[发明专利]一种铝掺杂氧化锌纳米粒子温敏材料涂层、制备方法及其应用

说明书

一种铝掺杂氧化锌(AZO)纳米粒子温敏材料涂层、制备方法及其应用，属于纳米材料与应用技术领域。本发明所述的方法包括四个步骤，分别为功能AZO纳米粒子的制备、涂料的制备、涂层的制备及温敏涂层的表征。本发明将AZO纳米粒子粉体在特定的有机高分子溶剂中进行分散，通过把AZO纳米粒子稳定地分散在水性或油性溶液中，再与树脂配置成具有节能环保、光学及温敏特性的多功能涂料，成功地解决了AZO纳米粒子作为窗口涂层材料的稳定性的问题。当铝的摩尔掺杂量为3％时具有最佳的载流子密度，且AZO纳米粒子温敏材料的粒子直径在10～150nm时具有相似的性质，都可以在可见光区具有高的透过率，同时在红外光区随着温度的变化而选择性地阻隔和透过红外光。

技术领域

本发明属于纳米材料与应用技术领域，具体涉及一种铝掺杂氧化锌(AZO)纳米粒子温敏材料涂层、制备方法及其应用，应用该涂层的玻璃窗口可以根据环境温度智能地调控红外光的阻隔或透过。

背景技术

我国是世界能源消耗大国，其中，建筑能耗占全国总能耗的20％～25％，并逐渐增加到30％。门窗作为建筑物的主体，面积约占总建筑面积的20％～30％，但其能源损失比重却达到51％。为适应节能需求，建筑节能尤其是门窗的节能必须得到人民及政府的重视，而占门窗总面积的70％以上的玻璃更应如此。大体上来说，有两种方法可以提高建筑门窗玻璃的节能：一种是通过减少玻璃面积来降低能源消耗，但这种方法会对房间的采光及美观造成一定的破坏；一种是通过提高玻璃自身的隔热效果来达到节能的目的，这一方法比较适合当今发展趋势。为了解决大面积玻璃造成的能量损失问题，人们运用新技术，将普通玻璃加工成真空玻璃、低辐射玻璃和贴膜玻璃。这些玻璃都具有一定的隔热保温效果，但都不具备能够根据环境温度变化来选择性阻隔或透过光辐射，从而实现智能温度调控的理想效果。

太阳辐射的能量主要集中在波长为0.2～2.5μm的光谱范围内，具体能量分布如下：紫外光区波长为0.2～0.4μm，占总能量的5％；可见光区波长为0.4～0.72μm，占总能量的45％；近红外光区波长为0.72～2.5μm，占总能量的50％。由此可见，太阳光谱中的能量绝大部分分布在可见光和近红外光区，其中近红外光区就占了一半的能量。近红外光对应于红外光中波长较短的一部分。此外，红外光还包含中红外光和远红外光。红外光对视觉效果没有贡献，但是如果在室内温度较高时，我们将太阳辐射的红外光进行有效的阻隔防止室温继续升高；当室内温度较低时，我们将太阳辐射的红外光进行有效的利用来提高室内的温度；这样就能起到很好的根据温度的变化来调控室内温度的效果而不影响玻璃的透明性。为此，我们需要制备一种能够根据温度变化选择性阻隔或透过红外光又能使可见光透过的物质。

半导体纳米粒子具有独特的光学性质。这种性质主要表现在对光的选择性阻隔或透过方面。已有的研究表明：半导体纳米粒子阻隔紫外光、透过可见光，对红外光也有一定的阻隔能力。半导体纳米粒子对红外光的阻隔能力是通过内部载流子对红外光的吸收，即等离激元共振(SPR)特性来实现的。当半导体纳米粒子内含有一定浓度的电子(空穴)，即载流子时，就会引起载流子对入射光的SPR吸收，吸收系数α可以用式(1)计算：

式中：N—介质折射率；ε₀—真空电容率；m*—电子(空穴)有效质量；μ—导磁率；λ—入射光波长；n—电子(空穴)的浓度。

对于某一特定的环境而言，N、ε₀、m*、μ均为定值，由此可见，吸收系数与入射光的波长的平方以及载流子的浓度成正比。当电子(空穴)浓度n≥10¹⁷cm^-3时，主要的吸收区在红外波段。需要指出的是，在入射光波长不变的情况下，吸收系数α仅与载流子的浓度成正比。

从上式可以看出，对红外光的阻隔(即吸收)功能来讲，载流子的浓度应有最佳范围。必须制备具有合适范围载流子浓度的半导体纳米粒子，才能保证在可见光区具有高的透过率，同时在接近可见光区的红外光区呈现强的SPR吸收，即阻隔。