本發(fā)明涉及玻璃，具體涉及一種隔熱防曬自清潔多功能玻璃及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代建筑設(shè)計中，窗戶不僅是建筑物采光和通風(fēng)的重要組成部分，同時也是建筑美觀性的重要體現(xiàn)。隨著人們對居住環(huán)境舒適度和能源效率要求的不斷提升，窗戶的功能性需求也在不斷增加。然而，現(xiàn)有窗戶在滿足美觀和采光的同時，往往在防曬隔熱和自清潔性能方面存在顯著不足，影響了整體使用體驗和能源利用效率。

2、首先，夏季強(qiáng)烈的陽光直射是導(dǎo)致室內(nèi)溫度急劇上升的主要原因之一。這不僅增加了空調(diào)等制冷設(shè)備的能耗，導(dǎo)致能源浪費，還可能對居住者的健康和舒適度造成不利影響。盡管現(xiàn)有的窗戶設(shè)計中常常采用雙層玻璃或低輻射玻璃等技術(shù)來提升隔熱性能，但在極端高溫環(huán)境下，這些措施仍難以有效阻擋高能太陽輻射。此外，為了進(jìn)一步減少室內(nèi)溫度上升，許多建筑選擇安裝隔熱防曬窗簾或遮陽板。然而，這些附加裝置在實際使用中存在操作不便、維護(hù)復(fù)雜以及美觀性差等問題，無法提供理想的解決方案。

3、其次，現(xiàn)有玻璃材料在防污和自清潔性能方面也存在顯著缺陷。傳統(tǒng)玻璃表面容易積聚灰塵、污漬和指紋，不僅影響視線清晰度，還增加了清潔維護(hù)的頻率和難度。盡管一些玻璃產(chǎn)品引入了防污涂層，但這些方法在實際應(yīng)用中往往效果有限，耐久性不足，難以長期保持良好的自清潔性能。

4、綜上所述，當(dāng)前建筑窗戶在防曬隔熱和自清潔性能方面存在顯著不足，且附加的解決措施操作復(fù)雜、不便。因此，迫切需要開發(fā)一種新型的多功能玻璃，不僅能夠有效阻擋強(qiáng)烈陽光，降低室內(nèi)溫度，提高能源利用效率，還應(yīng)具備優(yōu)異的防污和自清潔性能，以簡化維護(hù)操作，提升使用者的整體體驗。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種隔熱防曬自清潔多功能玻璃及其制備方法，以解決現(xiàn)有窗戶玻璃隔熱防曬性能差以及防污性能不足的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種隔熱防曬自清潔多功能玻璃，包括改性玻璃基體以及依次復(fù)合在所述改性玻璃基體表面的光致變色隔熱層和表面功能防護(hù)層；所述表面功能防護(hù)層包括由內(nèi)而外依次設(shè)置的超疏水納米結(jié)構(gòu)層以及自清潔功能層；

4、所述光致變色隔熱層為具有氧化鎢納米顆粒梯度摻雜分布的光熱響應(yīng)層，其中靠近改性玻璃基體一側(cè)的氧化鎢納米顆粒摻雜密度較低，遠(yuǎn)離改性玻璃基體一側(cè)的氧化鎢納米顆粒摻雜密度較高；并滿足以下關(guān)系式：

5、c(x)＝c0+αxn；

6、其中，c(x)為距離改性玻璃基體x處的氧化鎢納米顆粒體積分?jǐn)?shù)；c0為靠近改性玻璃基體側(cè)的最小氧化鎢納米顆粒體積分?jǐn)?shù)，c0的取值范圍為0.5-0.8vol％；α為摻雜梯度系數(shù)，α的取值范圍為0.01-0.05vol％/μmn；x為距離玻璃基體的距離，單位為μm；n為梯度指數(shù)，n的取值范圍為1.2-1.8；

7、所述超疏水納米結(jié)構(gòu)層主要由氟硅烷改性sio2納米顆粒構(gòu)成，厚度1-3μm，水接觸角≥150°，滑動角≤5°；該層提供超疏水和防污性能，有效防止污漬與指紋附著；

8、所述自清潔功能層為在超疏水納米結(jié)構(gòu)層表面利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(pecvd)沉積的tio2薄膜，厚度50-100nm，后經(jīng)200-300℃退火獲得銳鈦礦相tio2；其中，該薄膜在紫外光照射下產(chǎn)生光催化作用，降解有機(jī)污物和細(xì)菌，使玻璃具備自清潔功能。

9、優(yōu)選地，所述光致變色隔熱層的氧化鎢納米顆粒梯度摻雜分布通過對噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行控制而實現(xiàn)，具體為：將氧化鎢納米顆粒的懸浮液濃度控制在0.5-1.0wt％，噴涂溶液流量控制在0.2-0.5ml/min，噴涂槍與玻璃基材表面距離控制在100-150mm，并在噴涂過程中以每噴涂10μm厚度遞增氧化鎢納米顆粒懸浮液濃度0.05-0.1wt％的方式實現(xiàn)梯度分布；噴涂結(jié)束后在80-100℃下干燥1-2小時以獲得50-100μm的光致變色隔熱層。

10、優(yōu)選地，所述光致變色隔熱層包括以下重量份的組成：100份膠黏劑、10-20份氧化鎢納米顆粒、5-10份空心二氧化硅微球、2-6份離子液體型分散劑、0.5-2份紫外線吸收劑；所述空心微球平均粒徑為20-40μm，壁厚0.5-1.5μm。

11、其中，膠黏劑提供透明黏結(jié)基質(zhì)，氧化鎢(wo3)納米顆粒實現(xiàn)光致變色(在強(qiáng)光條件下迅速變暗以阻擋陽光中高能成分)，空心微球降低層密度并提供散射以增強(qiáng)隔熱性能，離子液體分散劑保證納米顆粒均勻分布，紫外線吸收劑進(jìn)一步提高紫外阻隔率。

12、優(yōu)選地，所述改性玻璃基體為在低鐵含量浮法玻璃原料中加入0.1-0.5wt％的石墨烯納米片和0.5-1.5wt％的氮摻雜二氧化鈦納米顆粒，于1550-1600℃下熔融成型，并經(jīng)退火處理得到的玻璃基材，厚度為4-6mm。

13、優(yōu)選地，所述改性玻璃基體經(jīng)超聲清洗(40khz頻率，去離子水中清洗10-20分鐘)及等離子表面處理(射頻功率為50-100w，處理時間為30-60秒)后表面清潔活化，以提高光致變色隔熱層的附著力。

14、優(yōu)選地，所述光致變色隔熱層和所述表面功能防護(hù)層之間還設(shè)置有電致變色調(diào)光層，所述電致變色調(diào)光層包括以下重量份的組成：

15、100份動態(tài)可逆離子傳導(dǎo)聚合物、20-30份含litfsi及離子液體的電解質(zhì)、10-20份相變材料微膠囊、5-10份納米纖維素、2-5份近紅外光敏引發(fā)劑、2-4份抗氧化劑。

16、其中，電致變色調(diào)光層采用動態(tài)可逆離子傳導(dǎo)聚合物與相變材料微膠囊的復(fù)合設(shè)計，不僅實現(xiàn)可控電致變色調(diào)光，還賦予了材料在微觀損傷下的自修復(fù)能力和光熱緩沖性能，延長產(chǎn)品壽命并提升用戶舒適度。

17、其中，所述電致變色調(diào)光層通過電場作用實現(xiàn)顏色可逆轉(zhuǎn)換，在外部控制下可調(diào)節(jié)可見光透過率，配合相變材料微膠囊在光照及外界溫度變化下提供熱緩沖和輔助自修復(fù)；動態(tài)可逆離子傳導(dǎo)聚合物使離子遷移可逆，從而在長時間使用中保持穩(wěn)定的電致變色性能。

18、優(yōu)選地，所述動態(tài)可逆離子傳導(dǎo)聚合物是將4,4'-二氨基偶氮苯與馬來酸酐在n,n-二甲基甲酰胺中60-70℃反應(yīng)4-6小時，得到含有diels-alder可逆加成產(chǎn)物的預(yù)聚體，然后將該預(yù)聚體與冠醚單元及咪唑基離子液體基團(tuán)共聚反應(yīng)形成的聚合物基體；其中，所述動態(tài)可逆離子傳導(dǎo)聚合物中diels-alder型可逆共價鍵通過4,4'-二氨基偶氮苯與馬來酸酐的反應(yīng)形成的雙環(huán)加成結(jié)構(gòu)提供可逆性，冠醚基團(tuán)與咪唑基離子液體側(cè)基可與litfsi發(fā)生絡(luò)合離子傳導(dǎo)；在80-90℃下，該聚合物的可逆共價鍵打開，使分子鏈段活動度增加，在冷卻至室溫時共價鍵重新閉合，從而實現(xiàn)自修復(fù)離子傳導(dǎo)通道的構(gòu)筑；即，該動態(tài)可逆離子傳導(dǎo)聚合物通過可逆共價鍵(如diels-alder鍵)和離子作用位點構(gòu)建，其在加熱或近紅外光照下可促進(jìn)鏈段運動和自修復(fù)離子傳導(dǎo)通道，從而延長電致變色調(diào)光層的使用壽命；

19、所述含litfsi及離子液體的電解質(zhì)為litfsi和1-乙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲磺酰)亞胺離子液體的電解質(zhì)，其中l(wèi)itfsi濃度為0.1-0.5mol/l，離子液體用量為電解質(zhì)總質(zhì)量的20-40wt％；

20、所述相變材料微膠囊以正十八烷與正十六烷以3:1質(zhì)量比混合為核材、聚甲基丙烯酸甲酯為殼材，微膠囊平均粒徑為1-5μm；

21、所述納米纖維素的長度為100-300nm，直徑5-20nm；

22、所述近紅外光敏引發(fā)劑為銥或鉑配合物；進(jìn)一步優(yōu)選為含銥的配合物，在700-1100nm近紅外光照下可引發(fā)離子流動性增強(qiáng)，從而加速電致變色層中自修復(fù)過程；所述抗氧劑為受阻胺類抗氧化劑。

23、優(yōu)選地，所述相變材料微膠囊的制備方法為：

24、a)將正十八烷與正十六烷按3:1質(zhì)量比混合，并加熱至80℃熔融；

25、b)將甲基丙烯酸甲酯、0.1-0.5wt％偶氮二異丁腈引發(fā)劑及1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯溶于去離子水中，加入0.2-0.5wt％的十二烷基硫酸鈉作為乳化劑；

26、c)將步驟a)中熔融混合物以0.1-0.3ml/min的速度緩慢滴加至步驟b)溶液中，在溫度為80℃、轉(zhuǎn)速為5000-8000rpm的條件下剪切乳化20-30分鐘；

27、d)在氮氣保護(hù)下將乳液升溫至85℃，反應(yīng)3-5小時；

28、e)冷卻、過濾、水洗、干燥后得到平均粒徑1-5μm且封裝效率≥90％的相變材料微膠囊。

29、優(yōu)選地，所述表面功能防護(hù)層中還添加有1-3重量份nayf4:yb,er上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒，顆粒粒徑為20-50nm；用于將近紅外光轉(zhuǎn)換為可見光，為tio2提供額外光能以增強(qiáng)弱光下自清潔效果，并可作為防偽標(biāo)記。

30、優(yōu)選地，所述電致變色調(diào)光層與所述光致變色隔熱層之間還設(shè)置有厚度為2-5μm的導(dǎo)電過渡層，所述導(dǎo)電過渡層包括pedot:pss與銀納米線，其質(zhì)量比為100:(2-5)，以提高電場分布均勻性和電致變色響應(yīng)速度。

31、此外，本發(fā)明還提供一種隔熱防曬自清潔多功能玻璃的制備方法，包括以下步驟：

32、1)制備改性玻璃基體：在低鐵含量玻璃原料中加入0.1-0.5wt％石墨烯納米片和0.5-1.5wt％氮摻雜二氧化鈦納米顆粒，于1550-1600℃熔融、成型并退火，制得4-6mm厚的改性玻璃基體，超聲清洗后進(jìn)行等離子表面活化處理；

33、2)制備光致變色隔熱層：將膠黏劑、氧化鎢納米顆粒、空心二氧化硅微球、離子液體分散劑和紫外線吸收劑按配比混合，初始氧化鎢納米顆粒懸浮液濃度為0.5wt％，噴涂時以流量0.2-0.5ml/min逐層噴涂，每噴涂10μm厚度時將氧化鎢濃度提高0.05-0.1wt％，直至滿足c(x)＝c0+αxn分布，噴涂距離為100-150mm；噴涂完畢后在80-100℃干燥1-2小時得50-100μm的光致變色隔熱層；

34、3)制備表面功能防護(hù)層：將1-3wt％的氟硅烷改性sio2納米顆粒懸浮液以2mm/s的浸入和提拉速度浸涂1-3次于光致變色隔熱層表面，室溫干燥5-10分鐘后在80℃熱處理30-60分鐘，形成1-3μm超疏水納米結(jié)構(gòu)層；

35、利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在5-10pa氣壓、射頻功率50-100w下通入四氯化鈦和氧氣反應(yīng)氣體，在超疏水納米結(jié)構(gòu)層沉積厚度為50-100nm的tio2薄膜，于200-300℃退火1-2小時，使tio2呈銳鈦礦相，形成自清潔功能層；

36、4)最后將玻璃在80-90℃惰性氣氛中退火2-4小時，即完成隔熱防曬多功能玻璃的制備。

37、優(yōu)選地，還包括以下步驟a)、步驟b)和步驟c)至少之一：

38、a)制備電致變色調(diào)光層：將動態(tài)可逆離子傳導(dǎo)聚合物、litfsi和離子液體電解質(zhì)、相變材料微膠囊、納米纖維素、近紅外光敏引發(fā)劑及抗氧化劑按比例混合，在80-90℃、氮氣氣氛攪拌2-4小時，然后刮涂或旋涂于光致變色隔熱層表面，厚度20-40μm，80-100℃真空干燥2-4小時固化成型；所述動態(tài)可逆離子傳導(dǎo)聚合物具有可逆共價鍵和離子作用位點，使該層在加熱或近紅外照射下可促進(jìn)鏈段移動與離子通道重構(gòu)，從而實現(xiàn)自修復(fù)電致變色性能；

39、b)將1-3重量份nayf4:yb,er納米顆粒分散于tio2溶膠中攪拌10-20分鐘后均勻分散并沉積于超疏水納米結(jié)構(gòu)層上，經(jīng)150-250℃退火1-2小時固化；使自清潔功能層在弱光條件下亦可通過上轉(zhuǎn)換效應(yīng)增強(qiáng)光催化活性，并可作為防偽標(biāo)記；

40、c)制備導(dǎo)電過渡層層：將pedot:pss與銀納米線按100:(2-5)質(zhì)量比分散于水中，濃度1-3wt％，以500-1000rpm旋涂1-3次于電致變色調(diào)光層上，厚度2-5μm，在120-150℃下退火30-60分鐘，使電致變色調(diào)光層受電場均勻，提高調(diào)光響應(yīng)速度。

41、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

42、1)本發(fā)明的玻璃采用改性玻璃基體以及表面功能防護(hù)層(超疏水納米結(jié)構(gòu)層和自清潔功能層)的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，共同實現(xiàn)了玻璃的隔熱、防曬和自清潔多功能性。

43、2)本發(fā)明的光致變色隔熱層主要由氧化鎢納米顆粒梯度摻雜分布構(gòu)成；其中，氧化鎢納米顆粒在強(qiáng)光照射下能夠快速變色并阻擋陽光中的高能成分，達(dá)到有效的隔熱效果；由于氧化鎢的光致變色特性，玻璃在強(qiáng)烈陽光照射下能迅速變暗，從而減少窗戶內(nèi)的熱量傳導(dǎo)。此外，采用氧化鎢納米顆粒的梯度摻雜分布(靠近玻璃基體一側(cè)低摻雜，遠(yuǎn)離玻璃基體一側(cè)高摻雜)，通過控制納米顆粒的分布密度，有效地優(yōu)化了熱和光的隔離效果；這種梯度設(shè)計確保了玻璃在不同光照強(qiáng)度下具有靈活的響應(yīng)能力，進(jìn)一步提高了玻璃的整體隔熱性能。

44、3)本發(fā)明的表面功能防護(hù)層包括超疏水納米結(jié)構(gòu)層和自清潔功能層，這兩層的結(jié)合為玻璃提供了優(yōu)異的防污和自清潔能力。其中，超疏水納米結(jié)構(gòu)層采用氟硅烷改性sio2納米顆粒，賦予玻璃超疏水性能；水接觸角≥150°，滑動角≤5°，即使在較為極端的環(huán)境下，也能夠有效防止污漬和指紋的附著；這不僅增強(qiáng)了玻璃的防污能力，還減少了清潔維護(hù)的需求，極大提升了用戶體驗。其中，自清潔功能層采用pecvd沉積的tio2薄膜，其利用光催化作用在紫外光照射下分解有機(jī)污物及細(xì)菌，從而保持玻璃表面的清潔；tio2薄膜的光催化作用在光照條件下活躍，特別是在紫外光的照射下，可以高效地降解污物、清除細(xì)菌，有效提升玻璃的自清潔功能；這種自清潔功能可以大大降低清洗玻璃的頻率，減少了維護(hù)成本。