透明防污隔熱節能塗料-工研院材料與化工研究所
透明防污隔熱節能塗料
文/工研院材料與化工研究所 鍾寶堂、黃元昌、徐雅怡
台灣位處於亞熱帶，住商部門長年以來的耗能總量約佔全國21~23%，僅次於工業部門。夏天的空調用電耗費很高的電力，其中冷凍空調及照明設備即佔其總耗能之60~70%比例。近年來更因核四停建、電費漲價、全球能源資源等話題，使如何提高能源運用效率，並節能減碳成為一個重要的研發項目。隔熱節能塗料能改善建築物的隔熱性能以減低空調用電量，除可節省可觀的空調費用外，更能減緩能源短缺與地球溫室效應的影響。以透明隔熱材料來說明，透明載體的穿透度越低，隔熱效果越好，因為陽光無法穿透進來，自然熱輻射量會減少，但是這樣卻失去透明採光或是植栽需要光進行光合作用等重要功能。因此，本文特別針對可兼顧透明、隔熱、防污，又可以同時隔絕熱輻射並維持高透明的高性能奈米隔熱節能材料做說明，並介紹導入防污技術之透明隔熱塗料之成果。
透明隔熱及其原理
在討論透明隔熱節能塗料時，主要針對熱源為太陽光所產生的熱能，而熱能傳遞的方式包括傳導、輻射、對流（圖一）。以亞熱帶地區來看，室內外溫差較小，熱傳導機制所造成的熱量滲透約在數十瓦範圍，相較於動輒數千瓦的熱輻射，傳導熱所佔比重相對較小。因此，防止陽光輻射熱直接進入室內為透明隔熱節能塗料的優先必須條件。透明隔熱節能塗料的主要功能，係將陽光中之輻射熱阻擋於塗料層，達到降低熱經由輻射方式進入室內的功能。建築物外殼結構主要為窗戶、屋頂、外牆所構成。一般住宅約60%熱能係透過熱輻射方式經由窗戶進入室內；就一般亞熱帶地區的玻璃溫室而言，更有高達80%熱能係透過熱輻射方式經由玻璃外牆進入溫室內。由於一般未經處理的玻璃只能隔絕7%熱能，隔熱性能不佳，導致空調用電消耗量大。因此，如何利用透明隔熱節能塗料來提升透明載體隔絕太陽輻射熱能，同時維持室內人員或植栽需要的可見光穿透率，成為首要課題。
圖一 太陽輻射經由玻璃建材的能量傳遞示意圖
透明隔熱塗料主要功能是維持可見光區透明並隔絕近紅外線光線，目前使用濕式塗佈方式製得成品可分為三類：
(1)有機染料型：以吸收機制為主，通常可吸收特定波長的可見光或紅外線，但吸收波長範圍小，易因長時間陽光照射而褪色失效。
(2)金屬反射型：利用金屬特性同時反射可見光與紅外線，常見為塗佈微米等級大小之鋁片產品，一般來說，透光性低且反光性高。
(3)表面電漿式：藉由透明導電材料的表面電漿特性，阻絕大於電漿波長之紅外線，並維持透明性。
其中，控制材料表面電漿特性能開發出單層高隔熱的材料，因此效能與價格 較有競爭優勢。主要原理是因為電漿波長(Plasma-wavelength)為一般導電材料的特性波長，大於此導電材料電漿波長的入射光將被反射，小於此導電材料電漿波長的入射光可穿透，等於此導電材料電漿波長的入射光會在此波長被吸收。根據導電波長原理，可得知一般導電材料的紅外線阻絕性能與電漿波長所在的位置有關，若可以調控導電材料的電漿波長於近紅外線範圍，略大於可見光最大波長(780~800 nm)，則此導電材料將可同時滿足可見光穿透與紅外線阻絕的隔熱需求。電漿波長隨著載子密度(Carrier Density)的增加而減低，載子密度與導電性或電阻直接相關，因此可藉由量測材料的電阻，對應到電漿波長，瞭解該導電材料個別吸收、穿透與反射入射光的範圍。
本研究利用改變導電材料的電性，達到調控透明導電材料的電漿波長至紅外線與可見光交界(780~800 nm)附近的目的，得到可見光區穿透、紅外線區反射或吸收之具有光譜選擇性的透明隔熱膜材。
量測標準及標章
透明隔熱節能塗料可以經由塗佈加工後，以隔熱膜、隔熱玻璃或複層隔熱玻璃的形式應用於建築玻璃的隔熱上，不但可利用自然採光營造明亮舒適的室內氛圍，亦可節省照明及空調用電，對於節能與降低地球暖化效應亦具有莫大的貢獻。目前對於此類透明隔熱塗料加工之商品，有以下量測標準及標章可供參考：ISO 9050、CNS 12381與綠建材標章。礙於篇幅有限，詳細介紹請參照原文。
工研院發展之透明隔熱與防污節能技術
工研院研究團隊近年來已開發出在800nm波長左右的新型透明隔熱節能塗料，其塗佈於透明基材如玻璃或PET上，經ISO 9050計算可達到可見光透光率在70%以下時，紅外線阻隔率可達94%以上。由於此新型隔熱材料的波長已調整到800 nm左右，與一般透明導電材料（ATO、ITO等）比較，800~1,600 nm的近紅外線阻絕性能大幅提升。
直接以透明隔熱節能塗料塗佈於玻璃上所製作的隔熱玻璃進行光學性能檢測整理於表一與圖二，並與其他技術製作的玻璃比較。在類似可見光穿透率條件下，以本技術開發的隔熱玻璃具有最高紅外線阻隔率。市售雙銀低輻射(D-Low E)隔熱玻璃性能亦不錯，但材料易氧化，需密封成雙層玻璃，且價格高，而一般奈米隔熱塗料隔熱性能不足為最大缺點。以本技術可製作低成本與高性能的隔熱玻璃，且僅需單片玻璃即可使用，極具有市場競爭力。
表一 不同隔熱塗料產品性能比較表
圖二 不同隔熱塗料產品性能光譜比較圖
圖三為不同隔熱塗料產品隔熱升溫測試結果。根據測試時間4小時，溫度逐漸達到穩定平衡後所測得的數據，相較於空白清玻璃的實驗結果，本透明隔熱節能塗料所製作的隔熱玻璃可見光穿透率達72%，仍可降溫達10˚C左右，而一般奈米塗料商品可見光穿透率為69%，降溫也只達6˚C，由此可瞭解此透明隔熱塗料技術之隔熱性能優越。
圖三 不同隔熱塗料產品隔熱測試升溫圖
表二 防污隔熱塗料效能比較
隔熱效能的界定除本身的隔熱能力外，塗層的防污能力亦會影響隔熱效果的展現。塗層一旦沾附污染物，尤其污染物又以深色居多，容易造成可見光與紅外光大量吸收，使得隔熱效能下降。因此，戶外用隔熱塗料必須結合防污功能才能使隔熱效果長時間維持。表二中由工研院開發之防污隔熱塗料，係利用自分層原理，將防污材料添加於隔熱塗料中，在不影響其隔熱效果下，增加其防污效果，其可見光穿透率可維持80%，紅外光反射率可維持在74%。與一般樹脂相比，因為添加隔熱反射顏料會造成可見光穿透度下降，因此可見光穿透度低於一般有機樹脂，但在紅外光的阻隔與防污效果表現上更為優異。與不添加防污材料之工研院隔熱塗料相較，因為配方調整關係，添加隔熱顏料比例較少，因此在紅外光阻隔效果下降，但在可見光穿透率，尤其是防污效果則可明顯提升。
結論
地球暖化與氣候變遷議題讓隔熱塗料受到重視，尤其是透明隔熱塗料不僅能維 持光線進入之明亮感，同時阻隔紅外線光線，避免室內溫度上升。本文針對高性能奈米隔熱節能材料以及ISO、CNS與綠建築標章等規範進行介紹，並提出工研院開發之透明隔熱塗料與透明防污隔熱塗料進行量測與效能比較。結果顯示，兩開發品確實具有優良的隔熱與防污效能，未來將持續推動應用於國內節能與塗料產業。
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