2011華爾街日報科技創新環境類首獎 - 工研院噴塗式隔熱技術

前言

台灣位處於亞熱帶地區，空調的耗電量需求很大，因應全球暖化與高油價議題的壓力，如何做好建築物的隔熱以節省可觀的空調費用外，亦能減緩能源短缺與地球溫室效應的影響。考量一般熱傳遞的機制包括輻射、傳導、對流，高效能隔熱材料必須具有很高的阻絕性，以防止熱以輻射或傳導的方式傳到室內。因此，導入高效能隔熱材料以提高太陽能的反射，並降低熱能傳導至室內，是降低建築空調用電消耗與二氧化碳排放的必要途徑。

現今，許多高透明紅外線阻絕材料優於新一代低成本、高性能的隔熱節能材料，材料經由簡單濕式塗佈於基材後，可見光穿透率約70％，紅外線阻隔率約90％，於透明狀態仍能具有高隔熱效果，已廣泛見於建築、汽車玻璃的隔熱節能應用上。

普遍優良隔熱材料的考量條件

1. 材質本身的熱傳導率必須低於0.2kcal/m.h.℃以下，如需搭配其他結構材施工，則施作完成後之熱傳導率亦不得高於0.3kcal/m.h.℃以上為宜。
2. 可施作於建物表層外部；隔熱材施作於屋頂內部之效果遠不及施作於屋頂外部或窗戶，因此，隔熱材料本身的良好接著性、耐水性、耐候性及耐熱性等，就顯得格外重要，如此才可避免天候影響或泡水而產生水解、脫落，甚至因高溫曝曬致使隔熱材快速老化、變質，失去防熱的功效。
3. 必須具有防火性及環保無毒性，方可確保使用者生命、財產的安全。
4. 最好能施作於任何建物表面，包括混凝土、鐵皮屋、貨櫃屋、石棉瓦等屋頂或磁磚，因應建物之需要可厚可薄施作，達到防熱與延長使用的安全原則。
5. 材質的斷熱性佳，無需依賴白色或平滑亮度所產生的折射來防熱。
6. 材質本身最好有足夠的硬度，最好具備抗拉、抗壓、抗彎等特性。
7. 應具有耐酸鹼、抗紫外線、抗溶劑、抗化學品等特性，如此方能經得起天候的考驗，除可有效的增長隔熱效果的耐用年限，更可進而保護建物。
8. 宜材質輕、施工簡便、保養容易、價格合宜。

透明隔熱機制

一般建材所要隔絕的熱，大致可區分為來自太陽的熱及非太陽的熱; 而熱的傳遞則包含輻射、傳導與對流。太陽的熱能分佈為紅外線50%(波長780~ 2,500nm)，可見光約45%(波長380~780nm)與紫外線約5%(波長100~380nm)。對於亞熱帶地區窗戶的隔熱，室內外溫差較小，熱傳導(數十瓦)的熱量遠小於熱輻射(數百瓦~千瓦);所以，防止陽光輻射熱直接進入室內是建材隔熱的首要工作。當陽光照射到玻璃時，一部份光被反射，一部份光穿透玻璃，另一部份則會被玻璃吸收再轉換成熱，再向室內與室外傳遞。針對隔熱的目的，若能將太陽的熱全部反射是最佳方式;然而，對於建築玻璃的隔熱效果，尚須兼具採光與延伸視野的透明特性。因此，理想的透明隔熱材質必須具備對780-2,500nm區段紅外光的高反射特性。

圖/太陽熱能經透明基材的熱傳機制

現今市面上可維持透明又可隔絕紅外線的材料約可分為五種。

1. 染料型(染色膜): 以吸收機制為主，可是吸收過多的可見光又會影響紅外線的隔絕效果。
2. 以非常薄的金屬膜(如鋁)同時反射可見光與紅外線，但是產品的透光性就降低且有反光性。
3. 以非常薄的金屬膜(如銀)並搭配介電材形成多層薄膜結構，經由多層干涉加強可見光的穿透性以及紅外光區反射的光譜選擇性隔熱膜。
4. 以不同折射率材料(金屬氧化物或塑膠)形成多層結構，經由多層干涉加強可見光的穿透性以及紅外光區反射的光譜選擇性隔熱膜。
5. 藉由透明導電材料的表面電漿特性，阻絕紅外線並維持透明性。電漿波長(Plasma-wavelength)為一般的導電材料的特性波長，小於此波長的入射光將可穿透，等於此波長的入射光將被吸收，大於此波長的入射光將被反射。因此，若能調整隔熱材之電漿波長為780nm左右時，材料將可同時滿足透明性與紅外線阻絕的隔熱需求。

一般環保奈米隔熱塗料已具有多項優勢如下圖所示：

透明隔熱材料應用

隨著節能減碳趨勢的發展，台灣工業技術研究院材料與化學研究所針對新一代的建築應用，開發出兩款高透明隔熱材料，以應用在綠建材領域，分別是噴塗式熱隔絕技術(Spray thermal insulation technology, Spray IT) 和軟式奈米分散塗料。兩者皆有高度透明與高度的紅外熱反射特性，分別適用於各種不同應用場合、不同氣候條件。

以奈米塗料製作之高透光隔熱膜產品，其適於濕法塗佈製程，如成捲式(Roll to Roll)製程，隔熱粉體在膜中呈現奈米分散，粒徑小於80nm，粒徑越小則塗膜的透光率越高。此奈米透明隔熱膜外觀清澈，緊貼於窗戶玻璃上幾乎看不出有貼膜的遮蔽影響。

圖/ Roll-to-Roll wet coating process

此外，在測試條件下，玻璃貼上此奈米透明隔熱塗料製作的隔熱膜後，在隔熱測試中，溫度較一般玻璃低，溫差最高可達7~8^oC，證明其隔熱效果確實有效。檢測此隔熱膜具有最高可見光穿透率 (Tvis= 71%)與紅外線阻隔率(Rir=90%)，兼具低成本與高隔熱性能的優點，又不影響電子通訊傳輸，且不會鏡面反光，大幅提升市場競爭力。

圖/隔熱測試

而噴塗式隔熱技術(Spray IT)，是結合特定材料設計與噴塗機械(手臂)，將透明隔熱膜成膜於玻璃或其他磁磚表面上，可將熱反射於窗戶外，使得室內光線的舒適明亮，不需因空調而耗費大量的電能。它有低廉的製造成本，推出可噴在玻璃窗戶和其他材料上的噴霧絕緣塗層，Spray IT使用氧化錫並摻入少量鋰和氟來完成此項技術。使用噴塗式隔熱技術的玻璃，具有降溫10℃的潛力，有助於降低空調用電。根據工研院估算，台北的辦公大樓若全棟採用噴塗式隔熱技術，省下的空調費用非常可觀，約兩年就能回收材料成本。

圖/塗料前後對照圖

除了節能建材的應用外，噴塗式隔熱技術的高透光、高隔熱性能，也為相關產業帶來商機，例如太陽能電池的覆板，可有效降低溫度而提高良好的發電效率，另一被看好的商機則是可取代透明導電膜ITO，若成功量產將能減少六成的成本，具有相當大的商品潛力。因為，工研院Spray IT此項技術，原料成本比一般反射材料中常用的銀底膜便宜許多，而且使用一般的噴灑法無需特定儀器設備即可，未來在建築與汽車玻璃的隔熱節能應用上日益廣泛。

此噴塗式隔熱技術獲得今年度華爾街日報的科技創新獎的環境類首獎，讓國際瞭解台灣持續落實環保理念，並積極研發對地球更友善的節能材料，是值得受肯定的。