光的特性，此特性在冬季可被用来制造主动式太阳热房，从而使建筑取暖能耗降低，但到夏季，此特性则使建筑物室内过热，从而使建筑制冷空调能耗大大增加。由此可知，需要研究出一种在冬季具有高透光率、夏季具有低透光率、且透光率变化的温度接近建筑热舒适温度的常温温致透光率可逆变化的材料才能同时满足冬、夏两季的应用要求，从而结合空调型建筑涂料的使用，使建筑热环境的舒适程度得到明显提高。
研究具有上述功能材料的途径有以下几种玻璃本体改性、玻璃表面覆膜及玻璃夹层材料，但鉴于所需材料的性能特点，将玻璃进行本体改性困难较大，国内外多采用后两种技术途径制取该类材料。张小平等采用在玻璃表面镀SnO2、SiO、ZnS、Ag、Al，制取了透明热反射膜，该膜层虽有较好的保温效果但透过率不能随温度产生变化；E.S.Lee等采用在玻璃表面镀WO3膜层制取了电致变色材料，该材料在施加0-3V电压前后，其透光率由29％变为72％，此类材料虽可在窗玻璃上得到一定应用，由于其不具备温致变化性，故实际应用多有不便；A.Seeboth等采用聚醚/聚羟基凝胶填充在玻璃夹层中制取了温致透光率可逆变化材料，该材料透光率可由20℃以下的10％左右变化至30℃以上的90％左右，但其温致变化方向性与建筑方面要求相反。
发明内容
针对已有技术存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种可以使建筑物窗户透光率温致可逆变化的材料；本发明的另一目的在于提供这种温致可逆变化材料的制备方法。
本发明采用聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素等按适当比例与无机盐配合，可以制备出具有温致可逆变化透光性能的材料。该材料组成配比如下(质量百分数)聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素等等中的一种或数种材料0.2-10％Na、K、Ca、Mg等无机盐等中的一种或数种材料0.5-10％水 80-99.3％总量满足100％其中优选的配比如下(质量百分数)聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素等等中的一种或数种材料0.4-5％Na、K、Ca、Mg等无机盐等中的一种或数种材料1.0-10％水 85-98.6％总量满足100％本发明提出温致透光率可逆变化材料的制备方法如下首先将聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素等中的一种或数种材料按一定质量比例溶于水中，然后将Na、K、Ca、Mg等无机盐中的一种或数种按一定质量比例溶于水，再将两种水溶液按1∶1体积比混合搅拌均匀，使其各组分比例符合前述配比要求，即可制备出温致透光率可逆变化材料。该材料在低温时为无色透明液体，在高温时可转变为白色不透明液体，且温度在转变温度上下变化时，该液体在无色透明和白色不透明状态之间可逆变化。
本发明温致透光率可逆变化材料的使用方法和作用效果使用时，首先采用本发明所述方法制备出温致透光率可逆变化材料，以液体形式将其置于透明材料夹层中，厚度约为1-3mm。采用紫外可见分光光度计测试出的透光率随温度变化情况如表1所示。
表1温致透光率可逆变化材料透光率随温度变化实验结果配比透光率/％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％羟乙基纤 909090827520维素+4％KNO32.0％羟乙基纤维素+5％CaCl29085782015151.5％羟丙基纤维素+1.0％羟乙 702015101010基纤维素+10％NaCl由表1可见，该类材料低温下的透光率与所采用的材料种类及含量有关，其变化范围约在70-90％之间，结果表明透光性受到的影响很小；高温下的透光率也与所采用的材料种类及含量有关，其变化范围约在10-30％之间，透光性明显降低；透光率产生转变的温度与采用材料种类、含量及盐含量有关，该转变温度约在20℃-40℃之间，且可进行调节控制。以上结果表明本发明的材料具备温致透光率可逆变化性质，基本符合在建筑窗户上应用的要求方向。
采用该类材料可对建筑热环境进行智能调节。按照图1的模型建造两个实验装置，称量皿经适当改造后作为光控制材料容器1，容器盖子的夹层中可装入自来水4、或装入常温温致透光率可逆变化调光材料，容器底部可涂或不涂一层选择性吸收材料3，容器内有50ml水作为热载体，容器周围有泡沫塑料保温层2。采用的选择性吸收材料的太阳吸收率α＝0.95，热发射率ε＝0.4。
通过自然暴晒测试了选择性吸收材料的性能。实验时最高气温是35℃，其中1#实验装置中容器底部涂有选择性吸收材料，而2#实验装置中没有涂选择性吸收材料，两套实验装置盖子中都装入自来水。先将两套装置于室内放置24h后，再一起放到太阳下暴晒，每隔30分钟测一次水温，实验结果列于表2，结果显示1#实验装置与2#实验装置的温差最高达到+10.7℃(13:00)，同时水温也达到了最高值64.2℃，表明选择性吸收材料的吸热效果明显，同时说明这种材料适用于冬季，但不适用于夏季。
表2选择性吸收材料性能
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当采用了本发明专利材料后，情况则有所不同。实验时，1#、2#均涂有选择性吸收材料，1#盖子中加入自来水，而2#盖子中加有温致透光率可逆变化材料。同样于室内放置24h后再放到太阳下暴晒，实验结果如图2所示。温致透光率可逆变化材料在水温为47.0℃时由透明变为不透明，由图2可见在此之前，两套装置的升温速度几乎相同，表明温致透光率可逆变化材料在透明时几乎不影响光的透过，之后，由于温致透光率可逆变化材料变为不透明状态，2#装置的升温速度明显降低，且两者最高温度相差约为4℃，表明温致透光率可逆变化材料的遮光效果明显。
由以上两组实验结果可见，若材料的透光率不随温度变化而变化，则适用于冬季在建筑上使用的选择性吸收材料，到夏季则将产生过热现象；若采用透光率温致可逆变化材料与选择性吸收材料组合使用，则可在不影响其冬季制热的同时，在夏季可使过热现象大大缓解，并有可能通过配方优化使其基本消失，从而使该组合材料成为寒冷地区用智能调温材料。
本发明采用聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素等按适当比例与无机盐配合，可以制备出具有温致可逆变化透光性能的材料。本发明材料可用于建筑窗户、温室暖棚、车船飞机等方面。冬季在建筑上与选择性吸收材料配合使用，可在不影响其冬季制热的同时，在夏季可使过热现象大大缓解，从而使该组合材料成为寒冷地区用智能调温材料，适合创造建筑热舒适环境，具有节约矿物能源、减少环境污染、较高的经济和社会效益等优点。
图1为本发明温致透光率可逆变化材料实验装置示意图；图2为加有本发明温致透光率可逆变化材料和加有自来水的调光材料暴晒温度曲线比较图。
图中标号说明1-光控制材料容器2-保温层3-选择性吸收材料4-水具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步描述本发明是如何实现的实施例1温致透光率可逆变化材料配比为聚苯乙烯0.1％氧化聚丙烯 0.1％KCl 0.5％水 99.3％总量满足100％
按上述配比称量各组成材料，首先将聚苯乙烯、氧化聚丙烯溶于水中，配制成浓度为0.2％的水溶液，然后将KCl溶于水中，配制成浓度为1.0％的水溶液，再将两种水溶液按1∶1体积比混合搅拌均匀，即可制备出温致透光率可逆变化材料。该材料在30℃以下时为无色透明液体，其透光率约为80％，在30℃以上时转变为白色不透明液体，其透光率约为20％，且温度在转变温度上下变化时，该液体在无色透明和白色不透明状态之间可逆变化。
采用本发明图1实验装置测试其调温效果表明，在转变温度以上时其可比透光率不变化材料试样降低最高温度约3℃。
实施例2温致透光率可逆变化材料配比为聚乙烯醇 0.2％羟乙基纤维素 0.2％NaCl 5.0％水 94.6％总量满足100％按上述配比称量各组成材料，首先将聚乙烯醇、羟乙基纤维素溶于水中，配制成浓度为0.4％的水溶液，然后将KCl溶于水中，配制成浓度为10％的水溶液，再将两种水溶液按1∶1体积比混合搅拌均匀，即可制备出温致透光率可逆变化材料。该材料在27℃以下时为无色透明液体，其透光率约为85％，在27℃以上时转变为白色不透明液体，其透光率约为15％，且温度在转变温度上下变化时，该液体在无色透明和白色不透明状态之间可逆变化。
采用本发明图1实验装置测试其调温效果表明，在转变温度以上时其可比透光率不变化材料试样降低最高温度约4℃。
实施例3温致透光率可逆变化材料配比为羟乙基纤维素 5.0％羟丙基纤维素 5.0％MgSO410％水80.0％按上述配比称量各组成材料，首先将羟乙基纤维素、羟丙基纤维素溶于水中，配制成浓度为10％的水溶液，然后将MgSO4溶于水中，配制成浓度为20％的水溶液，再将两种水溶液按1∶1体积比混合搅拌均匀，即可制备出温致透光率可逆变化材料。该材料在22℃以下时为无色透明液体，其透光率约为90％，在22℃以上时转变为白色不透明液体，其透光率约为10％，且温度在转变温度上下变化时，该液体在无色透明和白色不透明状态之间可逆变化。
采用本发明图1实验装置测试其调温效果表明，在转变温度以上时其可比透光率不变化材料试样降低最高温度约5℃。
权利要求
1.一种温致透光率可逆变化材料，其特征在于该材料组成及配比如下聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素中的一种或一种以上的混合物 0.2-10％Na、K、Ca、Mg无机盐中的一种或一种以上的混合物0.5-10％水 80-99.3％以上百分数均为质量百分数。
2.根据权利要求1所述的一种温致透光率可逆变化材料，其特征在于该材料组成及配比如下聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素中的一种或一种以上的混合物 0.4-5％Na、K、Ca、Mg无机盐中的一种或一种以上的混合物 1.0-10％水85-98.6％以上百分数均为质量百分数。
3.根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种温致透光率可逆变化材料，其特征在于所述温致透光率可逆变化材料在低温时为无色透明液体，在高温时转变为白色不透明液体，且温度在转变温度上下变化时，该液体在无色透明和白色不透明状态之间可逆变化。
4.根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的温致透光率可逆变化材料，其制备方法如下首先将聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素中的一种或一种以上的混合物按一定质量比例溶于水中，然后将Na、K、Ca、Mg等无机盐中的一种或一种以上的混合物按一定质量比例溶于水，再将两种水溶液按1∶1体积比混合搅拌均匀，使其各组分比例符合前述配比要求，即可制备出温致透光率可逆变化材料。
全文摘要
本发明公开了一种温致透光率可逆变化材料及其这种材料的制备方法。该材料组成及配比(质量百分数)如下聚苯乙烯、氧化聚丙烯、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素中的一种或一种以上的混合物0.2－10％，Na、K、Ca、Mg无机盐中的一种或一种以上的混合物0.5－10％，水80－99.3％。本发明材料可用于建筑窗户、温室暖棚、车船飞机等方面。冬季在建筑上与选择性吸收材料配合使用，可在不影响其冬季制热的同时，在夏季可使过热现象大大缓解，从而使该组合材料成为寒冷地区用智能调温材料，适合创造建筑热舒适环境，具有节约矿物能源、减少环境污染、较高的经济和社会效益等优点。
文档编号C09D129/00GK1621458SQ20041006705
公开日2005年6月1日 申请日期2004年10月11日 优先权日2004年10月11日
发明者马一平 申请人:同济大学