TWI411531B

TWI411531B - 隔熱布膜結構及其製造方法

Info

Publication number: TWI411531B
Application number: TW99145177A
Authority: TW
Inventors: Huang Shian Tsai; Yi Ru Chen; Ching Tang Huang
Original assignee: Taiwan Textile Res Inst
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2013-10-11
Also published as: TW201226183A

Description

隔熱布膜結構及其製造方法

本發明揭示一種隔熱布膜，其特徵在於包含一由含有氣凝膠物質之聚合物樹脂所構成的隔熱樹脂層及一由含有金屬氧化物及中空玻璃球之聚合物樹脂所構成的反射樹脂層；及揭示一種製造上述隔熱布膜之方法。

一般，材料阻絕熱源之方式有遮蔽法及反射法，遮蔽會使熱殘留於表面而使材料表面的溫度升高，解決方法是利用將熱反射回到大氣環境中，而達到阻絕熱源之效果。

當太陽光照射在基材表面上，會將多數的光線反射到大氣層，而未被反射之光線會穿透基材表面(第一層)及進入隔熱樹脂層(第二層)。已知，若隔熱樹脂層的熱傳導係數太低，則進入隔熱樹脂層之熱能無法完全傳遞至下一層(第三層)，造成熱能無法傳遞到第三層而在第一層發生累積情況，因此，當第一層的溫度大於外部環境的溫度時，熱能開始往外部傳遞，因而發生輻射現象。

先前技術中，美國專利第4,770,927號專利案揭露一種具有低模量(modulus)的剛性(stiffness)與耐化學性之強化氟高分子複合物(Reinforced fluoropolymer composite)，包含一塗覆母質(matrix)的基材，包含：(a)一氟聚合物之基層(initial layer)，及(b)氟彈性體之保護層(overcoat layer)。

美國專利第5,230,937號專利案揭露一種撓性、抗腐蝕的織物複合物，包含：第一與第二撓性織物基材，及一層積於該第一與第二基材之間的熔融加工性氟塑膠膜。美國專利第5,421,450號專利案揭露一種耐熱的層壓輸送帶，包含一強化層及一耐磨層，其中各層底布係由耐熱纖維布浸漬氟塑膠而成。

上述專利案中係使用隔熱性織物以樹脂浸漬進行加工複合，並未揭露隔熱塗層結構之設計。

中華民國公開專利申請案第200827420號揭示一種雙層隔熱塗層之結構，包括在一基材上形成一多孔絕熱層與一反射隔熱樹脂層，其中，該多孔性絕熱層含有氣凝膠粉體、分散液、黏結劑及樹脂，該反射隔熱樹脂層含有中空填充物、粉體填充物、分散液及樹脂，及該反射隔熱樹脂層係利用高壓噴塗於多孔性絕熱層上。該前案係使用金屬為基材及採用採用高壓噴塗方式在多孔絕熱層上形成反射隔熱樹脂層，並未揭示使用織物基材及採用直接塗佈加工方式形成各層。

中華民國公開專利申請案第201018715號揭示一種隔熱塗料，其在具光反射功能之材料中添加了中空微球、矽凝膠以改善隔熱效果。該前案並未使用氟碳樹脂，且無整體層結構之設計，再者，在該前案的材料中添加了擴孔劑，往往會因為過多的孔洞而破壞材料的機械強度。

中華民國專利案第I265186號揭示一種高溫隔熱塗料，其塗佈於一基材上形成一高溫隔熱樹脂層，包含高分子基層、氧化鋁氣凝膠及中空微球。前案主要在於高溫耐燃性以及熱尺寸穩定性。

中華民國專利案第I318999號揭示一種隔熱塗料，其塗佈於一基材上形成一隔熱樹脂層，包含高分子基層、有機/無機混成凝膠、氣凝膠。前案利用二氧化碳超臨界乾燥法形成乾燥的有機/無機混成填充物。

中華民國公開專利申請案第200948617號揭示一種透明隔熱多層結構，包括一透明基材、第一透明阻熱層、第二透明阻熱層。前案使用氧化銻錫(ATO)等作為透明阻熱層，會產生環境污染之問題，且前案未氟碳樹脂。

上述先前技術並未揭示利用包含反射樹脂層、隔熱樹脂層與氟碳樹脂層之多層結構布膜設計，以解決材料經常曝露在陽光下的隔熱問題。

因此，本發明提出一種多層結構之隔熱布膜設計，可兼具有優異的複合強度及隔熱效果，同時可以避免材料因為長期曝露下而發生材料破壞之問題。

本案之一目的在於提供一種隔熱布膜，包含：(a)一基層，由氟碳樹脂所構成；及(b)一表面塗層，包含：(b-1)一隔熱樹脂層，作為第一表面塗層，位於該基層上，其中該隔熱樹脂層由一聚合物樹脂所構成，且該樹脂包含一氣凝膠物質；及(b-2)一反射樹脂層，作為第二表面塗層，位於該隔熱樹脂層上，其中該反射樹脂層由一聚合物樹脂所構成，且該樹脂包含一金屬氧化物及一中空玻璃球。

本發明之另一目的在於提供一種製造隔熱布膜之方法，步驟包含：i)提供一氟碳樹脂浸漬液；ii)取一玻璃纖維布浸漬於該氟碳樹脂浸漬液中，以在該玻璃纖維布之表面形成一氟碳樹脂基層；iii)提供一隔熱樹脂塗層溶液，該溶液包含一氣凝膠，將該隔熱樹脂塗層溶液塗佈於該氟碳樹脂基層上，以形成一隔熱樹脂層；iv)提供一反射樹脂塗層溶液，該溶液包含一金屬氧化物及一中空玻璃球，將該反射樹脂塗層溶液塗佈於該隔熱樹脂層上，以形成一反射樹脂層。

本發明之隔熱布膜包含(a)一基層，由氟碳樹脂所構成，該基層包含一由玻璃纖維布所構成的中間層，其中該玻璃纖維布係經過加捻後織造之玻璃纖維布，紗徑大小為小於或等於6微米，玻璃纖維布的厚度為0.1至0.4毫米，較佳為0.3毫米。

根據本發明之一具體例，該玻璃纖維布作為中間層，在其表面上浸漬塗佈氟碳樹脂溶液，以形成一氟碳樹脂基層，前述浸漬溶液較佳為具有固成分大於50%的氟碳樹脂溶液，更佳為具有固成分大於60%的氟碳樹脂水溶液。

本發明中，前述氟碳樹脂層的厚度為0.05至0.3毫米，較佳為0.05毫米。

氟碳樹脂可選自包含聚四氟乙烯樹脂(PTFE)、四氟乙烯與全氟烷基乙烯基醚的共聚物(PFA)、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物(FEP)、四氟乙烯與乙烯共聚物(ETFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)及聚三氟氯乙烯(PCTFE)之群組。

根據本發明，在(a)基層上塗佈(b)一表面塗層，其中該表面塗層包含(b-1)一隔熱樹脂層及(b-2)一反射樹脂層。根據本發明之一具體實施，(b-1)隔熱樹脂層係位於(a)基層上，及(b-2)反射樹脂層係位於(b-1)隔熱樹脂層上。

(b-1)隔熱樹脂層係由一聚合物樹脂所構成，且該樹脂包含一氣凝膠物質。前述隔熱樹脂層之厚度為0.1至0.5毫米，較佳為0.15毫米。

本發明中，聚合物樹脂選自包含氟碳樹脂、丙烯酸系樹脂及聚氯乙烯樹脂之組群，較佳為氟碳樹脂，選自包含聚四氟乙烯樹脂(PTFE)、四氟乙烯與全氟烷基乙烯基醚的共聚物(PFA)、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物(FEP)、四氟乙烯與乙烯共聚物(ETFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)及聚三氟氯乙烯(PCTFE)之群組。

根據本發明之一具體實施，該聚合樹脂較佳為固成分大於50%的氟碳樹脂溶液，更佳為具有固成分大於60%的氟碳樹脂乙酸乙酯溶液。

氣凝膠係可選自常溫常壓下合成的氣凝膠。氣凝膠較佳為矽氣凝膠。

以100重量份氟碳樹脂為基準，氣凝膠的比例為8至50重量份，較佳為10至30重量份。

較佳地，(b-1)隔熱樹脂層之聚合物樹脂另外添加一中空玻璃球，該中空玻璃球之球徑範圍為120奈米至550奈米，較佳約350奈米，及該中空玻璃球的孔徑範圍為40奈米至350奈米，較佳為約320奈米。

以100重量份氟碳樹脂為基準，中空玻璃球的比例為8至25重量份，較佳為10至20重量份。

(b-2)反射樹脂層係為另一層隔熱層，由一聚合物樹脂所構成，且該樹脂包含一金屬氧化物及一中空玻璃球。該反射樹脂層之厚度為0.05至0.4毫米，較佳為0.05毫米。

本發明中，聚合物樹脂選自包含氟碳樹脂、丙烯酸系樹脂及聚氯乙烯樹脂之組群，較佳為氟碳樹脂選自包含聚四氟乙烯樹脂(PTFE)、四氟乙烯與全氟烷基乙烯基醚的共聚物(PFA)、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物(FEP)、四氟乙烯與乙烯共聚物(ETFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)及聚三氟氯乙烯(PCTFE)之群組。

根據本發明之一具體實施，該聚合樹脂較佳為固成分大於50%的氟碳樹脂溶液，更佳為具有固成分大於60%的氟碳樹脂乙酸乙酯溶液或水溶液。

金屬氧化物選自包含鈦氧化物、鋯氧化物、錫氧化物、鋅氧化物及錳氧化物之組群。該金屬氧化物的粒徑為小於100奈米，較佳為小於40奈米。

以100重量份氟碳樹脂為基準，金屬氧化物的比例為8至50重量份，較佳為15至25重量份。

中空玻璃球之球徑範圍為120奈米至550奈米，較佳約350奈米，及該中空玻璃球的孔徑範圍為40奈米至350奈米，較佳為約320奈米。

以100重量份氟碳樹脂為基準，中空玻璃球的比例為5至35重量份，較佳為8至25重量份。

本發明之反射樹脂層選擇地可另外添加安定劑及/或抗UV劑等添加劑，該添加劑之比例為1至25重量份，較佳為5至25重量份，以100重量份的聚合物物為基準。

抗UV劑為選自苯三唑類(Benzotriazole type)或苯酮類(Benzophnon Type)。

於本發明中，參照第1圖，隔熱布膜(1)包含：一氟碳樹脂基層(21)，一隔熱樹脂層(31)，及一反射樹脂層(41)。根據本發明之一具體例，隔熱樹脂層與反射樹脂層係由氟碳樹脂所構成，更佳為聚四氟乙烯樹脂，其中該隔熱樹脂層(31)包含矽氣凝膠(31a)及中空玻璃球(31b)，反射樹脂層(41)包含金屬氧化物(41a)與中空玻璃球(41b)。

根據本發明之一較佳具體例，參照第2圖，氟碳樹脂基層(21)包含一中間層(51)，其中氟碳樹脂係浸漬形成於該中間層(51)之表面，該中間層為一玻璃纖維布，在該玻璃纖維布表面分浸漬形成頂表面氟碳樹脂基層(211)與底部氟碳樹脂基層(212)。在頂表面的氟碳樹脂(211)上塗佈形成隔熱樹脂層(31)，及在該隔熱樹脂層(31)表面上塗佈形成一反射樹脂層(41)。

本發明之隔熱布膜的總厚度範圍為至少0.35毫米，較佳範圍為0.35至2.0毫米，更佳為0.6至1.9毫米。

於本發明中，可利用浸漬、塗佈方法製得一多層結構隔熱布膜。

根據本發明之製造隔熱布膜之方法，其步驟包含：

i)提供一氟碳樹脂浸漬液；

ii)取一玻璃纖維布浸漬於該氟碳樹脂浸漬液中，使該玻璃纖維膜的表面上均勻浸漬塗佈氟碳樹脂浸漬液，以在該玻璃纖維布之表面形成一氟碳樹脂基層，其包含頂面的氟碳樹脂基層與底面的氟碳樹脂基層。其中，該玻璃纖維布係作為中間層，及該氟碳樹脂基層係作為保護層；

iii)提供一隔熱樹脂塗層溶液，該溶液包含一氣凝膠，選擇地另添加一中空玻璃球，將該隔熱樹脂塗層溶液塗佈於該氟碳樹脂基層上，以在該頂面的氟碳樹脂基層的表面上形成一隔熱樹脂層；

iv)提供一反射樹脂塗層溶液，該溶液包含一金屬氧化物及一中空玻璃球，將該反射樹脂塗層溶液塗佈於該隔熱樹脂層上，以在該隔熱樹脂層表面上形成一反射樹脂層。依此，最後製得一具有隔熱效果之多層結構布膜。

根據本發明之一具體例，如第3圖所示製造隔熱布膜之方法，包含：步驟S1：提供一玻璃纖維布；步驟S2：前處理該玻璃纖維布，以熱水清洗乾淨；步驟S3：將該經過前處理的玻璃纖維布浸漬於一氟碳樹脂浸漬液中，使均勻浸漬塗佈在玻璃纖維布的表面形成一氟碳樹脂基層，較佳地，該氟碳樹脂基層包含形成於該玻璃纖維布頂表面的氟碳樹脂基層與形成於底表面之氟碳樹脂基層；步驟S-a：提供一包含氣凝膠中空玻璃球之隔熱樹脂溶液；步驟S4：將該隔熱樹脂溶液塗佈於上述步驟S3所形成的氟碳樹脂基層表面上，以在該氟碳樹脂基層上形成一隔熱樹脂層，較佳地，在位於玻璃纖維布頂表面上的氟碳樹脂基層之表面塗佈形成一隔熱樹脂層；步驟S-b：提供一包含金屬氧化物與中空玻璃球之反射樹脂溶液；及步驟S5：將該反射樹脂溶液塗佈於該隔熱樹脂層表面上，以形成一頂層反射樹脂層。

依上述步驟，最後可製得一具有多層功能結構之布膜，該布膜除了具有優異的複合強度與耐候性之特性外，可同時具有反射或輻射熱與隔熱之效果，在經陽光或紫外光照射後，熱源在反射樹脂層被反射回大氣環境，而未反射的熱源進入隔熱樹脂層中會被阻擋及輻射回到大氣環境，因而有降低熱傳導係數及隔熱之效果。藉此，可以保護材料及降低表面溫度。

根據本發明，藉由玻璃纖維層、氟碳樹脂層及具氟碳高分子之高反射及高輻射層之多層結構設計，結合浸漬、塗佈或貼合之加工方式，透過反射、散射、高輻射及阻隔熱傳，可使多層結構布膜展現優異的複合強度、耐候性及隔熱特性。

本發明之隔熱布膜可應用於各種用途，包括：結構布膜、耐候性布膜、機能性布膜、塗佈貼合織物等。

以下將藉由具體實施例說明本發明，惟不限制本發明。實施例中，各組成比例係以重量份計，除非另有指明。

[實施例] I)試驗設備及評估方式 1)耐候性測試

依照ISO 4892-2方法，樣品經光照時間分別為0小時、500小時及1000小時，測得的拉伸強度之經向強度與緯向強度，進行評估耐候性。

2)近紅外光/UV-Vis光譜分析

儀器：原廠HITACHI，型號：U-4100 Solid sample measurement system。

分析方法：在不同波長光源範圍量測材料之遮蔽率、吸收率及反射率。

(2-1)利用UV檢測

波長範圍為280至400 nm，對布膜進行穿透率/吸收率的量測。

(2-2)NIR檢測

波長範圍為724至2500 nm，對布膜進行穿透率/吸收率的量測。

3)隔熱測試 (3-1)開放系統測試

於實驗桌台上上放置一個模擬密閉箱(密閉箱大小為30公分x22公分x62公分)。將一布膜樣品(長寬厚度為350毫米x250毫米x0.6毫米)置於模擬密閉箱上，並在樣品上方固定位置裝設一鹵素燈(500W)作為穩定熱源。

於樣品表面及距離密閉箱頂部約10公分的固定位置放置溫度偵測裝置。

開啟鹵素燈照射樣品表面，測量於樣品兩側之溫度，樣品對外表面側溫度表示為T1_(O) ，樣品對模擬密閉箱內側溫度為T2_(O) ，直到穩定，並計算兩側之溫度差。

(3-2)密閉系統測試

於加熱面板上放置兩個上下疊放的模擬密閉箱(密閉箱大小為30公分x22公分x62公分)。將一布膜樣品(長寬厚度為350毫米x 250毫米x 6毫米)置於上方密閉箱之底部中央，亦即接近於兩模擬密閉箱的中間位置，於兩模擬密閉箱中對等位置分別放置溫度偵測裝置。

將加熱面板的溫度設定為180℃，測量於樣品兩側之溫度，上方模擬密閉箱中的樣品對外表面側溫度表示為T1_(C) ，下方模擬密閉箱內側溫度為T2_(C) ，直到穩定，並計算兩側之溫度差。

II)各膜層的組成配方之製備 1)氟碳樹脂基層之浸漬塗層配方

配製具有60%固成分之聚四氟乙烯(PTFE)樹脂的水性分散液，作為浸漬液A。

2)隔熱樹脂層之塗層配方

於100重量份之聚四氟乙烯樹脂分散液(固成分60%，乙酸乙酯溶液)中添加15重量份矽氣凝膠與10重量份中空玻璃球(球徑約350奈米，孔徑約320奈米)，以製得隔熱塗層溶液B。

3)高反射/高輻射塗層配方

如表1所示組成比例，配製高反射/高輻射塗層溶液N，表中各組成比例係以100重量份(phr)聚四氟乙烯樹脂分散液(固成分60%，乙酸乙酯溶液)為基準，抗UV劑為苯三唑，)，中空玻璃球的球徑為350奈米。

實例1

依下述步驟，製備一多層結構的隔熱布膜。

參照第2圖，取一厚度為0.3毫米之玻璃纖維布(51)，以熱水清洗進行前處理。

將該經過前處理之玻璃纖維布(51)浸漬於氟碳樹脂浸漬液A中，使該浸漬液A均勻塗佈在該玻璃纖維布表面上，經乾燥後，在該玻璃纖維布之頂表面與底表面分別形成一位於頂面的聚四氟乙烯樹脂塗層(211)與一位於底面的聚四氟乙烯樹脂塗層(212)，作為保護層，其中該等聚四氟乙烯樹脂塗層之厚度為0.05毫米。

接著，在頂面的聚四氟乙烯樹脂塗層(211)的表面塗佈一隔熱塗層溶液B，經乾燥後，在該塗層(211)的表面上形成一隔熱樹脂層(31)，其厚度為0.15毫米。

之後，在該隔熱樹脂層(31)的表面上塗佈一反射樹脂塗層溶液N-1，經乾燥後，在該隔熱樹脂塗層(31)的表面上形成一反射樹脂塗層(41)，其厚度為0.05毫米。依此，可製得一隔熱布膜。

實例2至9

如同實例1所述步驟製備一隔熱布膜，惟其中的反射樹脂塗層溶液係分別使用反射樹脂塗層溶液N-2至N-9進行塗佈。

比較例1

取一未添加任何添加劑之反射樹脂塗層溶液N-0，如同實例1所述步驟製備一隔熱布膜。

[性質測試及分析]

依據上述試驗及評估方式，對實施例及比較例所製得的膜樣品進行特性測試及分析。

1)耐候性

取實例N-6之布膜樣品(厚度0.6毫米)，依照ISO 4892-2法進行耐候性測試，樣品經光照時間分別為0小時、500小時及1000小時，測得的拉伸強度之經向強度與緯向強度如表2所示。

2)隔熱性

取實例1至9及比較例1隔熱布膜製成樣品，依照前述隔熱測試方法進行測試，以溫度差異值評估隔熱效果。

如表3所示，在開放系統中，溫差(℃)為T1_(O) －T2_(O) ，結果證明，根據本發明所獲得的多層結構布膜包含反射樹脂層與隔熱層，其中反射樹脂層添加金屬氧化物(例如二氧化鈦、氧化鋅與氧化錳)、矽氣凝膠及中空玻璃球，如實施例1至9，在布膜的基層表面溫度會低於布膜外表面的溫度，又與市售商品FTG-600布膜比較，顯示在布膜之隔熱層上塗佈一具有反射功能的反射樹脂層會產生較佳的降溫效果。

另者，在密閉系統中，溫差(℃)為T1_(C) －T2_(C) 。根據本發明所獲得的多層結構布膜包含反射樹脂層與隔熱層，其中反射樹脂層添加金屬氧化物(例如二氧化鈦、氧化鋅與氧化錳)、矽氣凝膠及中空玻璃球，如實施例1至9，在布膜的基層表面溫度會低於布膜外表面的溫度。此外，在布膜之隔熱層上塗佈一未含有金屬氧化物(例如二氧化鈦、氧化鋅與氧化錳)、矽氣凝膠及中空玻璃球之樹脂層，如比較例1，所產生的溫差值遠低於具有反射樹脂層之隔熱布膜(如實例1至9)。由此亦證明根據本發明所獲得的多層結構隔熱膜具有降溫的效果。

註[1]：FTG-600布膜為市售商品，厚度0.6毫米，購自中興化成

3)遮蔽性

取實例2、3及6之隔熱布膜樣品，依照前述測試方法，進行近紅外光遮蔽性(%)及紫外光遮蔽性(%)之測試，評估隔熱效果。

如表4所示，經測試結果證明根據本發明之包含反射樹脂層與隔熱層組合之多層結構布膜幾乎能完全遮蔽近紅外光與紫外光，而達到阻絕熱源之效果。

取實例2、3及6之隔熱布膜樣品與市售商品FSK布膜比較，如表5所示，根據本發明所獲得的布膜樣品在可見光與近紅外光區具有較佳的反射效果。

註[2]：吸收率(%)量測值，儀器型號：HITACHI，U-4100 Solid sample measurement system

[3]：穿透率(%)量測值，儀器型號：HITACHI，U-4100 Solid sample measurement system

[4]：反射率=1-(吸收率+穿透率)

[5]：FSK布膜為市售商品，厚度0.6毫米，購自LINTEC公司

如上所示，本發明之隔熱布膜結構藉由隔熱樹脂層中含有低熱傳導係數之組成，及反射樹脂層中含有高反射性或高輻射性之金屬氧化物組成，可具有耐候性、隔熱性及輻射熱之特性，適用於作為商業化結構布膜相關產品之材料。

以上，本發明的具體實施例非意欲作為限制，在不悖離本發明的精神與範圍下可進行各種改質及改良，本發明的範圍由隨附的申請專利範圍指明，及所有落在等同物的意義與範圍的等效改變或修飾，均應包含在本發明的專利範圍內。

1．．．隔熱布膜

21．．．氟碳樹脂基層

211．．．頂面氟碳樹脂基層

212．．．底面氟碳樹脂基層

31．．．隔熱樹脂層

31a．．．氣凝膠

31b．．．中空玻璃球

41．．．反射樹脂層

41a．．．金屬氧化物

41b．．．中空玻璃球

51．．．玻璃纖維布

第1圖為本發明之隔熱布膜之結構示意圖。

第2圖為本發明具體實施例之隔熱布膜結構示意圖。

第3圖為本發明之隔熱布膜製造方法流程圖。