网站地图 加入收藏 设为首页 原创论文网,覆盖经济,法律,医学,建筑,艺术等800余专业,提供60万篇论文资料免费参考

国内外建筑节能膜制备研究成果综述

作者:原创论文网 时间:2018-07-30 10:25 加入收藏

摘要

  Abstract:With the economic development and urbanization process speeding up, building energy consumption is growing rapidly in our country, energy loss caused by heat exchanging through doors and windows is about 50 percent of building energy consumption, so that it is imperative to paste the building energy-saving membrane and implement energy-saving window technology, the application and species of building energy-saving membrane, and the latest preparation technology in detail are introduced: the high transparent nano-resin composite technology, the VO2 energy-saving window technology and the micronano multilayer film composite technology. Meanwhile, a new kind of micronano laminated technology is focused on the micronano laminated technology can achieve multiplayer uniform composition of different refractive index films in gradient.Compared with the current technologies, during the preparation process, it has better flow path, lower flow resistance, meanwhile, the production cost is low, the accuracy is easy to guarantee, and the adaptability and the manufacturing efficiency of the materials are greatly improved, so that the technology has better application prospect.

  Keyword:the species of building membrane; micronano; multilayer; high transparent; VO2; saving energy;

  目前我国建筑行业能耗巨大, 据初步估算, 我国住宅使用能耗占全国总能耗的20%左右, 而且还在以每年1个百分点的速度增加。官方统计数字显示, 我国每年新建房屋建筑面积近20亿平方米, 其中80%以上为高能耗建筑, 既有建筑近400亿平方米, 95%以上是高能耗建筑。建筑能耗占全国总能耗的比例将从现在的27.6%快速上升到33%以上[1-3]。随着建筑外墙节能产品及方式的不断应用, 门窗玻璃及玻璃幕墙的节能显得更加突出, 国家标准《建筑节能工程施工质量验收规范》 (GB50411—2007) 也把玻璃的节能作为门窗、幕墙节能工程验收的重要指标之一[4]。面对如此紧迫的能源形势, 积极开展建筑节能工作成为贯彻实施可持续发展战略的具体举措。

国内外建筑节能膜制备研究成果综述

  建筑节能膜主要应用于住宅、办公大楼、商业大厦等建筑门窗玻璃、幕墙玻璃, 通过阳光控制, 调节室内温度, 降低制冷采暖能耗, 从而达到节能的效果。夏季, 建筑节能膜通过阻隔高达79%的太阳热能, 可大大降低空调的制冷成本;冬季, 建筑节能膜通过减少室内热量透过窗户的散失, 降低了能耗费用[5]。国内外对建筑节能膜制备技术的研究都取得了很大进展。

  1、建筑节能膜的种类

  根据阻光隔热原理的不同, 建筑节能膜主要分为以下几种类型:本体染色膜、反射膜和透明隔热膜3种[6-7]。本体染色膜是最早出现的一种产品, 这种产品的原理是通过带有颜色的薄膜贴到透明的玻璃上来吸收太阳光的辐射热。薄膜的颜色越深, 吸热效果越明显。但是这种膜的弊端显而易见, 其节能是在损失可见光的基础上实现的。反射膜中含有金属微粒, 能够把太阳光反射出去。这种膜虽然具有比本体染色膜更强的隔热效果, 但透光性不理想, 现在在发达城市已经逐渐减少使用。透明隔热膜又称光谱选择性膜, 这种膜科技含量高, 顶级产品可以隔绝99%的紫外线和90%的红外线, 并且保证70%的可见光, 是当前建筑节能膜的重要发展方向。

  2、透明隔热膜制备技术

  2.1、高透明纳米树脂复合技术

  曾晓飞等[8]采用无机纳米颗粒与有机涂层树脂复合技术, 研制出了一种建筑玻璃节能用高透明纳米复合膜, 如图1所示, 并实现了规模化生产。该产品应用于房屋后, 测试结果表明, 在夏季可节约空调用电高达30%以上, 冬季可节约采暖用电8%以上, 为我国的建筑节能提供了一种重要的新材料。

图1 高透明纳米复合膜
图1 高透明纳米复合膜

  光学级纳米复合材料制备的最大问题是提高纳米粒子的分散均匀性, 因为纳米颗粒团聚会造成光散射, 大大降低了材料的透明度。北京化工大学采用超重力反应结晶结合表面改性萃取相转移技术[9-13], 在颗粒发生团聚之前, 在其表面包覆一层改性剂, 并转移到与修饰后颗粒表面相容性良好的溶剂中, 成功制备出粒度分布窄、粒径小且分散性良好的透明纳米分散体, 图2是分散体制备原理图, 图3是基于此方法建立的年产100 t的分散体示范线。然后将具有不同光功能的纳米颗粒均匀分散在有机涂料体系中, 制备了纳米复合涂料, 在安全保护高分子基膜上涂覆一层或几层纳米复合涂料制备出建筑玻璃节能用高透明纳米复合膜。缺点是生产成本较高, 生产过程中会有少量污染物产生, 不利于大规模推广。

分散体制备原理图
图2 分散体制备原理图

  2.2、VO2节能窗技术

  2010年, Ye等[14-15]采用印刷式连续工艺试制了首款宽幅贴膜样品, 并成功下线, 投入市场, 图4是单层VO2膜微观图。经节能示范屋室外实测, 所研发的VO2贴膜的高温隔热性能优异, 太阳能调节率超过14%, 相变开关特性经加速老化2 000次以上无衰减, 节能效果显着。1959年, 贝尔实验室的Morin首次报道了钒 (V) 和钛 (Ti) 的某些氧化物具有“半导体—金属”的相变特性[16]。其中, VO2具有显着的“半导体—金属”相变性质, 相变温度 (68℃) 接近室温, 实用潜力巨大[17-18]。VO2的“半导体—金属”相变是一种高速可逆相变。当升温达到相变温度时, 材料的结构和性能同时在飞秒量级的时间内发生突变, 晶体结构由单斜晶系转变为四方晶系, 电阻显着降低, 红外波段光谱特性由高透射转变为高反射。由于VO2膜具有显着的“半导体—金属”相变特征, 因此其被广泛应用于温度传感器、信息存储器件以及温控节能窗中[19-20]。Gao等[21-24]研发了化学镀膜和利用VO2纳米粉体制备柔性贴膜的新技术, 成功地将薄膜性能提升到实用化水平。在此基础上, 其团队先后在纳米粉体合成与分离、表面改性、分散技术、添加剂的选型、添加量优化、膜层结构设计等关键要素上, 进行技术的放大和装备研发, 解决了功能贴膜的产业化制备方法。在国际上首次推出热控智能型节能膜产品, 有望打破国外节能膜的技术以及市场垄断, 实现我国相关产业的跨越式发展[25-27]。缺点是该技术对设备精度, 工艺条件要求较高。

图3 年产100 t的分散体示范线
图3 年产100 t的分散体示范线

图4 单层VO2膜微观图
图4 单层VO2膜微观图

  2.3、微纳多层膜复合技术

  美国3M公司是建筑节能膜先进技术的持有者, 目前已经推出了经典隔热膜、四季通用膜、夜景隔热膜、极景隔热膜等4个系列的建筑节能膜产品。其中, 极景隔热膜最新一代窗贴膜, 结构如图5所示, 通过240层微层光谱选择性反射, 拥有全天候隔热能力, 透光率高达70%, 红外线阻隔率达97%, 不含有任何金属元素, 废弃后对环境污染小。该系列产品已申请发明专利[28-29]。该核心技术微纳多层膜复合技术是基于美国EDI挤出模头公司制造出的适用于标准厚度多微层型复杂结构的平模头系统———立交微纳层叠模头, 如图6所示。2种或2种以上的聚合物通过“立交桥式”流道层叠共挤后, 可形成具有交替层状结构的复合材料。但是, 立交微纳层叠模头流道的非对称性使实际生产出的多层节能膜其层厚很难均匀。

图5 极景隔热膜的结构图
图5 极景隔热膜的结构图

图6 EDI立交微纳层叠模头
图6 EDI立交微纳层叠模头

  以上3种建筑节能膜最新制备技术中, 高透明纳米树脂复合技术和VO2节能窗技术对加工设备精度要求较高, 制备成本较高, 很难实现建筑节能膜的大规模生产, 美国3M公司的微纳多层膜复合技术, 由于其采用的立交微纳层叠流道的非对称性, 很难保证产品达到预期的多层均匀复合。面对当前技术存在的问题, 本团队基于一种光学膜结构的发明专利, 应用新型微纳多层光学膜制备技术, 制备不同折射率材料多层复合的建筑节能膜, 使每层薄膜更加均匀, 显着提高了节能效率。

  3、新型微纳多层光学膜制备技术

  3.1、微层建筑节能膜

  微层建筑节能膜由2M组单元膜叠加而成, 每个单元膜具有折射率n1和n2相差较大的聚合物材料A和B交替而成的N个相同的周期结构, 如图7所示。单元膜满足nd=λ/4, 其中n为聚合物材料的折射率, d为材料的单层厚度, λ为单元膜反射带中心波长, A/B周期结构厚度比值为对应折射率比值的倒数, 为n2/n1。前M组实现对紫外波段的高反射, 后M组实现对红外波段的高反射, 该光学膜结构已申请发明专利[30]。微层建筑节能膜是由2种或多种不同折射率的材料通过微纳叠层共挤设备挤出, 形成具有交替层状结构的多层高分子膜;高、低折射率材料膜层交替分布;薄膜中相同材料的膜层厚度相等, 不同材料的膜层厚度可不等或相等;薄膜的总层数是奇数。

  3.2、新型微纳多层光学膜制备技术

  新型微纳多层光学膜制备技术[31-34]与微纳多层膜复合技术基本原理相同, 都是通过层叠共挤实现多层薄膜复合, 但是层叠器内部流道结构不同, 图8是新型微纳层叠挤出流道结构, 该结构保证了流道的对称性, 通过分流、扭转、延展、汇流的方式, 实现多层薄膜的均匀复合。新型微纳多层光学膜的制备装置由熔融塑化供料装置、汇流器、均匀层叠器、不均匀层叠器、成型装置依次串联而成, 如图9所示, 分别向挤出机Ⅰ和挤出机Ⅱ加入2种折光率不同的树脂并经螺杆熔融塑化, 然后经汇流器将来自2个熔融塑化供料装置的两股熔体按照A/B周期结构厚度比叠合成具有2层结构的复合熔体, 汇流器与均匀层叠器对接, 均匀层叠器入口熔体通道尺寸与旋转90°的出口熔体通道面积相同, 复合熔体沿宽度方向平均分割成t等分, 每一等分在均匀层叠器中继续向前流动时旋转90°并且展宽, 在出口端相互汇流成为2×t层的叠层结构, 相邻均匀层叠器的分层数相同或者不相同, 该叠层结构熔体进入下一节均匀层叠器, 平均分割成m等分, 则可得到2×t×m层结构熔体, 以此可以得到任意x层结构复合熔体, 若多层复合熔体进入一个不均匀层叠器, 熔体不再被均匀分割, 而是沿宽度方向梯度分割成2M组, 不均匀层叠器出口对应地存在沿厚度方向相同梯度分割的2M组, 不均匀层叠器出口得到2Mx层的复合熔体, 每组有x层, x为不小于2的整数, 最后与成型装置连接, 成型装置保证厚度的相对关系不变, 得到最终制品。采用聚合物共挤技术, 通过挤出机Ⅲ和挤出机Ⅳ分别向纳米微层复合材料两侧复合耐磨树脂和胶粘树脂, 经冷却、裁剪和收卷, 制得建筑节能膜。

图7 微层建筑节能膜结构模型
图7 微层建筑节能膜结构模型

图8 新型微纳层叠挤出流道结构
图8 新型微纳层叠挤出流道结构

  与美国3M公司微纳多层膜复合技术相比, 新型微纳多层光学膜制备技术采用了更规整的流道结构, 流动阻力更小, 可实现建筑节能膜更均匀的复合, 同时该技术工艺流程简单, 借助现有产业和设备技术可实现产业化生产, 生产成本低, 精度容易保证, 有效提高了物料的适应性和制造的效率, 具有非常广泛的应用价值。

图9 成型过程工艺流程示意图
图9 成型过程工艺流程示意图

  4、结语

  建筑节能膜属于高新技术产品, 由于我国未掌握其核心生产技术, 且自主创新能力相对较差, 当务之急是自主研发, 打破国外技术封锁与市场垄断。目前, 最新的节能膜制备技术:高透明纳米树脂复合技术有效避免了纳米粒子团聚现象;VO2节能窗技术利用VO2相变材料实现智能调温;微纳多层膜复合技术实现了多微层光谱选择性反射, 但是这3种技术普遍存在成本高、加工难等问题, 本团队提出新型微纳多层光学膜制备技术, 该技术利用规整的流道结构, 通过分流、扭转、延展、汇流的方式, 实现多层不同折射率薄膜的均匀复合, 显着提高了薄膜的节能效率, 具有成本低、易加工、无污染的优势。未来, 基于新型微纳多层光学膜制备技术, 还需深入研究不同的工艺条件, 不同的基质材料以及不同种类光功能纳米材料对建筑节能膜节能效果的影响, 确定最佳工艺条件和配方, 实现建筑节能膜的大规模生产与应用。

  参考文献
  [1]江亿.我国建筑能耗趋势与节能重点[J].建设科技, 2006 (7) :10-13.
  [2]周志坚.节能膜的应用, 制备和性能[J].材料科学与工程, 1994, 12 (3) :12-17.
  [3]王雁荣.我国建筑能耗趋势与节能措施[J].山西建筑, 2009, 35 (6) :249-250.
  [4]田学春, 董孟能, 谢厚礼.玻璃贴膜在建筑节能中的应用[J].新型建筑材料, 2009 (8) :51-53.
  [5]郭玉锦.夏热冬冷地区公共建筑外围护结构节能理论与技术应用[D].上海:东华大学, 2009.
  [6]韩春源.浅谈建筑玻璃贴膜在工程中的应用研究[J].江苏建筑, 2007 (3) :66-68.
  [7]南京工业大学, 江苏晨光涂料有限公司.一种透明隔热膜及制备方法:中国, CN1951985A[P].2007-04-25.
  [8]曾晓飞, 王琦安, 王洁欣, 等.纳米颗粒透明分散体及其高性能有机无机复合材料[J].中国科学:化学, 2013, 43 (6) :629-640.

国内外建筑节能膜制备研究成果综述相关文章
上一篇:绿色建筑材料主要类别及其发展方向
下一篇:没有了
重要提示:转载本站信息须注明来源:原创论文网,具体权责及声明请参阅网站声明。
阅读提示:请自行判断信息的真实性及观点的正误,本站概不负责。
别人都分享了,你还在等什么?赶快分享吧!
更多