汽车前挡风玻璃隔热膜的研究进展_干蜀毅

CN 11-5904/U J Automotive Safety and Energy, 2013, Vol. 4 No. 1
48—53汽车前挡风玻璃隔热膜的研究进展
干蜀毅*,赵 腾,陈大鹏,张 霖,周佳南
(合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥 230009,中国)
摘 要:研究节能隔热膜,可降低汽车空调的能耗,是低碳、绿社会发展的必然趋势。本文总结
了汽车玻璃节能隔热膜的研究进展,包括:隔热贴膜、氧化铟锡(ITO)薄膜、可热弯单银基或双银
基低辐射(Low-E)膜、透明隔热涂料膜及溶胶—凝胶镀膜;介绍了膜的设计方法;对比了实验结果。
结果表明:隔热贴膜目前技术最成熟,市场应用最广泛,但难以获得可见光透射率和隔热性俱佳的薄
膜;透明隔热涂料膜、溶胶—凝胶膜是隔热膜制备新技术,但红外波段反射率较低;可热弯双银基
低辐射膜是实现高可见光透射率和高红外光阻隔率的最佳解决方案,未来的研究重点是寻性能更
好的Ag层保护材料,以减缓或消除高温情况下Ag层的氧化、凝聚和扩散现象。
关键词:汽车玻璃;节能;隔热膜;低辐射(Low-E)膜;溶胶-凝胶镀膜
中图分类号: U 463.83+5 文献标志码: A DOI: 10.3969/j.issn.1674-8484.2013.01.007
Review on the research of vehicle windshield heat insulation fi lms GAN Shuyi, ZHAO Teng, CHEN Dapeng, ZHANG Lin, ZHOU Jianan  (School of Mechanical and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)Abstract: This paper reviews the research progress of energy-saving and heat-insulation fi lms of vehicle-
windshields to reduce energy consumption caused by air conditioners. Some typical fi lm design methods were
introduced, with several experimental results being compared. The fi lms include heat-insulating coating, indium-
tin-oxide (ITO) coating, mono-silver-base or dule-silver-base low-emissivity (Low-E) coating, transparent-
insulation coating and sol-gel coating. The results show that the heat-insulating fi lm technology is most widely
used in the vehicle market, but to obtain both high visible light transmittance and good thermal insulation is
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diffi cult. Transparent-insulation coating and sol-gel coating are the latest rise of insulation fi lms with low infrared
light refl ectance. Dual-silver based low-E fi lms which can bear thermal bending are the best solution to obtain
high visible-light transmittance and high infrared refl ectance. In the future research focus is to fi nd an excellent第十二届国家机构领导人
protection material of Ag-layer to slow down or eliminate the oxidation, agglomeration and diffusion phenomenon
of Ag at high temperatures.
Key words: vehicle windshield; energy saving; heat insulation fi lm; low emissivity (Low-E) coating; Sol-gel
coating
收稿日期/ Received:2013-01-15
第一作者 / First author:干蜀毅(1963—),男(汉),安徽,教授。E-mail:hfmike@163
挡风玻璃用于汽车挡风、遮雨、采光,是司机安全驾驶的重要保障[1-2]。汽车挡风玻璃一般为夹层玻璃[3]。但普通夹层玻璃阳光透射率高,紫外光、红外光阻隔性差[4],在炎热的夏天,强烈的阳光照射导致车内温度升高,车内设施老化速度加快,影响驾驶人员的乘车环境,增加了空调电能的消耗。为解决这个问题,国内外学者尝试研究一种节能隔热膜,在不影响玻璃采光的前提下,能有效阻隔紫外光,降低红外光透射率,可以有效降低夏、冬两季汽车空调电能的消耗。。最近20年,该技术已取得很大进展,已成为汽车玻璃新技术发展的重要方向[5]。
本文总结了近20年来国内外汽车玻璃节能隔热膜的研究进展,内容包括隔热贴膜、氧化铟锡(ITO)薄膜、可热弯单银/双银低辐射(Low-E)膜、透明隔热涂料膜及溶胶-凝胶镀膜;介绍了几种膜的设计方法,对比了不同隔热膜的实验结果;并对各种技术的前景进行了展望。
1 研究背景
阳光的能量与它的波长有关,波长越大,能量越高[6]。太阳光的光谱可分为3个波段:紫外线波段(200~370 nm)、可见光波段(380~780 nm)、红外线波段(780~2 500 nm),分别占太阳光能
量的3%、44%、53%。可以看出,可见光和红外光辐射是阳光热量的主要来源,增加可见光和红外光反射能有效的降低太阳光能透射率,达到节能隔热的目的。但是,为了保证司机驾车的安全性,国家规定:挡风玻璃的可见光透射率不允许低于75% [7]。因此,在设计节能隔热膜时应使膜系在保证75%以上的可见光透射率基础上具有较高的红外光反射率,此外还要有很强的紫外光隔断率。迄今为止,国内外通过设计汽车隔热贴膜、透明导电膜、透明隔热涂料膜、溶胶凝胶膜来制备前挡风玻璃节能隔热膜。
2 汽车隔热贴膜
汽车隔热贴膜是目前市场上应用最广泛,工艺最成熟的汽车隔热膜。主要有涂布膜、染膜、真空热蒸发膜、金属磁控溅射膜。其中,真空磁控溅射膜代表了目前隔热贴膜最高技术,它采用最先进的多腔高速旋转设备,利用电磁场相关原理,将镍、银、钛等金属粒子均匀溅射、沉积在高张力的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)柔性基材上,使用时贴在车厢内挡风玻璃内侧。该产品具有卓越的隔热功能,并具一定的透光率[8-9]。这种技术已被美国的Johnson Window Films、 3M,加拿大的ACE等公司采用,其产品非常成熟,成为世界上解决汽车玻璃隔热问题的首选产品。但该产品仍没有解决可见光透射率及隔热率之间的矛盾。
表1对比了3M公司的两种隔热贴膜的光学性能。从表1可知:一种贴膜,虽然薄膜隔热率很高,但可见光透射率很低,不能用于前风窗玻璃;另一种贴膜,可见光透射率有很大提高,但隔热性较差。
表1 3M公司两种型号隔热贴膜光学性能
产品名称价格 / 元总隔热率/ %透光率/ %紫外线阻隔率/ %黑马王子  1 58056599
璀璨风光  1 680347199
3 透明导电膜
透明导电膜工作的机理是膜层中自由电子的导电性及与电磁辐射的相互作用[10]。根据膜层材料的不同,分为半导体透明导电膜和金属透明导电膜。半导体透明导电膜以氧化铟锡 (indium tin oxides,ITO) 薄膜为代表;金属导电膜以单银基或双银基低辐射 (low emissivity coating,Low-E) 膜为代表[10]:它们都具有高可见光透射率、一定红外光反射率等优良光学性能。相比而言,ITO膜具有更高的可见光透射率,单银基或双银基Low-E膜有更加优异的红外光反射率。与直接贴在玻璃内侧的隔热贴膜不同,透明导电膜常镀制于外侧夹层玻璃与聚乙烯醇缩丁醛 (polyvinyl butyral, PVB) 层接触面的上,如图1所示。
外层玻璃
透明导电膜
PVB夹层
内层玻璃
图1 透明导电膜的位置
3.1 ITO透明导电膜
ITO薄膜是掺杂了锡的导电氧化铟膜,具有极高的可见光透射率和低电阻率,工艺成熟。近30年来,广泛应用在平面液晶显示器 (LCD)、太阳能电池、节能视窗、飞机挡风玻璃上,在汽车挡风玻璃隔热膜中也有一定应用,但尚未成批量生产。
2009年,F. horstmann尝试用高功率脉冲磁控溅射法在3 kV的充电电压下镀制ITO膜,然后在ITO 膜上沉积氮氧化硅薄膜,后将该膜系在650 ℃下热处
透射率曲线。
由图3可见,单银基膜系可见光透射率可达到90%以上,红外光平均反射率高于75%。双银基膜系一般是对单银基膜系在结构上的简单重复,其方块电阻以及辐射率比单银基膜低,红外反射率会急剧上升,转折点无限接近于可见光波段(见图3),平均红外光反射率为95%以上。由于膜层的增多,导致膜系的吸收率增加,因此双银基膜系的可见光透射率比单银膜低,但仍可达到75%以上。从图3中可以看出,双银基低辐射膜是把在红外线范围内得到的最高反射率和在可见光范围内得到的高透射率效果结合在一起的最佳解决方案。
值得注意的是,挡风玻璃在生产过程中要进行650 ℃ 以上热弯处理[14],镀有普通Low-E 膜的玻璃在高温热处理时,Ag 层会发生氧化、凝聚和扩散现象[15],导致Ag 层对红外光的反射率降低,膜层隔热性能消失。
因而采用常规材料设计的Low-E 膜不能用于制备汽车挡风玻璃隔热膜。
近10年,研究者的兴趣已集中于可热弯银基Low-E 膜,对Ag 层的保护成为研究中的难点。目前,比较常用的做法是在Ag 层上下各镀制1~5 nm 厚的金属或金属的不完全氧化物作为保护层[16],保护层的常用材料为NiCr 合金、NiCrO x 、NbO x 。在高温下,保护层能与Ag 形成稳定的化学键,抑制Ag 层高温凝聚。同时能部分或全部的氧化,达到保护银层的目的。
比较有代表性的如Jawier Unquera 等人[17] 的研究,他发明了一种可热处理的低辐射(low emissivity ,
Low-E)膜,该膜系结构为:玻璃—AlN x /ZnSnO x /ZnO/Ag/ZnO:Al/AlN x / ZnSnO x —空气。
该薄膜在650 ℃条件下热处理1 min ,可见光透射率达到88%以上。研究发现:热处理后薄膜的可见光透射率升高,方块电阻减少。Jose Nunez-Regueiro ,Anton Dietrich 等人[18]设计了一种TiO 2夹层的双银低辐射膜,膜系结构为:玻璃—TiO 2/Si 3N 4/ZnO/Ag/NiCrO x  /SnO 2/ Si 3N 4/SnO 2/ZnO/Ag/ NiCrO x / Si 3N 4—空气。
将该膜系在650 ℃高温条件下进行18 min 热处理,发现在第8 min 以后,可见光透射率开始降低,第8 min 最高,透射率达到80.5%,第18 min 最低,为74% ,仍满足要求。
中国学者对可热弯银基膜系进行的研究尚处于起步阶段。只有个别企业实现产业化[19],但都仅限于单银基低辐射膜。2003年,姜燮昌等人[7]基于Twin-Mag 技术溅射沉积TiO x 和Si 3N 4的单银镀层。
膜层如下:玻璃—TiO 2/ZnO/NiCrO x /TiO x /Ag(NiCr)/NiCrO x /
Si 3N 4—空气。
理10 min [11]。实验证明:热处理后,薄膜的可见光透射率提高了,平均透射率为85%;红外光透射率略有降低,平均为58%。ITO 膜热处理前后的透射/反射率曲线如图2所示。
中国的常天海等人[12-13]利用低压磁控溅射,得到镀有ITO 的前挡风玻璃样品,研究了它的光学性能。实验得出:该样品对近红外光反射率低于60%,但可见光透射率达到87.94%。与未镀膜的玻璃相比,镀有ITO 薄膜的玻璃在炎热的夏天能将驾驶室温度降低5 ℃,降低34%的能耗损失[12]。通过控制膜厚和改变ITO 膜组份,还镀制了电阻率较低的ITO 膜,当加热ITO 薄膜时,获得了很好的除霜效果[13]。
3.2 单银基或双银基低辐射膜
单银基或双银基低辐射 (low emissivity ,Low-E)
膜是最常用的金属透明导电膜,被称为阳光控制膜,具有优异的红外光反射率和极高的可见光透射率。低辐射膜发展至今已有20余年历史,工艺成熟,常用在建筑玻璃幕墙上。图3是采用Essential Macleod 软件模拟的单银基、双银基低辐射膜(Low-E 膜)
的反射率、
图2 650 °C、 10 min 热处理前后ITO 膜的透射/反射率
[11]
图3 单银基、双银基低辐射膜的反射率、透射率曲线
该膜系有很好的抗腐蚀性和抗氧化性,膜系能承受700 ℃以上的高温热处理及弯曲处理。
2010年,尚贵才[20]设计了一种新型可烘弯低辐射膜,采用磁控溅射法制备。该膜层能在600 ℃以上高温条件下能热处理5~10 min 而不受影响。膜层构成如下:玻璃—SiO x /SiO x N y /SnO x / Ag/NbO x / TiO x / SiO x N y —空气。
王惠五该膜系经热处理后,可见光透射率为76%,阳光直接透射率为52.6% 。
4 透明隔热涂料膜
近年出现了一种制备节能隔热膜的新方法,即透明隔热涂料法。采用该法制备汽车节能隔热膜工艺较成熟,成本较低,国内在此领域的研究已有突破性进展。该法是将纳米级氧化铟锡(ITO )、氧化锡
锑(ATO )粉体制成均匀分散的浆体,然后加入水性聚氨酯及其它助剂制成涂料,直接涂覆于夹层表面形成薄膜。工艺流程见图4(以ATO 为例)。
研究发现,具有宽能隙的N 型半导体材料如ITO 、ATO 在可见光区有很高的透射率,在红外光区拥有一定的反射率,在可见光区有高的透射率[21],因此也是很好的阳光控制解决方案。
制备透明隔热涂料薄膜最早见于美国及日本专利中,2000年美国凯奇公司用物理气相合成法(PVS )法制备了粒径在11~44 nm 的氧化铟锡粉体,并制得了稳定分散的ITO 浆料[22]。
中国在采用纳米透明隔热涂料解决玻璃隔热问题方面也有重大突破[23-24]。2010年,黎艳丽等人[25]以水性聚氨酯树脂为成膜物,将其与分散良好的纳米ATO 浆体混合,制备了ATO 透明隔热涂料。研究
了ATO 水性浆料中水性聚氨酯体积比、涂膜厚度对透射率的影响。研究发现:当体积比为0.011,厚度为60 μm 时,涂膜可以获得最佳的光学性能,涂膜的可见光透射率高达71.3%,红外光反射率达60.3%。利用隔热装置测试隔热效果,发现在日照条件下驾驶室最大温差可达到4℃。与此同时,魏勇[26]等人采用一种新方法,在涂料中增加纳米二氧化钛浆料,制备出了含有纳米ATO 浆料、纳米二氧化钛浆料和有机—无机杂化树脂的透明隔热涂料。经测定涂膜的可见光透射率为77%,紫外线透射率为8%,太阳能直接透射率为48%。
5 溶胶—凝胶法镀膜
溶胶-凝胶(Sol-gel )镀膜方法是将金属有机化合物溶解于有机溶剂或水中并在室温下以液体膜的形式浸渍于平板玻璃表面,再通过400~500 ℃ 烘烤使其脱水转变成金属氧化物膜。整个镀膜过程包括水解和脱水两个工序。工艺流程如图5所示。
溶胶—凝胶法常被用在高性能离子探测器、有机
图4 ATO 透明隔热涂料的制备方法
图5 浸渍工艺制备sol-gel
膜的示意图
无机杂化材料等方面,该法工艺简单,成本低廉,对环境污染小。近年来,国外科学家开始利用这种技术制备汽车隔热膜,国内采用该方案的学者还较少[27]。
2011年,Z. Nagamedianova 和Ramirez-Gracia等人采用溶胶-凝胶浸渍工艺制备了3层近红外反射膜系[28]。该法最大的特点是可以在单层玻璃上进行镀膜,与以往在夹层玻璃上镀膜有所不同,膜系结构为:玻璃—TiO2/SiO2/TiO2—空气。实验发现:该膜系的可见光透射率高达88%, 300~2 500 nm波长内阳光反射率为30.5%,特别在800~950 nm近红外波段反射率超过60%,对紫外光的透射率不超过35%。可见光透射率与总阳光透射率的比值 (LSG)为1.46,这一数据表明:溶胶—凝胶法制备的玻璃膜能较好地平衡可见光透射和太阳热能阻隔之间的关系。
6 不同制备方法的对比
表2给出了用上述4种方法制成的隔热膜实例的可见光透射率T VIS、红外光透射率T L及太阳能直接透射率T DL的光学性能测量值。
通过表2的对比可见:
表2
采用不同方法制做的隔热膜的光学性能及其优缺点
1)可热弯双银基Low-E膜具有最优良节能隔热性。它既能满足75%以上的可见光透射率,同时又有极高的红外光反射率,综合隔热效果最好。但其膜层数多,工艺复杂。且在热弯过程中,如何保证银膜在不产生氧化、凝聚、氧化现象以及防止不同膜层离子的相互迁移、降低热弯过程中的应力成为研究的难点。
2)隔热贴膜是目前市场上最常用的汽车隔热膜,也是诸多隔热膜中工艺最成熟的,粘贴方便,应用普遍,但难以保证可见光透射性和隔热性能俱佳,未来研究的目标为高可见光透射率,高太阳能阻隔性的贴膜。
3)半导体透明隔热膜(ITO)和透明隔热涂料膜均利用N型半导体对可见光良好的透射性,但其在红外光波段的反射率效果不佳。透明隔热涂料膜生产工艺简单,成本低廉,国内在此领域的研究已有很大进展。
4)溶胶—凝胶法制备汽车节能隔热膜是最近几年新兴的技术,优点在于可在单层玻璃镀膜,这为不使用夹层玻璃作汽车前风窗玻璃的厂商提供了便利。其成本低廉,工艺简单,薄膜耐磨性、耐热性很优良,但红外光波段透射率仍过高,而且溶胶—凝胶法在后期干燥过程中会溢出气体和有机物,造成膜层表面不平整是其缺点。
7 结论
本文回顾了近20年国内外汽车玻璃节能隔热膜的研究方法,并对各种技术的优缺点进行对比。结果表明:
溶胶—凝胶法和透明隔热涂料膜成本低廉,工艺简单,无需经历高温热弯等程序,但仍需进一步提高其红外光反射率;
隔热贴膜是目前工艺最成熟,市场应用最广泛的隔热膜,未来仍需寻高可见光透射率及总隔热率的平衡点,进一步降低其生产成本;
可热弯双银基低辐射膜具有最优异的光学性能,也是汽车隔热膜获得75%以上可见光透射率和90%以上红外光反射率的最佳解决方案。
未来研究的重点是寻性能更佳保护层材料,以减缓或消除Ag层在高温情况下的氧化、凝聚和扩散现象。目前在电极领域上起银膜保护作用的Al、Ti、Al
2
O
3
等保护层材料是研究的重要方向。
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