Спектрально-селективные полимерные оконные пленки: новая технология 3М в солнцезащите
Потребность в рациональном использовании энергии становится все более значимой на протяжении нескольких последних десятилетий. Данная статья посвящена альтернативному методу защиты от тепловой энергии солнца поступающей через окна – энергосберегающему остеклению оптически прозрачными оконными пленками. Научный сотрудник 3М Dr. Raghu Padiyath, сделал уникальное изобретение - многослойные оптически прозрачные пленки, которые позволяют беспрепятственно проникать белому видимому свету в помещение и при этом успешно блокировать УФ и ИК излучение.
Часть терминов приводится в формате аббревиатур:
• Light-to-solar-gain (LSG) ratio — Коэффициент пропускания видимого света с отсечкой тепловой энергии
• Visible light transmission (VLT) — Коэффициент передачи видимого света
• Solar heat gain coefficient (SHGC) Коэффициент солнечного теплопоступления
• Near infrared rejection (NIR) Длинноволновая область спектра
• Water vapor transmission rates (WVTR) – Коэффициент водопаропроницаемости
• Metal-free solar reflecting films (SRF) — Не содержащие металла солнцезащитные пленки
• Antimony tin oxide (ATO) — Оксид сурьмы и олова
• Indium tin oxide (ITO), Оксид индия и олова
• Multilayer optical film (MOF) Многослойная оптическая пленка
Начиная разговор о солнцезащитных оптически прозрачных пленках вспомним, что белый свет, ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное излучение (ИК) – это все диапазоны спектра электромагнитного излучения, наряду с Гамма и Рентгеновским излучением.
В нашей статье мы поговорим о солнечном спектре в диапазоне длин от 0 до 2,5 нанометров (нм). Между диапазонами нет резких переходов, но если рассматривать длину солнечного спектра, то 3% — ультрафиолет, 44% — видимый, 53% — инфракрасный.
Коэффициент пропускания видимого света с отсечкой тепловой энергии (LSG), обозначаемый как соотношение коэффициента передачи видимого света (VLT), и коэффициент солнечного теплопоступления (SHGC), часто используется для определения эффективности оконной пленки. Данный показатель важен для случаев, при которых кроме снижения доли пассивной солнечной энергии, поступающей через остекление зданий, требуется также повышенный уровень пропускания видимого света.
До настоящего момента все оконные пленки с высоким коэффициентом LSG, представленные на рынке, были изготовлены на основе структуры «диэлектрик-серебро-диэлектрик». В целом, в исполнении данных пленок используется до трех слоев серебра, что приводит к высокому коэффициенту отражения инфракрасных лучей (примерно 70%) длинноволновой области спектра NIR и VLT.
Серебро выбрано благодаря его уникальным свойствам, одним из недостатков использования серебра является его подверженность окислению. Некачественная герметизация краев пленки может привести к возникновению потемнения и коррозии по периметру.
Проблема возникновения коррозии может быть решена посредством использования сплавов серебра вместо чистого серебра, а также тщательной герметизации краев пленки. Данные пленки также обладают экранирующими свойствами и могут создавать помехи в работе электронных систем внутрирайонной связи, GPS, мобильных телефонов и пр.
Общеизвестно, что промышленное производство пленок на основе серебряных резонаторных отражателей затруднительно, так как весьма незначительное варьирование толщины слоя серебра в результате приводит к значительному изменению цвета, особенно если смотреть в отраженном свете. Кроме того, наличие серебра в покрытиях требует уплотнения краев наносимой пленки.
Другим недостатком используемых оконных пленок на основе технологии напыления серебра/диэлектрика заключается в том, что данные пленки имеют весьма низкую скорость водопаропроницаемости (WVTR). Вода используется для монтажа пленок и удаление ее остатков между адгезивным слоем и пленкой, является крайне важным.
Предвосхищая описание технологии, предлагаем Вашему вниманию короткое видео, иллюстрирующее принцип работы пленки:
Полимерная пленка, включающая сотни слоев двух материалов, отличающихся коэффициентом преломления, может быть получена соэкструдированием с образованием флуоресцирующей пленки. Использование двоякопреломляющих материалов в полимерных многослойных пленках приводит к возникновению нескольких уникальных свойств, которые невозможно получить при использовании тонкопленочной оптики, покрытой методом напыления. В данных пленках ширина спектра и местоположение границы полосы определяются толщиной каждой пары слоев. Толщина данных слоев выбирается таким образом, чтобы полоса однократного отражения возникала в инфракрасной части спектра электромагнитных волн. При соответствующем выборе левой и правой границы полосы и точном контроле толщины пары слоев могут быть созданы высокоэффективные отражатели инфракрасных лучей длинноволновой области спектра с высоким пропусканием видимого света. Оптические свойства отражателей инфракрасных лучей длинноволновой области спектра, созданные из полимерных материалов, имеют преимущество вследствие низкого оптического поглощения, незначительной оптической дисперсии и оптических констант двоякопреломляющих систем. Данные пленки могут иметь высокую передачу видимого света, острые отражающие границы полос и низкую неравномерность вне полосы пропускания. В структуре со слоем ABAB простой ¼ волны, в которой A и B – два полимерных материала с различными коэффициентами преломления, по конструктивным соображениям ограничивают полосу отражения в диапазоне от 800 нм до 1200 нм. Дальнейшее увеличение ширины спектра приведет к получению полос вторичного отражения, придавая цвет пленке. Так как спектр падающего солнечного излучения распространяется далеко за пределы значения 1200 нм, необходимо предусмотреть средства для снижения доли солнечной энергии, поступающей через остекление и превышающей значение 1200 нм.
Были изучены нанофильтры, поглощающие инфракрасные лучи, для использования в остеклении. Данные материалы имеют достаточно высокую передачу видимого света, а также значительное поглощение в части длинноволновой инфракрасной области спектра. Такие материалы могут быть нанесены на полимерные пленки, поглощающие инфракрасные лучи, для дальнейшего повышение коэффициента солнечного теплопоступления системы остекления. Покрытия на основе олово-сурьмяных оксидов (ATO) особенно интересны, так как их полоса поглощения выходит за пределы длинноволновой инфракрасной области спектра.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Смоделированный и измеренный спектры светопропускания многослойной полимерной пленки, состоящей из 224 слоев, изготовленной и использованием PET и PMMA, представлены на Рисунке 1a. Как видно из Рисунка 1a, практически весь свет в диапазоне 850 нм – 1200 нм отражается при отсутствии потери передачи (кроме потерь зон Френеля) в видимой части спектра и ИК-области спектра за пределами 1200 нм. При использовании покрытия ATO с внутренней стороны данной пленки передача в видимой части спектра может быть отрегулирована примерно до 70 %, при этом практически вся длинноволновая ИК-область спектра в диапазоне 850–2500 нм может быть заблокирована (Рисунок 1b) при поддержании высокого коэффициента отражения многослойного материала. Толщина или количество ATO в полимерном слое могут быть увеличены или уменьшены по желанию для регулирования коэффициента передачи видимого света. Частицы, такие как технический углерод, обладающие способностью поглощения в видимой части спектра используются для получения оконных пленок с отличным коэффициентом передачи видимого света. Кроме того, можно включить данные частицы для резкого снижения коэффициента передачи в видимой части спектра без значительного изменения коэффициента передачи инфракрасного излучения или концентрации ATO в покрытии.
Рисунок 1a и 1b: Смоделированный и измеренный спектры светопропускания полимерной многослойной пленки без покрытия (Рисунок 1a) и пленки с покрытием ATO (Рисунок 1b).
В отличие от напыляемых пленок со структурой «серебро/диэлектрик» все полосы отражения, основанные на диэлектрических компонентах, имеют переход к меньшим длинам полос с увеличением угла падения (далеко от нормального падения). Данное смещение угла вызвано зависимостью косинуса угла сдвига фаз между лучами, отраженными от смежных поверхностей контакта.
Вследствие увеличения угла падения центры полос отражения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, и с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, переходят к более коротким длинам волн с учетом эффективной фазовой толщины слоев. Полимер с высокой двоякопреломляющей способностью может быть использован для создания диэлектрических отражателей, которые поддерживают или увеличивают свой коэффициент отражения при увеличении угла падения. Кроме того, для падения не по нормали поляризационные эффекты в изотропных материалах ограничивают крутизну границы полосы естественного света, которая может оказывать значительное влияние на чистоту цвета.
Двоякопреломляющие полимеры могу быть использованы для создания отражателя, который имеет согласованную границу полосы малой длины волны при всех углах как для света с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, так и для света с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, исключая данные трудности.
Так как полоса отражения многослойного полимерного отражателя переходит к волнам с меньшей длиной, в которых находится большее количество солнечной энергии (Рисунок 3a), происходит быстрое снижение коэффициента солнечного теплопоступления при больших углах падения. Как видно из Рисунка 2a и 2b, данный переход в значительной степени выше в многослойных полимерных конструкциях по сравнению с оконными пленками на основе структуры «диэлектрик/серебро». Оптические свойства данных двух типов пленки при падении по нормали и при 60 от нормали (задано как 0 в таблице и на рисунках) представлены в Таблице 1.
Таблица 1: Свойства по пропусканию солнечной энергии пленки для афтермаркет и оконной пленки со структурой диэлектрик/серебро.
Рисунок 2a и 2b: Коэффициент передачи многослойной полимерной пленки с покрытием ATO (Рисунок 2a) и 7-слойной ITO/Ag/ITO пленки (Рисунок 2b) при нормальном падении и при 60 от нормального падения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для создания оконных пленок с высоким коэффициентом светопроницаемости и отведения тепла полимерные многослойные пленки были покрыты наночастицами ATO, поглощающими инфракрасное излучение. Было показано, что данные пленки имеют более высокий коэффициент отведения тепла при увеличенных углах высоты солнца. Так как данные пленки не содержат никаких напыляемых слоев, они имеют высокие скорости водопаропроницаемости и их проще установить. Представлено сравнение данных пленок и напыляемых пленок со структурой «серебро/диэлектрик».