0 引言
汽车已成为人们日常生活中不可缺少的交通工具。为了实现好的采光，汽车制造中使用了大量的玻璃，尤其是前风挡，更是全部由大面积玻璃制作而成，以便为驾驶员提供良好的视线，确保行车安全。在轿车、跑车、巴士、公共汽车等车辆中，玻璃车窗的面积更是占到了整辆车表面积的三分之一以上中国机械网okmao.com。
玻璃车窗的大量应用给人们带来明亮的车内空间，但也使人们承受热辐射之苦，尤其在夏天。其不但造成车内温度升高，车用空调能耗增加，还造成车辆乘员皮肤灼伤，车内饰件损害。因此汽车玻璃的功能化已成为发展趋势之一，研究机构和生产厂家花费大量人力物力进行研究，开发具有一定功能的汽车玻璃。
目前，对于汽车玻璃在遮挡太阳热辐射方面，一般采用在玻璃风挡上贴隔热膜的方法。现有隔热贴膜主要有3 类，即染色膜、普通金属膜和光谱膜。其中染色膜是将颜色混合在聚酯片内或涂在聚酯片表面上，该膜价格低廉，但隔热效果有限，耐老化性也不佳。
普通金属膜通过光反射来实现隔热，但该膜反光性“太强”，会造成光污染，影响司机对路况的判断，还会让手机、GPS 等无线电信号减弱，从而造成安全隐患。
光谱膜是采用磁控溅射在PET 塑料薄膜上沉积5 ～ 9 层贵金属制备而成，清晰度高，隔热性能优异，但制备工艺复杂、价格昂贵。大多数隔热贴膜颜色较深，只适用于汽车侧挡和后风挡玻璃，不适合于汽车前风挡玻璃，从而削弱了整车的隔热效果。近年来，玻璃用透明隔热涂料得到了快速发展［1 － 3］，该涂料经喷涂、刮涂后干燥成膜，透明性好，为解决汽车风挡玻璃隔热提供了新的途径。
如中国专利200510123067. 5 报道了一种纳米透明隔热功能涂料，该涂料由聚氨酯树脂和纳米氧化物粉体等组成。我们也采用一些纳米粉体和有机－ 无机杂化树脂制备了性能优异的汽车用透明隔热涂料，取得了显著的隔热降温效果。
1 实验部分
1. 1 原料
纳米氧化锑锡( ATO) 、纳米二氧化钛、有机硅树脂、硅溶胶、异丙醇、润湿剂、分散剂、消泡剂、流平剂。
1. 2 纳米ATO 浆料的制备
将异丙醇、润湿剂、分散剂和氧化锆陶瓷珠置于砂磨机中，分散均匀后，加入纳米ATO 粉体，在3 000 r /min转速下研磨36 h 得到ATO 浆料，平均粒径在95 nm 左右。
1. 3 纳米二氧化钛浆料的制备
将异丙醇、润湿剂、分散剂和氧化锆陶瓷珠置于砂磨机中，分散均匀后，加入纳米二氧化钛在3 000 r /min转速下研磨24 h 得到纳米二氧化钛浆料，平均粒径在84 nm 左右。
1. 4 透明隔热涂料的制备
将基材润湿剂、消泡剂、流平剂依次加入固含量为30% 的有机硅树脂中搅拌均匀，以上配好的有机硅树脂缓慢地滴加入硅溶胶［m( 硅树脂) ∶ m( 硅溶胶) = 1∶ 1. 1］中，滴加完后仍保持500 r /min的转速熟化4 h，然后加入一定量的纳米二氧化钛和纳米ATO 浆料，搅拌均匀得到透明隔热涂料，涂料的固含量控制在30%左右。
1. 5 透明隔热涂料的性能检测
动态激光散射法( DLS) 粒径分析: 粒径分析使用BeckmanCoulter N4 plus，将分散好的浆料用异丙醇稀释，采用附带的粒径大小分布模型软件计算粒径和粒径分布。可见－ 近红外光谱( Vis － NIR) : Vis － NIR 光谱在VarianCary500 紫外可见近红外分光光度计上运行，波长从400 ～2 500 nm，将涂层制备在玻璃板上，检测其光学性能。涂膜的其他性能按照相关国家标准检测。
1. 6 透明隔热涂料在汽车上的应用
将制备好的透明隔热涂料采用淋涂的方法涂在未安装的大巴汽车的玻璃( 包括前挡玻璃) 上， 130 ℃下烘烤30 min。涂装后的汽车隔热效果与同型号车辆在相同的太阳光曝晒环境下进行对比测试。
2 结果与讨论
2. 1 纳米ATO 浆料的制备
选择合适的润湿剂、分散剂对于浆料的制备及透明隔热涂料的制备非常关键，这主要是不仅要求润湿剂、分散剂在异丙醇中对纳米粉体有好的润湿和分散功能，保证浆料足够的稳定性，而且要求在制备涂料的过程中也能保持稳定，更重要的是涂料在成膜过程中，随着溶剂的挥发，仍能保持纳米分散状态，这样才能保证漆膜的透明性。
润湿剂相对分子质量较小，在研磨过程中，能迅速吸附在ATO 的新增表面，初步稳定分散的ATO 粉体，缩短分散时间。分散剂则通过静电和空间位阻作用稳定分散好的纳米浆料。经过大量实验筛选，润湿剂、分散剂的比例为1∶ 4时制备的ATO 浆料稳定性最佳。图1是纳米ATO 的粒径与研磨时间的关系。
由图1 可知，ATO 在最初研磨阶段粒径下降速度比较快，研磨10 h 后，ATO 粒径达到170 nm，其后粒径下降速度减慢，需要花费大量的研磨时间才能达到要求。研磨36 h 浆料粒径已低于100 nm，符合使用要求。
图2 是纳米ATO 在异丙醇浆料中的粒径分布。
从图2 可以看到，ATO 平均粒径为95 nm，最大粒径在300 nm左右。浆料的固含量30%，经9 000 r /min离心15 min，几乎无明显沉淀，同时50 ℃热贮存30 d，浆料无明显变化，表明浆料有较长的贮存期。
2. 2 纳米二氧化钛浆料的制备
纳米二氧化钛与纳米ATO 均属于金属氧化物，用于分散纳米ATO 的润湿剂、分散剂同样适用于分散纳米二氧化钛。经过大量实验，润湿剂、分散剂的比例为1∶ 6时制备的纳米二氧化钛异丙醇浆料稳定性最佳。图3 是纳米二氧化钛的粒径与研磨时间的关系。
图3 纳米二氧化钛的粒径与研磨时间的关系
与纳米ATO 相比，纳米二氧化钛比较容易分散，在初始研磨阶段纳米二氧化钛的粒径迅速下降，研磨6 h 后，二氧化钛粒径达到175 nm，研磨24 h 后浆料平均粒径小于100 nm。通过实验筛选，得到了固含量30%，粒径低于100 nm 的纳米二氧化钛异丙醇浆料。
图4 是纳米二氧化钛在浆料中的粒径分布。
由图4 可知，其平均粒径为84 nm。纳米浆料经9 000 r /min离心15 min，无明显沉淀，同时50 ℃热贮存30 d，浆料无明显变化，可以表明浆料有较长的贮存期。
2. 3 透明隔热涂料的制备
考虑到汽车玻璃应用的实际需要，涂料的成膜物质选用有机－ 无机杂化树脂体系，该体系曾用于陶瓷不粘锅的涂层体系。该树脂主要成分为硅溶胶与有机硅树脂，固化成膜后的涂层以高度交联的硅氧无机结构为主，因此具有很好的耐水性、高硬度、耐刮伤，同时漆膜也具有超强的耐老化性、耐有机溶剂等性能，该成膜物质由纳米硅溶胶( 固含量为30%) 和有机硅树脂( 异丙醇溶剂，固含量30%) 组成。
经过实验，确定硅溶胶与硅树脂的比例为1. 1∶ 1时，涂膜具有最佳的性能，硬度达到6H，附着力0 级。另外在整个涂料配方中除了加入一定量的功能纳米浆料，还加入适量基材润湿剂、消泡剂、流平剂，使涂料在涂装时能在玻璃上迅速润湿和流平，抑制气泡的生成，确保涂膜的外观和光学性能。
2. 4 透明隔热涂料的可见－ 近红外透射光谱
将纳米ATO 浆料、纳米二氧化钛浆料与有机－ 无机杂化树脂按一定比例混合，可以制备出具有很好红外阻隔的隔热透明涂料。图5 是该透明隔热涂料在玻璃上涂膜的可见－ 近红外透射光谱。
图5 透明隔热涂料的可见－ 近红外透射光谱
该涂膜在可见光区( 380 ～ 780 nm) 具有很好的透过率，而在紫外和近红外光区具有很高的阻隔性能。经测试，涂膜的可见光透射比77%，紫外线透射比8%，太阳能直接透射比44%。表1 是一些著名品牌的汽车隔热膜和透明隔热涂料的光学性能的比较。
表1 著名品牌汽车隔热膜和透明隔热涂料的光学性能比较
从表1 可看出，透明隔热涂料的紫外线阻隔率略低于汽车隔热膜，汽车隔热膜的紫外阻隔率达95%左右，透明隔热涂料的紫外阻隔率在92% 左右，这主要是一般汽车隔热膜采用有机的紫外吸收剂，其紫外阻隔效率高，但这种紫外阻隔剂长时间使用后会分解，紫外阻隔效率大大下降，而透明隔热涂料采用特殊掺杂的纳米二氧化钛作为紫外吸收剂，它是无机粉体，性能十分稳定，具有长效阻隔效果，另外紫外阻隔率达到90%以上，对汽车内饰件已起到很好的保护作用。
汽车隔热膜( 1) 和透明隔热涂料相比，太阳能透射比相近，但透明隔热涂料在可见光的透光率远远高于其隔热膜。汽车隔热膜( 2)可以用于汽车前挡的隔热膜，可见光的透光率达到70%，但其太阳能透射比远高于透明隔热涂料，隔热效果不佳。因此，透明隔热涂料在不降低可见光透光率的前提下，具有很好的隔热效果，显示出其优异的光学性能。
2. 5 透明隔热涂料的性能
透明隔热涂膜的性能见表2。
表2 透明隔热涂料的涂膜性能
从表2 可看出，由于采用有机－ 无机杂化树脂体系作为成膜物质，涂层的附着力和硬度得到较大提高。透明隔热涂料的成膜物质主要成分是硅树脂和硅溶胶，本身具有极高的耐候性，涂料中的粉体采用纳米二氧化钛和纳米ATO 无机粉体，不易分解，因此涂层的使用寿命也大大提高。
2. 6 透明隔热涂料在汽车上应用效果
客车玻璃涂装透明隔热玻璃涂料，在自然条件下养护2周，进行隔热性能测试，并与同样的未涂装隔热涂料的汽车( 空白样) 进行对比。当日气温温度为19 ～ 30 ℃，检测仪器采用ZDR － 21J 高精度温度记录仪，实时记录温度的变化。
2. 6. 1 车内温度的比较
( A) 2 辆客车同时驶出室外，进行车内温度的比较。将温度记录仪探头置于方向盘下方阳光不能直射到的部位，记录温度变化情况，结果见图6。
图6 车内非阳光直射处温度随时间的变化
由图6 可见，2车经室外曝晒1. 5 h 后，车内温度基本平衡，有隔热涂层的汽车仪表盘下方温度较空白样的低4 ℃。
( B) 将温度记录仪探头置于仪表盘上方阳光可以直射到的部位，记录温度变化情况，结果见图7。
图7 车内阳光直射处温度随时间的变化
由图7 可见，有隔热涂层的汽车仪表盘上方阳光直射部位温度比空白样低7 ℃。
2. 6. 2 空调开启和关闭情况比较
( A) 2 部车同时以相同功率开启车用空调，记录温度变化情况，结果见图8。
图8 空调开启车内温度随时间的变化
由图8 可见，经12 min 后有隔热涂层的汽车在29. 5 ℃达到平衡温度，而空白样经过27 min 达到平衡，且平衡温度为33 ℃，两者最终平衡温度相差4. 5 ℃。
( B) 2 部车同时关闭空调，记录温度变化情况，结果见图9。
图9 空调关闭车内温度随时间的变化
由图9 可见，关闭空调后，空白样在20 min 接近平衡温度，而有隔热涂层的汽车经过35 min 达到平衡，两者最终平衡温度相差4. 4 ℃。
从上面的测试结果可看出透明隔热玻璃涂料能有效减少太阳辐射热，大大降低车内温度，提高了驾乘人员的舒适性。根据空调的设定温度与能耗的一般关系来看，设定的制冷温度每提高2 ℃，制冷负荷将减少约20%。因此，可以推算涂有透明隔热涂料的汽车其空调制冷负荷减少40% 以上，节能效果明显。
3 结语
本文采用高硬度、高耐候的有机－ 无机杂化树脂作为成膜物质，同时制备了纳米二氧化钛和纳米ATO 异丙醇浆料，将这些浆料与有机－ 无机杂化树脂进行复配，制备出具有优异的紫外阻隔和近红外阻隔性能的透明隔热涂料，并成功地应用于汽车玻璃，取得了很好的隔热节能效果。
透明隔热涂料的制备及其在汽车上应用
顾广新2，章道彪1，范军锋1，魏勇2，武新民2
( 1． 上汽集团新能源事业部，上海200041; 2． 上海复甲新型材料科技有限公司，上海201802)