黑科技：玻璃上的稀土涂层可节能25%~40%
近日，包头稀土研究院的EASTO.1098断热稀土玻璃涂层被认定为2020年内蒙古自治区级首批次新材料。
“我们的材料之所以新，是因为在功能性方面，它可以直接涂在玻璃表面，能够在3小时内快速降温，最高可调节温度7—15度，节能25％—40％。”包头稀土研究院天津分院尹健博士说道。
据悉，涂层是稀土研究院与成都易涂捷威科技有限公司通过对三元稀土共掺杂硼化物材料的制备研究与性能筛选，制备出稳定、高性能的稀土纳米复合断热涂料产品。
“我们开发成功了十余种稀土纳米断热浆料产业化制备技术，目前，该技术国内发表论文2篇，申请3项国内发明专利，1项外观设计专利。”包头稀土研究院高级工程师鲁飞说，涂层在断热效果、便捷度及稳定性等方面均领先于目前市场上的玻璃贴膜、low-E玻璃及中空玻璃等同类产品。
优化玻璃隔热性能势在必行
在《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》中提出到2020年，我国城镇新建建筑能效将提高20%，绿色建筑面积比重超过50%，而建筑能耗的40%消耗在玻璃门窗上，所以提高玻璃的隔热性能尤为关键。
众所周知，地球表面的热能主要来源于日照，太阳光的光谱主要集中于200-2500nm范围内，其中：200-400nm范围内为紫外线，其能量占太阳光总能量的约5%，400-720nm范围内为可见光，其能量占太阳光总能量的约45%，而720-2500nm范围内均为红外线，其能量占太阳光总能量的一半。
红外线是人眼不可见的，因此，若在不影响可见光透过的条件下，如何将红外线有效阻隔，提高玻璃的隔热性能，是国内外技术研发的重难点之一。目前，高质量、高通透率的隔热涂膜的研发主要集中在美日等发达国家。“虽然现有技术中对于太阳光的阻隔有多种方法，但各自都存在诸多问题。”鲁飞说道。
鲁飞拿目前最为常用的建筑隔热玻璃是低热辐射玻璃（Low-E）为例给记者讲解了它的不足之处。这类玻璃是通过在普通玻璃表面镀层来实现隔热效果的。然而，这类玻璃在建筑外墙被大量使用后，虽然对建筑本身起到了良好的保温和隔热性能，但是会大量反射太阳光，并造成大量的光污染问题。
人们长时间在光污染环境下工作，会导致视力下降，产生头晕目眩、失眠、心悸、食欲下降及情绪低落等症状，严重影响人们的身体和心理健康。另外，Low-E玻璃无法通过后期涂刷等方式使玻璃表面获得隔热能力，此外，由于金属层的氧化，其表面层寿命远低于玻璃本身的寿命，这导致了Low-E玻璃无法作为用于存量建筑玻璃的升级改造。
此外，着色玻璃在吸热的同时也会吸收可见光，在实现隔热效果的同时会大幅牺牲可见光透过率，并呈现明显的颜色，这大大限制了其在如汽车前挡玻璃等需要高可见光透过场景的应用。
“目前商业化应用最为广泛的红外吸收材料——铯钨青铜材料，具有最好的红外吸收效果，然而其在紫外线照射下会出现光致变色现象，且在加热条件下，会与水和氧气发生不可逆的氧化反应，生成三氧化钨，并丧失其红外吸收性能。”尹健说。
一种全新断热涂层问世
从以上分析可知，传统Low-E玻璃和玻璃产品的隔热原理是通过在普通玻璃表面镀层来实现隔热效果，镀膜后，Low-E玻璃可以对波长2500nm以上远红外线起到良好的反射作用，但也会造成污染。能吸收光子也许是更好的选择。
“我们也是受局域表面等离子体共振（LSPR）现象的启发，因为具有一定长径比的金纳米带，其表面电子可以与一定频率的入射光子发生共振，并强烈地吸收入射光子，再通过对材料粒径和形貌的调控，可以实现对红外光子的选择性吸收，就可以做成红外线吸收材料。”鲁飞说。
鲁飞介绍，他们做的涂层以稀土化合物为基础，一方面，由于硼原子具有极强的电负性，其可以与稀土元素形成较强的作用力，使得最终形成的稀土纳米断热材料具有优异的耐酸碱性；另一方面，在形成的稀土纳米硼化物材料中，稀土元素自身的外层电子提供了大量自由电子，当入射光的光子激发时，自由电子与入射光子发生共振，从而在宏观上表现为吸热能力。
此外，通过对稀土元素种类以及掺杂量的调控，可以进一步控制入射光子发生共振的波长范围。利用这种方法，研发团队成功开发出了具有良好耐候性的高性能稀土纳米复合断热材料，完美解决了现有材料环境稳定性不足与无法对红外线进行光谱吸收的卡脖子问题。
“我们开发的涂层，红、紫外线阻隔大于90%，可见光透过率大于等于70%，断热效果、便捷度及稳定性等方面均领先于玻璃贴膜、Low-E玻璃及中空玻璃等同类产品。”，温永清说，他们还做了好几个实验，以LOW-E中空玻璃和断热稀土夹胶玻璃效果对比为例，在同等条件下，将双银LOW-E中空玻璃和断热稀土夹胶玻璃分别放在红外灯前，双银LOW-E中空玻璃红外线热值为3417，双银LOW-E中空玻璃紫外线值为4857，阻隔率为50%，断热稀土夹胶玻璃红外线热值为320，断热稀土夹胶玻璃紫外线值为19.4，阻隔率高达99.8%。
由此可知，即使是目前市面上性能优异的双银LOW-E中空玻璃，隔热、防晒和节能性也落后于使用了断热稀土技术的单层RE夹胶玻璃。
涂层应用助力我国绿色化发展
2019年11月，稀土研究院与易涂捷威科技建立断热稀土联合实验室，联合推进新型稀土纳米断热涂层的产业化进程，新型稀土纳米断热材料及涂层产业制备技术已突破。
“目前，我们已建成了国内首条月产800公斤稀土纳米断热浆料中试生产示范线，可节能25%—40%。”易涂捷威科技总经理杨崛说道，开发的涂层指标与国外产品相当，甚至优于国外产品，在技术层面实现了“弯道超车”，填补了国内断热玻璃涂层材料的空白，同时完全可替代进口产品。
众所周知，太阳热能主要通过红外线辐射存在，并拥有高温向低温传递的特性。
因此，夏天室外高温会涌向室内，致使空调负荷增加，且红/紫外线能使人体皮肤产生灼热感;涂层可与200-400nm和700-2500nm范围内的光波发生等离子体共振效应，辐射热能无法穿透涂层，就能达到良好的隔热、防晒性能，同时，因阻断了辐射热能，室内温度无法快速持续升温，便减少了空调负荷，大大节约了空调费用，也达到了节能的目的。
而在冬季，室内热源发热的本质依然是红外光，是粒子内部振动向外传播电磁波，所以，发热电磁波根本无法有效穿透断热稀土涂层(等离子体共振)，热源被大量的留在了室内，暖气升温更快，锁能、保温性就会更好，超级节能。
建筑能耗问题，在中国显得尤其严峻。我国建筑面积总量巨大，90%以上采用的是普通玻璃。按照2010年我国节能目标计算，平均每年新增断热玻璃约13.2亿平方米，稀土纳米断热材料的市场需求量巨大。
“产品上市后，可广泛运用于节能环保型汽车和节能型建筑玻璃上，能有效解决汽车和建筑内部温度高、空调能耗大等问题，产值亿元以上，同时，为我国节能环保事业做出巨大贡献。”杨崛说，目前已建立了11家分公司，与全国10余个省份80多个城市签订了产品代理协议，今年预计可实现销售近3000万元。
作者：李宝乐
来源：中国有色网
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