基于十酸的复合玻璃的光学性能研究

马晓震 柯秀芳 周科 曾国勋 林志飞

广东工业大学材料与能源学院

0 引言

在建筑围护中，作为承担采光和美化功能的窗户、幕墙等玻璃围护属于轻质结构，更容易获得过多太阳得热或形成过多散热，隔热或保温效果差，造成建筑冷热负荷能耗增加（为墙体的数倍），室内环境温度波动大，热舒适性降[1]。为了解决玻璃围护结构存在的问题，目前己发展了一些技术，这些技术包括吸热玻璃，镀膜或贴膜玻璃，中空的、真空的或填充气凝胶的双层或多层玻璃。随着PCM 在建筑领域的广泛应用，利用PCM 作为建筑中玻璃围护结构的蓄热载体，以提高这类轻质结构的夏季隔热或冬季保温性正成为一个重要的研究和发展方向[2-10]，其夏季隔热的机理是：当PCM 填充在玻璃之间时，处在固体状态的PCM能够使太阳能辐射中的可见光部分透过，仍可实现玻璃的采光功能。而红外和远红外部分则被PCM 吸收转变为热量储存起来而不进入室内，从而降低通过玻璃围护结构的太阳得热，减少建筑的空调能耗。研究发现在PCM 没有完成相变之前，对于降低建筑的得热是有益的，但当PCM 完全熔化后，PCM 玻璃温度要比常规中空玻璃温度高很多，原因是液态的PCM 能够吸收更多的太阳辐射，容易形成过热，这对于减少太阳辐射得热是不利的。当PCM 完全为液相，比起没有PCM 的系统，建筑的得热是增加的[11-12]。

针对液态PCM 更易吸收太阳辐射的特性，本文采用在PCM 中添加红外反射能力较强材料的方法，通过增强PCM 对太阳辐射中红外和远红外部分的反射，降低对这部分光吸收而转化的热量，期望解决PCM 变为液相时引起的过热问题。

1 光学性能测试

本文使用SHIMADZU 公司生产的紫外-可见-近红外分光光度计UV-3600Plus，采用双光路、全反射的方法对夹层添加PCM 及红外反射材料中空玻璃的反射率和透射率进行测试，测试用的试样玻璃为普通浮法玻璃，尺寸为40 mm×40 mm，厚度为3 mm，中间空气层厚度为3 mm，添加PCM 后采用玻璃胶进行密封处理，确保无泄露。

试样玻璃夹层中添加的相变材料为十酸，分子式为CH3(CH2)8COOH，分子量为172.26。玻璃和相变材料的热物理性能参数见表1。十酸的熔点为32.14 ℃，接近于夏季白天炎热时段的气温，能够在炎热时段通过融化而吸热。

PCM 中添加的红外反射特性较强的氧化钛（TiO2），可用于制备红外反射膜，被证实有较强的红外反射能力，并且二氧化钛材料无毒，化学性质稳定，价格便宜，合成方法成熟，适宜批量应用。

在玻璃试样中封装相变材料时，首先将CH3(CH2)8COOH 熔化为液体，将氧化钛按一定的比例注入中空玻璃内并搅拌均匀，常温冷却后进行PCM在固态时玻璃试样的反射率和透射率测量。利用热风筒将试样加热至PCM 融化后进行液态时玻璃试样光学参数的测量。

2 测试结果及分析

2.1 实验分组

为了便于对比分析，测试试样分为11 组：①普通浮法中空玻璃（内充空气）；②复合玻璃（内充相变材料十酸，固态）；③复合玻璃（内充相变材料十酸，液态）；④复合玻璃（内充相变材料十酸+0.2%氧化钛，固态）；⑤复合玻璃（内充相变材料十酸+0.2%氧化钛，液态）；⑥复合玻璃（内充相变材料十酸+1%氧化钛，固态）；⑦复合玻璃（内充相变材料十酸+1%氧化钛，液态）；⑧复合玻璃（内充相变材料十酸+5%氧化钛，固态）；⑨复合玻璃（内充相变材料十酸+5%氧化钛，液态）；⑩复合玻璃（内充相变材料十酸+10%氧化钛，固态）；⑪复合玻璃（内充相变材料十酸+10%氧化钛，液态）；⑫复合玻璃（内充相变材料十酸+20%氧化钛，固态）；⑬复合玻璃（内充相变材料十酸+20%氧化钛，液态）；⑭复合玻璃（内充相变材料十酸+30%氧化钛，固态）；⑮复合玻璃（内充相变材料十酸+30%氧化钛，液态）。使用紫外-可见-近红外分光光度计分别测量15组试样在220～2600 nm 光谱的反射率、透射率。

2.2 PCM 为固态时复合玻璃反射率试样曲线

如图1 所示，夹层为空气的中空玻璃在整个波段的反射率都是比较低，基本维持在5%上下。当中空玻璃内部为固态十酸（试样②曲线）时，复合玻璃系统整体的反射率明显升高，在400～1100 nm 部分可见光和红外波长范围内的反射率基本维持在27%上下，反射率升高了20%左右，结果与文献[13]中填充石蜡的PCM 玻璃测试结果趋势相似。在十酸添加较低比例氧化钛（试样④、⑥曲线）后，复合玻璃的反射率变化不大，甚至是当添加比例为0.2%（曲线④）时，反射率略有降低。但当添加比例逐渐加大，尤其是在20%、30%（试样12、14曲线）时，与试样②曲线相比，反射率在500～1200 nm 范围内大大提高，提高幅度为20%上下。PCM 中添加氧化钛的复合玻璃在1200～1700 nm 波长范围反射率也得到提高，但幅度不大。

2.3 PCM 为固态时复合玻璃透射率试样曲线

图1 PCM 为固态时复合玻璃反射率试样曲线

由图2 可以看出，添加了红外反射材料的十酸，在固态时，与曲线①相比，透射率有较大幅度降低（试样④曲线），十酸添加氧化钛后，透射率更进一步降低。在氧化钛添加比例为5%、10%（试样⑧⑩曲线）时，两者透射率变化趋势较为接近，在500～1200 nm 波长范围内，维持在11%上下，在1200～1700 nm 波长范围内，透射率波动较大。在氧化钛添加比例为20%、30%（试样⑫ ⑭曲线）时，两者透射率变化趋势较为接近，在500～1200 nm 波长范围内，维持在9%上下，在1200～1700 nm 波长范围内，透射率波动较大。而在1700～2600 nm 范围内，系统透射率不随氧化钛添加比例发生变化，维持在0 附近。

图2 PCM 为固态时复合玻璃透射率试样曲线

2.4 PCM 为液态时复合玻璃反射率试样曲线

由图3 可知，氧化钛添加比例较低时（试样⑤曲线），系统反射率在400～1200 nm 范围内有较小幅度的提升。当添加氧化钛比例达到1%（试样⑦曲线）时，系统反射率在400～1500 nm 范围内有了较大的幅度的提高。当添加氧化钛比例达到5%、10%、20%、30%时（试样⑨曲线），在400～1500 nm 范围内，相较试样⑤⑦曲线的情况，反射率最高提升了近50%，效果显著，在1500～2600 nm 范围内，反射率波动较大，但也有较为明显的提升。

图3 PCM 为液态时复合玻璃反射率试样曲线

2.5 PCM 为液态时复合玻璃透射率试样曲线

由图4 可发现，随着氧化钛比例逐渐添加，系统整体的透射率逐渐降低。对比试样③⑤⑦⑨曲线的情况，可以发现，透射率在500～1700 nm 范围内，下降幅度较大，接近20%，在1700～2600 nm 范围内，系统透射率变化较小。当氧化钛添加比例达到5%、10%时（试样⑨曲线），两者的系统透射率在整个测试波长范围内变化趋势接近一致，变化幅度较小。当氧化钛添加比例达到20%、30%时，系统透射率在整个测试波长范围内都维持在0 附近。

图4 PCM 为液态时复合玻璃透射率试样曲线

3 结论

由实验曲线可知，当中空玻璃夹层中添加十酸后，在十酸为固态时，复合玻璃的反射率明显升高，而十酸是液态时，反射率略有下降。当十酸为固态时，复合玻璃的透射率大幅度降低，维持在30%上下，而十酸为液态时，复合玻璃的透射率在400～1500 nm 范围内变化较小，在1500～2600 nm 范围内，下降幅度较大。在添加红外反射材料氧化钛后，添加氧化钛的十酸是固态且氧化钛添加比例达到5%以上时，复合玻璃系统在220～2600 nm 波长范围内，反射率都有明显的升高，添加比例为30%时，效果最佳。对于透射率，10%比例的氧化钛较为适用。添加氧化钛的十酸是液态时，且氧化钛添加比例为5%以上时，反射率改善较为明显，相较纯液态十酸的情况，在500～1500 nm 范围内，反射率提升幅度达到了30%。但当氧化钛添加比例达到20%、30%时，复合玻璃的透射率较低，相较纯液态十酸的情况，透射率在500～1500 nm 范围内，降低幅度平均达到了60%。对比添加氧化钛的十酸在固态、液态的反射率可以发现，氧化钛对改善液态十酸的反射率优于对固态十酸反射率的改善。