Спектрально-селективні полімерні віконні плівки Нова технологія 3М у сонцезахисті

Частину термінів у форматі абревіатур ми наводимо для спрощення сприйняття матеріалу:

• Light-to-solar-gain (LSG) ratio — Коефіцієнт пропускання видимого світла з відсіканням теплової енергії • Visible light transmission (VLT) — Коефіцієнт передачі видимого світла • Solar heat gain coefficient (SHGC) Коефіцієнт сонячного теплонадходження • Near infrared rejection (NIR) Довгохвильова область спектру • Water vapor transmission rates (WVTR) – Коефіцієнт водопаропроникності • Metal-free solar reflecting films (SRF) — сонцезахисні плівки, що не містять металу • Antimony tin oxide (ATO) - Оксид сурми та олова • Indium tin oxide (ITO), Оксид індія та олова • Multilayer optical film (MOF) Багатошарова оптична плівка

Починаючи розмову про сонцезахисні оптично прозорі плівки пригадаємо, що біле світло, ультрафіолетове (УФ) та інфрачервоне випромінювання (ІЧ) – це все діапазони спектру електромагнітного випромінювання, поряд з Гамма та Рентгенівським випромінюванням.

У нашій статті ми поговоримо про сонячний спектр у діапазоні довжин від 0 до 2,5 Нано Метрів (нм), про те, як Доктор Рагху Падіят, науковий співробітник 3М, зробив унікальний винахід багатошарових оптично прозорих віконних плівок, які дозволяють безперешкодно проникати білому світлу у приміщення і при цьому блокувати УФ та ІЧ Випромінювання. Між діапазонами немає різких переходів, але якщо розглядати довжину сонячного спектру, то 3% ультрафіолет, 44% видимий, 53% інфрачервоний.

Коефіцієнт пропускання видимого світла з відсіканням теплової енергії (LSG), що позначається як співвідношення коефіцієнта передачі видимого світла (VLT), такоефіцієнт сонячного теплонадходження (SHGC), що часто використовується для визначення ефективності віконної плівки. Даний показник придатний для застосування, при яких на додаток до зниження частки пасивної сонячної енергії, що надходить через скління будівель, потрібен також підвищений рівень внутрішнього освітлення.

До цього моменту всі віконні плівки з високим коефіцієнтом LSG, представлені на ринку, були виготовлені на основі структури «діелектрик-срібло-діелектрик» [3,4]. В цілому, у виконанні даних плівок використовується до трьох шарів срібла, що призводить до високого коефіцієнта відображення інфрачервоних променів довгохвильової області спектру NIR і VLT приблизно 70%.

Срібло вибрано завдяки його унікальним властивостям [5,6]. Одним з недоліків використання срібла є його схильність до окислення. Неякісна герметизація країв плівки може призвести до потемніння і корозії по периметру.

Загальновідомо, що промислове виробництво плівок на основі срібних резонаторних відбивачів важко, тому що дуже незначне варіювання товщини шару срібла в результаті призводить до значної зміни кольору, особливо якщо дивитися у відбитому світлі. Крім того, наявність срібла в покриттях вимагає ущільнення країв плівки, що наноситься.

Іншим недоліком віконних плівок на основі технології напилення срібла/діелектрика полягає в тому, що дані плівки мають дуже низьку швидкість водопаропроникності (WVTR). Вода використовується для монтажу плівок та видалення її залишків між адгезивним шаром та плівкою, є вкрай важливим.

Полімерні плівки, що відбивають інфрачервоні промені

Інфрачервоні промені, що відображають, полімерні багатошарові плівки були розробленікомпанією 3M для використання в автомобільному лобовому склі та інших застосуваннях [7,8].

Передбачаючи опис технології, пропонуємо Вашій увазі коротке відео, що ілюструє принцип роботи плівки:

Раніше Alfrey та інші показали, що полімерна плівка, що включає сотні шарів двох матеріалів, що відрізняються коефіцієнтом заломлення, можуть бути отримані співекструдування з утворенням плівки флуоресцирующей [9]. Використання полімерних багатошарових плівок з двоякопреломляющими оптичними системами було розроблено компанією 3M [10,11]. Використання двоякозаломлюючих матеріалів у даних конструкціях призводить до виникнення декількох унікальних властивостей, які неможливо отримати при використанні тонкоплівкової оптики, покритої методом напилення [12].

У цих плівках ширина спектра та місцезнаходження межі смуги визначаються товщиною кожної пари шарів. Товщина цих шарів вибирається таким чином, щоб смуга одноразового відображення виникала в інфрачервоній частині спектра електромагнітних хвиль. При відповідному виборі лівої та правої межі смуги та точному контролі товщини пари шарів можуть бути створені високоефективні відбивачі інфрачервоних променів довгохвильової області спектру з високим пропусканням видимого світла. Оптичні властивості відбивачів інфрачервоних променів довгохвильової області спектру, створені з полімерних матеріалів, мають перевагу внаслідок низького оптичного поглинання, незначної оптичної дисперсії та оптичних констант двоякозаломлюючих систем. Дані плівки можуть мати високу передачу видимого світла, гострі межі смуги, що відбивають, і низьку нерівномірність поза смуги пропускання. У структурі з шаром ABAB простий ¼ хвилі, в якій A і B – два полімерні матеріали з різнимикоефіцієнтами заломлення, з конструктивних міркувань обмежують смугу відображення в діапазоні від 800 нм до 1200 нм. Подальше збільшення ширини спектра призведе до отримання смуг вторинного відбиття, надаючи кольору плівці. Так як спектр падаючого сонячного випромінювання поширюється далеко за межі значення 1200 нм, необхідно передбачити засоби для зниження частки сонячної енергії, що надходить через скління та перевищує значення 1200 нм.

Було вивчено нанофільтри, що поглинають інфрачервоні промені, для використання в склінні [13,14]. Дані матеріали мають досить високу передачу видимого світла, а також значне поглинання частини довгохвильової інфрачервоної області спектру. Такі матеріали можуть бути нанесені на полімерні плівки, що поглинають інфрачервоні промені для подальшого підвищення коефіцієнта сонячного теплонадходження системи скління. Покриття на основі олово-сурм'яних оксидів (ATO) особливо цікаві, так як їх смуга поглинання виходить за межі довгохвильової інфрачервоної області спектру.

РЕЗУЛЬТАТИ І ОБГОВОРЕННЯ

Змодельований та виміряний спектри світлопропускання багатошарової полімерної плівки, що складається з 224 шарів, виготовленої та використанням PET та PMMA, представлені на малюнку 1a. Як видно з Рисунку 1a, практично весь світ у діапазоні 850 нм – 1200 нм відбивається за відсутності втрати передачі (крім втрат зон Френеля) у видимій частині спектра та ІЧ-області спектру за межами 1200 нм. При використанні покриття ATO з внутрішньої сторони даної плівки передача у видимій частині спектра може бути відрегульована приблизно до 70 %, при цьому практично вся довгохвильова ІЧ-область спектра в діапазоні 850-2500 нм може бути заблокована (Малюнок 1b) за підтримкивисокого коефіцієнта відбиття багатошарового матеріалу. Товщина або кількість ATO в полімерному шарі можуть бути збільшені або зменшені за бажанням регулювання коефіцієнта передачі видимого світла. Частинки, такі як технічний вуглець, що мають здатність поглинання у видимій частині спектра використовуються для отримання віконних плівок з відмінним коефіцієнтом передачі видимого світла [15]. Крім того, можна увімкнути дані частинки для різкого зниження коефіцієнта передачі у видимій частині спектру без значної зміни коефіцієнта передачі інфрачервоного випромінювання або концентрації ATO у покритті.

Малюнок 1a та 1b: Змодельований та виміряний спектри світлопропускання полімерної багатошарової плівки без покриття (Малюнок 1a) та плівки з покриттям ATO (Малюнок 1b).

На відміну від плівок, що напиляються, зі структурою «срібло/діелектрик» всі смуги відбиття, засновані на діелектричних компонентах, мають перехід до менших довжин смуг зі збільшенням кута падіння (далеко від нормального падіння). Дане усунення кута викликане залежністю косинуса кута зсуву фаз між променями, відбитими від суміжних поверхонь контакту.

Внаслідок збільшення кута падіння центри смуг відображення з поляризацією, перпендикулярної площині падіння пучка, і з поляризацією, паралельної площині падіння пучка, переходять до більш коротких довжин хвиль з урахуванням ефективної фазової товщини шарів. Полімер з високою двоякозаломлюючою здатністю може бути використаний для створення діелектричних відбивачів, які підтримують або збільшують свій коефіцієнт відбиття при збільшенні кута падіння. Крім того, для падіння не по нормалі поляризаційні ефекти в ізотропних матеріалах обмежують крутість межі смуги природного світла, якаможе значно впливати на чистоту кольору.

Двоякопреломляющие полімери можуть бути використані для створення відбивача, який має узгоджену межу смуги малої довжини хвилі при всіх кутах як для світла з поляризацією, паралельної площині падіння пучка, так і для світла з поляризацією, перпендикулярної площині падіння пучка, виключаючи дані труднощі.

Так як смуга відбиття багатошарового полімерного відбивача переходить до хвиль з меншою довжиною, в яких знаходиться більша кількість сонячної енергії (Малюнок 3a), відбувається швидке зниження коефіцієнта сонячного теплонадходження при великих кутах падіння. Як видно з Рисунку 2a і 2b, цей перехід значною мірою вищий у багатошарових полімерних конструкціях у порівнянні з віконними плівками на основі структури «діелектрик/срібло». Оптичні властивості даних двох типів плівки при падінні по нормалі та при 60 від нормалі (задано як 0 у таблиці та на малюнках) представлені в Таблиці 1.

Слід зазначити, що немає ніяких стандартів за характеристиками поза осі. Методи промислових стандартів (див. Раду з оцінки світлопрозорих конструкцій, www.nfrc.org) та програмне забезпечення (Window 5, доступне для завантаження з сайту windows.lbl.gov/software/window/window.html) призначені для виконання розрахунків поза центром з урахуванням типу матеріалів, виходячи з алгоритму, описаного Furler [15], дані розрахунки призводять до недостатньої апроксимації для двоякозаломлюючих матеріалів. В результаті розрахунки річної потреби в енергії становлять приблизний прогноз економії, що досягається при використанні багатошарових полімерних віконних плівок. Крім того, оскільки сонячна енергія, що падає, варіюється від місця до місця і залежить від великого ряду факторів, включаючиводяна пара, здатна сконденсуватися і дати опади, альбедо земної поверхні, підживлення та концентрацію атмосферних забруднювачів, крім іншого, коефіцієнти сонячного теплонадходження варіюється в залежності від форми спектру падаючого сонячного випромінювання.

Таблиця 1: Властивості щодо пропускання сонячної енергії полімерної віконної плівки для післяпродажного нанесення та віконної плівки зі структурою діелектрик/срібло.

Тип	VLT (%)	VLR (%)	SHGC	Відображення УФ-променів (%)
0	60	0	60	0	60
Полімерна багатошарова з ATO	69	60	8,5	13	0,51	0,42	99,9
7-шарова ITO/Ag	69	62	8,0	12	0,47	0,44	99,9

Малюнок 2a та 2b: Коефіцієнт передачі багатошарової полімерної плівки з покриттям ATO (Малюнок 2a) та 7-шарової ITO/Ag/ITO плівки (Малюнок 2b) при нормальному падінні та при 60 від нормального падіння.

ВИСНОВОК

Інфрачервоні промені, що відбивають, полімерні багатошарові плівки були покриті наночастинками ATO, що поглинають інфрачервоне випромінювання, для створення віконних плівок для післяпродажного нанесення з високим коефіцієнтом світлопроникності і високим коефіцієнтом відведення тепла. Було показано, що ці плівки мають більш високий коефіцієнт відведення тепла при збільшених кутах висоти сонця. Так як дані плівки не містять ніяких шарів, що напилюються, вони мають високі швидкості водопаропроникності і їх простіше встановити. Представлено порівняння даних плівок і плівок, що напиляються, зі структурою «срібло/діелектрик».

Публікації доктора Рагху Падіятха (Dr. Raghu Padiyath), винахідника оптично прозорих плівок

---