一种动态彩阳光控制膜、制备方法及其应用与流程

1.本发明涉及节能膜领域，更具体地，本发明涉及一种动态彩阳光控制膜、制备方法及其应用。

背景技术：

2.阳光控制膜是指一类在透明基材上涂覆一层或多层由特定的金属，金属化合物或非金属化合物形成的薄膜，通过材料选择以及膜层结构控制，对300nm～2500nm波段的太阳光进行选择性反射或吸收，达到节能或装饰目的。这类膜被广泛用于建筑物或移动体如车辆的窗体部位。如果这种光学选择位于太阳光的红外波段，如红外反射，即可称为热反射镜(heat mirror)，用于窗膜，可以减少太阳热透射，保持室内凉爽。如果光学选择位于可见光波段，即可赋予不同的膜面彩，如作为玻璃幕墙，具有强烈的装饰作用。常用镀膜材料包括金属，例如贵金属和过渡金属(ag，au，pt，pd，rh，cu，al，ti，zr，sn，cr，zn，in，ni，nb，si)及其合金，和金属化合物或非金属化合物，包括一大类具有适合折射率的透明材料，如tio2，sio2，nb2o5，al2o3，zro2，zno，sno2，crox，mgo，niox，wox，moox，taox，yox，mgf2，caf，sinx，zns等。
3.但是，传统的阳光控制膜不具有彩的动态变化，即随环境温度变化大幅度并且可逆地改变反射彩的功能。实际上，在我国国标(gb/t 18915.1-2013)对阳光控制镀膜玻璃的质量规定中，为保持玻璃的外观彩均匀性，规定其表面反射在cielab空间的差(e*ab)，也即彩变化，必须≦2.5。也就是说，传统的阳光控制膜并未要求，因而也不具备明显的目视彩动态变化。类似地，传统的阳光控制膜不具有太阳光透射率的动态调节功能。也就是说，无法根据环境温度的变化对太阳光热进行可逆调节，例如，实现夏天高阻隔，冬天高透过，促进室内空间的冬暖夏凉。
4.随着人民生活品味和欣赏水平的不断提高，例如自然界的春夏秋冬一样，人们期盼周围环境的装饰彩更加丰富和变化多端。对建筑物或汽车等环境物体所产生的反射彩来说，期盼有更丰富的彩变化。这种期求显然不仅仅局限于其装饰效果。例如，通过颜变化进行温度提示，温度示警，以及伪装，隐身等，新的需求不断涌现。同时，作为节能窗，能进行太阳能透射率的动态调节，促进冬暖夏凉，更是产业界的终极追求。遗憾的是，在传统的阳光控制膜显然不能实现。

技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的一些问题，本发明第一个方面提供了一种动态彩阳光控制膜，依次包括透明基材层、氧化钒相变层、阳光控制层，该动态彩阳光控制膜的至少一个表面的反射随温度发生可逆的彩变化，其高低温状态下的反射总差≥10.0，彩变化于目视明显可见。
6.本技术中动态彩阳光控制膜具有利用反射示温或温度示警功能，例如，通过将vo2的相变温度调节至50℃，当玻璃温度高于该温度并有可能存在因此而破裂的危险时，
即可通过颜变化示警并为我们察知。且氧化钒相变层、阳光控制层的设置，由于用于控制膜层彩变化的vo2层同时具有对太阳光的温控调节功能，使得该膜低温状态的太阳能透过率高于高温状态的太阳能透过率，有利于促进冬暖夏凉，节能环保。
7.本技术膜层具有在室温附近发生可逆相变，同时伴随光学性能的巨大变化，例如，在低温时的高透过，高温时的高反射。利用这种温控可逆的光学变化，将其上制备成为薄膜，即可作为温控智能节能窗，夏天阻隔红外线，冬天透过红外线，无需附加设备，便可实现对日射的自动调控，达到冬暖夏凉。
8.我们发明了一种新的动态彩阳光控制膜，可以根据环境温度显著并可逆地改变反射彩。将其制备在柔性或刚性的透明基材表面，作为一种新型节能窗，在传统阳光控制膜节能与装饰效果的基础上，赋予了鲜明的装饰彩动态变化和温控智能节能效果。显然，这种效果还可用于装饰以外领域，例如示温和温度示警等。
9.在一种实施方式中，所述透明基材层为柔性透明材料或刚性透明材料。
10.本技术中柔性透明材料可以列举的有pi膜、聚酯薄膜如pet等，该类材料通常用于窗膜的高分子膜材料。刚性透明材料例如各种玻璃等。
11.在一种实施方式中，所述氧化钒相变层的材料为元素掺杂或未掺杂的二氧化钒。
12.优选的所述氧化钒相变层的相变温度范围为20-90℃。
13.纯粹的二氧化钒相变温度为68℃，相变温度可以通过元素掺杂等手段上下调节。比如，掺杂ti，al等低价态元素可以提高其相变温度(例如，通过钛掺杂可将相变温度提升至85℃附近)，掺杂w，ta，mo，nb等高价态元素则可降低其相变温度(例如，通过钨掺杂可将相变温度降低至冰点附近)。考虑到窗户在实际应用中的可能性，相变温度范围可在为20-90℃之间选择。
14.在一种实施方式中，所述阳光控制层的材料选自金属、合金、金属化合物、非金属化合物中一种或多种。
15.优选的，所述阳光控制层的材料选自贵金属、过渡金属(例如ag，au，pt，pd，rh，cu，al，ti，zr，sn，cr，zn，in，ni，nb，si等)及其合金、以及一大类具有适合折射率的透明金属化合物或非金属化合物，如tio2，sio2，nb2o5，al2o3，zro2，zno，sno2，crox，mgo，niox，wox，moox，taox，yox，mgf2，caf，sinx，aln，bn，tin，zrn，zns等。
16.在一种实施方式中，所述氧化钒相变层的至少一侧设置有保护膜。
17.本技术在氧化钒相变层的至少一侧设置有保护膜，解决了氧化钒相变层中的钒元素处于一种中间化合价态，容易与环境物质接触而发生化学反应，失去相变性能的问题。
18.优选的，所述保护膜的材料为化学性能稳定的透明氧化物或氮化物。
19.在一种实施方式中，所述动态彩阳光控制膜，包括依次层叠的tio2层、vo2层、ss304层、tio2层、玻璃层；或者依次层叠的tio2层、vo2层、tin层、tio2层、玻璃层；或者依次层叠的tio2层、vo2层、tio2层、ag层、tio2层、tpi层；或者依次层叠的tio2层、vo2层、sio2层、tio2层、sio2层、tio2层、玻璃层。
20.本技术中各层的厚度本领域技术人员可以根据实际需要进行常规选择。
21.本发明第二个方面提供了一种所述动态彩阳光控制膜的制备方法，在透明基材层表面通过磁控溅射镀膜方式依次沉积。
22.在一种实施方式中，镀膜条件如下：抽真空至5x10-5
pa，根据需要导入ar或ar+o2混
合气体，保持全压1.0pa，dc电源功率100w，除vo2层外的镀膜工艺在非加热条件下进行，vo2层薄膜则通过300-500℃条件下热处理获得结晶化。
23.通常用于镀制光学多层膜的其他手段，如真空蒸发，或化学气相沉积，甚至其他化学方法例如旋涂法，喷涂法等，只要能实现本发明所述结构与功能，均不能排除在外。
24.本发明第三个方面提供了一种所述动态彩阳光控制膜在彩透明节能玻璃和彩透明柔性节能膜中的应用。
25.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
26.本技术动态彩阳光控制膜，反射呈彩并可随温度发生显著的可逆变化，可作为彩节能镀膜玻璃或彩柔性节能膜，在节能的同时，赋予其装饰，示温，或温度示警等动态彩变化效果。
具体实施方式
27.以下通过具体实施方式说明本发明，但不局限于以下给出的具体实施例。
28.实施例中的镀膜工艺均使用日本ulvac公司acs-4000-c4型磁控溅射仪镀制而成。该仪器设有4个2英寸靶位，可分别配置rf或dc电源。样品放置在＞4英寸的可旋转固定加热板上，加热温度最高可达500℃。设有3个可独立调控的气路。在没有特殊说明时，本镀膜均采用金属靶材。镀膜时按所需比例导入ar(制备金属膜层如不锈钢或银)，或ar与o2(制备氧化物层)或ar与n2(制备氮化物层)的混合气体，保持溅射压力1.0pa，严格控制镀膜时间，获得所定厚度的各层薄膜。为保证镀膜工艺和质量稳定，多层膜制备工艺均在真空中连续进行。
29.实施例1
30.一种动态彩阳光控制膜，为依次层叠的tio2层、vo2层、ss304层、tio2层、玻璃层，其中vo2层厚度为45nm，ss304层厚度为10nm，tio2层总厚度为280nm，玻璃层的厚度为1mm。镀膜条件如下：抽真空至5x10-5
pa，根据需要导入ar或ar+o2混合气体，保持全压1.0pa，dc电源功率100w，除vo2层外的镀膜工艺在非加热条件下进行，vo2层薄膜则通过400℃条件下热处理获得结晶化。
31.使用分光光度计(hitachi u-4100)，在低温(20℃)和高温(80℃)状态下分别测定膜系表面的可见光分光反射率曲线。在cie1931彩空间获得xyz三刺激值，并由此计算出cielab表系上反射光的明度(l*)和品(a*和b*)数值。根据我国国标(gb11942-1989和gb/t 18915.1—2013)对差的规定，使用cie1976lab差公式(1)，计算出样品相变前后的总差e*。
32.e*＝[(l*)2+(a*)2+(b*)2]
1/2
ꢀꢀ
(1)
[0033]
其中：e*为相变前后膜层反射的总差，l*为其明度指数之差，a*和b*为品指数之差。
[0034]
通常公式(1)用于评价物体彩的均匀性，其值越大，则彩差别越大。从我国镀膜玻璃国家标准(gb/t 18915.1—2013《镀膜玻璃》)规定引申出，当e*≧2.5时，物体将发生可察觉的视觉变化。
[0035]
当然，我们通过大量试验意识到，e*≧2.5的差尚属十分轻微，尚不能本发明所需之目视明显可辨的动态彩变化的要求。因此，借鉴上述国家标准，并经发明人反复试验
验证，规定本发明结构高低温差须≧10，优选≧15，更优选≧20，以保证产生温控动态彩变化目视显著可见。
[0036]
根据xyz刺激值在cie1931彩空间获得薄膜颜的正式名称，并将样品在昼光下加热冷却，用肉眼确认动态的颜变化。
[0037]
将所测透过率曲线分别在人眼明视感度曲线和am1.5标准太阳光谱上积分得出可见光透过率(t
lum
)和太阳能透过率(t
sol
)。
[0038]
测试结果见表1。
[0039]
表1
[0040][0041]
从表1的测试结果中可知，本发明实施例1的动态彩阳光控制膜呈现出较高的反射明度(亮度)和强烈的动态彩变化，其差高达25.6，远远高于(10倍)国标中对阳光控制膜颜变化≦2.5的规定，体现出巨大的视觉变化效应。同时，表现了对太阳光的低温高透过，高温低透过调节能力，有助于促进室内冬暖夏凉，节能减排。
[0042]
实施例2
[0043]
一种动态彩阳光控制膜，为依次层叠的tio2层、vo2层、tin层、tio2层、玻璃层，其中vo2层和tin层厚度均为20nm，tio2总厚度为60nm，玻璃层的厚度为1mm。镀膜条件同实施例1。
[0044]
按照实施例1相同的方法进行测试，测试结果见表2。
[0045]
表2
[0046][0047]
由表2的测试结果中可知，采用tin代替ss304时，动态彩阳光控制膜同样展现出优异的特性。
[0048]
实施例3
[0049]
一种动态彩阳光控制膜，为依次层叠的tio2层、vo2层、tio2层、ag层、tio2层、tpi层，其中vo2层和ag层厚度分别为100nm和10nm，tio2层总厚度为250nm。镀膜条件同实施例1。分别对tpi层的正反两个表面进行了性能测试，其测试结果如表3。
[0050]
表3
[0051][0052]
可见，实施例3的动态彩阳光控制膜展现出优异的所期性能，其正反两面均呈现出鲜明的动态彩变化效果。
[0053]
实施例4
[0054]
一种动态彩阳光控制膜，为依次层叠tio2层、vo2层、sio2层、tio2层、sio2层、tio2层、玻璃层，其中vo2厚度为30nm,，tio2和sio2总厚度分别为80和165nm。镀膜条件同实施例1。其测试结果如表4。
[0055]
表4
[0056][0057]
可见，该膜展示了良好的太阳能调节能力，其正反两面均呈现出鲜明的动态彩变化效果。
[0058]
比较例1
[0059]
制备与测定条件与实施例1同样，但不设置vo2膜层。其测试结果如表5。
[0060]
表5
[0061][0062]
可见，虽然这种阳光控制膜表现出高亮度和丰富的彩，不具有颜的动态变化和太阳能调节能力。
[0063]
比较例2
[0064]
制备与测定条件与实施例2同样，但不设置vo2膜层。其测试结果如表6。
[0065]
表6
[0066][0067]
可见，不具有动态彩变化，也不具有太阳能的温控调节效果。
[0068]
比较例3
[0069]
与实施例3同样方法制备和分析动态彩膜，但不设置vo2膜和上面的tio2保护膜。其测试结果见表7。
[0070]
表7
[0071][0072][0073]
可见，该膜不具有动态彩变化，也不具有太阳能的温控调节效果。
[0074]
比较例4
[0075]
与实施例4同样方法制备和分析动态彩膜，但不设置vo2膜和上面的tio2保护膜。其测试结果见表8。
[0076]
表8
[0077]
温度(℃)vo2(nm)l*/a*/b*e*t
lum
(％)t
sol
(％)颜20/80068.71/-11.45/-7.22059.2895.57黄
[0078]
可见，该膜不具有动态彩变化，也不具有太阳能的温控调节效果。

技术特征：

1.一种动态彩阳光控制膜，其特征在于，依次包括透明基材层、氧化钒相变层、阳光控制层，该动态彩阳光控制膜的至少一个表面的反射随温度发生可逆的彩变化，其高低温状态下的反射总差≥10.0，彩变化于目视明显可见。2.根据权利要求1所述动态彩阳光控制膜，其特征在于，所述氧化钒相变层的材料为元素掺杂或未掺杂的二氧化钒。3.根据权利要求2所述动态彩阳光控制膜，其特征在于，所述氧化钒相变层的相变温度范围为20-90℃。4.根据权利要求3所述动态彩阳光控制膜，其特征在于，所述氧化钒相变层的至少一侧设置有保护膜。5.根据权利要求4所述动态彩阳光控制膜，其特征在于，所述保护膜的材料为透明氧化物或氮化物。6.根据权利要求1-5任一项所述动态彩阳光控制膜，其特征在于，所述透明基材层为柔性透明材料或刚性透明材料。7.根据权利要求6所述动态彩阳光控制膜，其特征在于，所述阳光控制层的材料选自金属、合金、金属化合物、非金属化合物中一种或多种。8.根据权利要求7所述动态彩阳光控制膜，其特征在于，包括依次层叠的tio2层、vo2层、ss304层、tio2层、玻璃层；或者依次层叠的tio2层、vo2层、tin层、tio2层、玻璃层；或者依次层叠的tio2层、vo2层、tio2层、ag层、tio2层、tpi层；或者依次层叠的tio2层、vo2层、sio2层、tio2层、sio2层、tio2层、玻璃层。9.一种根据权利要求1-8任一项所述动态彩阳光控制膜的制备方法，其特征在于，在透明基材层表面通过磁控溅射镀膜方式依次沉积。10.一种根据权利要求1-8任一项所述动态彩阳光控制膜在彩透明节能玻璃和彩透明柔性节能膜中的应用。

技术总结

本发明涉及节能膜领域，更具体地，本发明涉及一种动态彩阳光控制膜、制备方法及其应用。动态彩阳光控制膜，依次包括透明基材层、氧化钒相变层、阳光控制层，该动态彩阳光控制膜的至少一个表面的反射随温度发生可逆的彩变化，其高低温状态下的反射总差≥10.0，彩变化于目视明显可见。本申请动态彩阳光控制膜，反射呈彩并可随温度发生显著的可逆变化，可作为彩节能镀膜玻璃或彩柔性节能膜，在节能的同时，赋予其装饰，示温，或温度示警等动态彩变化效果。或温度示警等动态彩变化效果。