專利名稱：近紅外吸收性丙烯酸建筑砌塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及丙烯酸建筑砌塊。具體的說，本發(fā)明涉及其表面能吸收紅外輻射并透射可見光輻射的丙烯酸建筑砌塊。
背景技術(shù)：
建筑砌塊能提供有吸引力和裝飾性的內(nèi)墻或外墻建筑設(shè)計風(fēng)格，它能允許光線射入建筑，房間，或工作區(qū)。雖然可能有其他形狀，但是這些砌塊通常是矩形砌塊，具有一對半透明或透明表面或窗口，通過四個側(cè)面結(jié)合，形成中空體。
丙烯酸建筑砌塊被廣泛用于居家和商用建筑中。這些砌塊比玻璃砌塊輕75％，不需要使用玻璃砌塊所要求的昂貴支承框架和錨固。因此，建筑師就不會碰到玻璃砌塊的形狀限制和尺寸限制問題，特別是用于樓上和教堂頂時，這些應(yīng)用中的支承框架會變得非常復(fù)雜和昂貴。另外，丙烯酸樹脂能被模制成要求的形狀并具有極佳的強度，透明度和耐候性，使其符合建筑材料的要求。
但是，丙烯酸樹脂對太陽光中的紅外輻射也具有很高的透射比，所以該砌塊另一側(cè)空間的溫度，即，砌塊遠離太陽側(cè)的溫度會升高。在某些情況下，比如在頂棚應(yīng)用中，要求能過濾掉透過該丙烯酸建筑砌塊的紅外輻射而不會實質(zhì)降低可見光輻射的透射。因此，該砌塊仍然是半透明或透明的，仍能透射可見光輻射，但該砌塊另一側(cè)的空間不會被太陽的紅外輻射加熱。
從太陽發(fā)出的輻射能量通常被分成三個區(qū)域，近紫外，可見，和近紅外。這些區(qū)域共同覆蓋了從大約290納米到5000納米的波長。通常認(rèn)為近紫外包括從大約300納米到400納米的范圍；可見，即“白光”是大約400納米到700納米的區(qū)域，近紅外是大約700納米到5000納米的區(qū)域。大約53％的到達地球表面的太陽輻射在近紅外區(qū)域中，大約三分之二的這些紅外輻射在700納米到1300納米范圍內(nèi)。因此需要提供一種能吸收紅外輻射，特別是在700納米到1300納米區(qū)域內(nèi)的紅外輻射，而不會明顯影響可見光輻射向該砌塊另一側(cè)的建筑，房間，或工作區(qū)的透射的丙烯酸建筑砌塊。
發(fā)明概述本發(fā)明是一種丙烯酸建筑砌塊，該砌塊具有的一對表面，被多個垂直于該表面的側(cè)面接合，每個表面和側(cè)面都具有內(nèi)表面和外表面，表面和側(cè)面定義了內(nèi)室；每個表面中都含有丙烯酸樹脂和有效量的紅外吸收劑；該紅外吸收劑包括由以下結(jié)構(gòu)式I所表示的紅外吸收性酞菁化合物。另一方面，Z1到Z16中至少4個基團是氟。另一方面，M是VO，Z1到Z16中4到8個基團是C6H5NH，Z1到Z16中剩余的8到12個基團是氟。另一方面，有4個側(cè)邊，每個表面都是正方形的。
發(fā)明具體說明丙烯酸建筑砌塊丙烯酸建筑砌塊具有被多個側(cè)面接合的一對表面。這些側(cè)面垂直于表面。每個側(cè)面和表面都具有內(nèi)表面和外表面。這些表面和側(cè)面共同定義了內(nèi)室。建筑砌塊通常但并不一定是包括被四個側(cè)面接合的一對表面的矩形砌塊。更典型的四個側(cè)面是相同的，每個表面都是正方形的。但是，丙烯酸建筑砌塊的形狀可以是除了正方形之外的其他形狀，比如是矩形；還可以是除了具有四個側(cè)面形狀的其他形狀，比如是六邊形；或者是具有一個或多個彎曲側(cè)面的形狀。
通常，該丙烯酸建筑砌塊是由丙烯酸樹脂模制成的兩個中空半體，更典型的是兩個相同的中空半體，被永久焊接在一起形成焊縫。制得的砌塊是具有中空內(nèi)部或腔室的完全密封單元。雖然對本發(fā)明所制造丙烯酸建筑砌塊的尺寸或形狀沒有限制，但是能購得各種尺寸的正方形構(gòu)造砌塊，比如側(cè)面是6英寸，8英寸，或9英寸，厚度可能是大約2英寸或3英寸。還能制造具有三個平直側(cè)面和一個彎曲側(cè)面的砌塊。這些表面通常具有大約1/8英寸(大約0.125英寸)到3/8英寸(大約0.375英寸)，比如大約0.165英寸的厚度。
丙烯酸建筑砌塊是透明或半透明的，其一個或兩個表面上可以具有紋理圖案。半透明構(gòu)件能透射白光，但是能保持私密性。砌塊的外表面可以是平滑的，或者可能具有合適的結(jié)構(gòu)，能使其與其他砌塊接合。丙烯酸建筑砌塊如Carlson的美國專利4891925；Kline的美國專利5033245和5038542；Regina的美國專利5836125；和Fisher的美國專利5778620，6260317，和6393790中所公開；這些公開文獻都作為本申請的參考文獻。
砌塊中所含丙烯酸樹脂是熱塑性合成聚合物或共聚物，通過聚合或共聚丙烯酸，甲基丙烯酸，或其酯，比如甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸乙酯，丙烯酸乙酯，甲基丙烯酸丁酯，和/或丙烯酸丁酯而制得。通常，用于丙烯酸建筑砌塊的丙烯酸樹脂主要或完全由甲基丙烯酸甲酯制得。這些樹脂是本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的，比如可以從Atrofina Chemicals，Philadelphia，PA，USA購得，商品名是PLEXIGLAS丙烯酸樹脂。適用的PLEXIGLAS丙烯酸樹脂包括，比如丙烯酸樹脂MI-7，HFI-7，SG-10，SG-7，DR-101，和HFI-10-101。這些丙烯酸樹脂具有很高的抗沖擊性和極佳的光學(xué)特性。比如，3.2毫米厚度(0.125英寸)的PLEXIGLASMI-7丙烯酸樹脂樣品按照ASTM方法D638測定時具有最大7000磅/平方英寸的拉伸強度，按照ASTM方法D1003測定時具有大約91％的透光率和小于2％的霧度?？梢杂糜谛纬善鰤K的PLEXIGLAS磨砂丙烯酸樹脂是半透明的，而不是透明的，按照上述方法測定時具有最大7600磅/平方英寸的拉伸強度，大約84％的透光率，和98％的霧度。
紅外吸收性化合物建筑砌塊每個表面中都含有有效量的吸收劑，能降低透過該砌塊的紅外輻射量，特別是700納米到1300納米范圍的紅外輻射，但是能透射大部分可見光輻射(“白光”)。吸收劑包括由結(jié)構(gòu)式1表示的紅外吸收性酞菁化合物 結(jié)構(gòu)式1
其中，Z1到Z16分別代表SR1，OR2，氫原子，鹵素原子，或NHY，其中Y分別代表具有一個或多個取代基的苯基，這些取代基選自具有1到4個碳原子的1到3個烷基，具有1到4個碳原子的1到2個烷氧基，具有1到8個碳原子和1到5個鹵素原子的1到2個烷氧羰基，或具有1到8個碳原子的烷基；R1和R2分別代表具有一個或多個取代基的苯基，這些取代基選自具有1到4個碳原子的1到3個烷基，具有1到4個碳原子的1或2個烷氧基，具有1到4個碳原子的1或2個烷氧羰基，具有1到8個碳原子和1到5個鹵素原子的1或2個烷氧羰基或具有1到20個碳原子的烷基；M代表金屬，金屬氧化物，金屬鹵化物或兩個氫原子；條件是Z1到Z16中至少一個基團是NHY。
這些化合物在光譜的可見區(qū)域具有很高的透射比，但是能吸收光譜紅外區(qū)域的輻射。這些化合物如Kaieda的美國專利5712332；Masuda的美國專利6069244；和Masuda的美國專利申請2003/0234995A1中所公開。這些專利和專利申請的公開文件都作為本申請的參考文獻。
具有1到8個碳原子的烷基包括，比如甲基，乙基，正-丙基，異-丙基，正-丁基，異-丁基，叔-丁基，和直鏈與支鏈戊基，己基，環(huán)己基，庚基，和辛基。具有1到20個碳原子的烷基還包括，比如直鏈和支鏈癸基，十二烷基，十一烷基，十三烷基，十四烷基，十五烷基，十六烷基，十七烷基，十八烷基，十九烷基，和二十烷基。鹵素包括氯，氟，溴，和碘。
取代苯基包括，比如被具有1到4個碳原子的1到3個烷基取代的苯基，被具有1到4個碳原子的1到2個烷氧基取代的苯基，具有含1到8個碳原子的1到2個烷氧羰基的苯基，和被1到5個鹵素原子取代的苯基。
M是，比如銅，鋅，鈷，鎳，鐵，釩，鈦，銦，錫，鈀，或鋁等金屬；比如釩氧基(VO)，或鈦氧基(TiO)等金屬氧化物；比如氯化銦或二氯化錫等金屬鹵化物；或兩個氫原子。優(yōu)選M是銅，鋅，鈷，鎳，鐵，釩氧基，鈦氧基，氯化銦或二氯化錫，特別優(yōu)選銅，鋅，鈷，釩氧基和二氯化錫，這些物質(zhì)能提供很好的抗光性。更優(yōu)選具有很高吸熱能力的釩氧基化合物。
NHY是苯氨基或烷氨基，可以具有取代基。Z1到Z16中至少1個，優(yōu)選大于4個，更優(yōu)選大于6個基團是NHY，剩余的Z1到Z16取代基選自苯硫代和烷硫代基團，可以具有取代基，由SR1表示；苯氧基和烷氧基，可以具有取代基，由OR2表示；氫；和鹵素。典型取代基包括，比如甲基，甲氧基，乙氧基，和鹵素。
隨著NHY取代基數(shù)量的增加，紅外吸收性酞菁化合物的紅外吸收也增大。因此優(yōu)選大量NHY基團。另外，特別優(yōu)選NHY是苯胺基的化合物，因為其耐光性和耐熱性都很高。在酞菁化合物中，Z1到Z16中至少1個，優(yōu)選大于4個，更優(yōu)選大于6個基團是NHY，取代基NHY，SR1，SR2和鹵素原子的總數(shù)是9或更大。這些酞菁化合物與樹脂具有很高的相容性。在酞菁化合物中，Z2，Z3，Z6，Z7，Z10，Z11，Z14和Z15中至少4個，優(yōu)選大于6個基團是NHY。這些酞菁化合物具有更好的耐光性。
特別優(yōu)選紅外吸收性酞菁化合物中至少4個取代基是氟(-F)。這些化合物具有很高的熱輻射吸收能力，耐光性，耐熱性和與丙烯酸樹脂的相容性，而且很容易制造。
優(yōu)選的紅外吸收性酞菁化合物是EXCOLOR803K紅外吸收性化合物，這是一種可溶于甲苯的酞菁紅外吸收性化合物，在大約850納米處具有吸收峰值，可以從Nippon Shokubai Co，Osaka，Japan獲得。這種化合物是一種含氟的紅外吸收性酞菁化合物，如Masuda的美國專利申請2003/0234995A1第段和JP-A-2002-822193中所述，這些公開文件都是本申請的參考文獻。據(jù)信EXCOLOR803K(CAS#189326-16-7)具有結(jié)構(gòu)式2(Cdp1，下文)所示結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，M是VO，Z1到Z16中4到8個基團是C6H5NH，Z1到Z16中剩余的8到12個基團是氟。
結(jié)構(gòu)式2可以采用熔體擠出方法將紅外吸收性酞菁化合物摻入丙烯酸樹脂中。用于丙烯酸樹脂熔體擠出的設(shè)備和條件是本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的，可以從Atofina Chemicals的網(wǎng)站(atofinachemicals.com)上找到。比如，可以將紅外吸收性酞菁化合物和丙烯酸樹脂混合在一起并擠出，通常在大約230℃到260℃(大約450°F到500°F)的溫度下。適用的丙烯酸樹脂是PLEXIGLASMI-7丙烯酸樹脂(Atrofina Chemicals，Philadelphia，PA，USA)。在制得的丙烯酸樹脂中沒有明顯的顏色變化，在丙烯酸樹脂中也不能觀察到紅外吸收性酞菁化合物的顆粒。
可以通過濃色體形式向丙烯酸樹脂中加入紅外吸收劑，濃色體為具有高含量紅外吸收劑的少量丙烯酸樹脂。向大量丙烯酸樹脂中加入確定量的濃色體。采用這種方法能向大量丙烯酸樹脂中準(zhǔn)確加入要求量的紅外吸收劑。
采用本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的方法能將制得的丙烯酸樹脂模制成丙烯酸建筑砌塊。如上所述，丙烯酸建筑砌塊通常是從含有效量紅外吸收劑的丙烯酸樹脂模制而成的兩個中空半體，更典型是兩個相同的中空半體，被永久焊接在一起形成焊縫。
丙烯酸建筑砌塊的每個表面中都包括有效量的紅外吸收劑。其有效量足以降低透過建筑砌塊的紅外輻射量，導(dǎo)致砌塊遠離紅外輻射源一側(cè)的區(qū)域不會被紅外輻射明顯加熱，但是能透射大部分可見光輻射。本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的是，可以用Beer定律從含有吸收劑的材料厚度和吸收劑在要求波長處的消光系數(shù)確定在特定波長處產(chǎn)生特定光密度所需要的吸收劑濃度。優(yōu)選其有效量能使單個表面(大約0.165英寸厚度)產(chǎn)生最少0.4％的太陽輻射熱增益系數(shù)，同時保持高水平的可見光透射。
吸收劑可以是單一的紅外吸收性酞菁化合物或者是兩種或多種紅外吸收性酞菁化合物的混合?？梢允褂脙煞N或多種紅外吸收性酞菁化合物的混合，每種酞菁化合物都具有不同的吸收峰值，比如能提高紅外輻射的吸收率而不會增加可見光輻射的吸收。另外，吸收劑可以包括一種或多種紅外吸收性酞菁化合物以及一種或多種非酞菁化合物的紅外吸收劑。比如，吸收劑可以是EXCOLOR803K等紅外吸收性酞菁化合物和碳黑的混合。使用這種混合物能吸收紅外輻射，保持可見光輻射的高透射比，并降低成本。
工業(yè)適應(yīng)性本發(fā)明的紅外吸收性建筑砌塊可以被用于要求能透過可見光輻射(“白光”)而不能傳遞紅外輻射以及由于吸收紅外輻射所產(chǎn)生熱量的應(yīng)用中，因此，砌塊的與太陽等可見和紅外輻射源相對側(cè)的空間會被可見光輻射照亮而不會被紅外輻射加熱。當(dāng)含有可見與紅外輻射的太陽光照射本發(fā)明的紅外吸收性建筑砌塊時，大部分紅外輻射會被面向太陽的砌塊表面吸收。該表面會因為紅外輻射的吸收而升溫。但是，因為這兩個表面之間中空，通常充填有空氣的腔室的隔熱效應(yīng)以及砌塊另一表面的隔熱效應(yīng)，熱量不會被傳遞到砌塊另一側(cè)的空間。丙烯酸聚合物具有低導(dǎo)熱性，所以熱量不容易從砌塊內(nèi)部傳遞到砌塊遠離太陽側(cè)的空間中。典型應(yīng)用包括，比如住宅和辦公建筑的窗戶，庭院門等戶外門，天窗，和頂棚。
本發(fā)明優(yōu)選實施方式實施例1-7將各種添加劑混合物混入丙烯酸樹脂制成樣品。實施例1-3中使用了Plexiglas V826NA(無添加劑)，硬脂醇，Tinuvin P，和0-100ppm的NIR吸收劑-EXCOLOR 803K。實施例4-7中使用PlexiglasVMHF(NA)(無添加劑)，硬脂酸，Tinuvin P，和0-100ppm的NIR吸收劑-EXCOLOR 803K。然后在American Leistritz雙螺桿擠出機中以220℃擠出樣品。隨后在Arburg注塑機中以230℃，500磅/平方英寸和300磅/平方英寸的背壓以及140°F的模具溫度，將粒料樣品注射成型制成1/8英寸×2.5英寸×3.0英寸的平板。所有測量都是在注射成型的平板上進行的。
配方如表1中所示，測得的性質(zhì)如表2中所示。
表1配方(克)
表2
●太陽能透射比加權(quán)坐標(biāo)計算法參見1967基礎(chǔ)手冊●對垂直裝配的玻璃窗以Ashrae標(biāo)準(zhǔn)簡單強度夏季條件計算遮陽系數(shù)●用Hunterlab色度計-D25型，ASTME1331和E1164在注射成型的平板上計算TWLT。
●用BYK Gardner分光光度計按照ASTM D1003或ASTM D2805-80在注射成型的平板上測量霧度。
實施例8-11●將EXCOLOR 803K和碳黑添加劑預(yù)先混合，然后與PLEXIGLAS MI-7抗沖改性樹脂進行物理混合，如實施例1-7中所述。將預(yù)先混合的聚合物/添加劑混合物送入Killion擠出機的供料器中。
●將聚合物粒料注射成型制成測試平板。
配方和測試結(jié)果如表3中所示。
表3配方(克)
太陽能透射比加權(quán)坐標(biāo)計算法參見1967基礎(chǔ)手冊對垂直裝配的璃窗以ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)簡單強度夏季條件計算遮陽系數(shù)。用Window5和Perkin-Elmer Lambda 9分光光度計的測量數(shù)據(jù)將部分吸收能量換算成太陽輻射熱增益系數(shù)。
以上對本發(fā)明進行了說明，現(xiàn)在對以下內(nèi)容及其等同權(quán)項作權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種丙烯酸建筑砌塊，具有一對表面，通過多個垂直于該表面的側(cè)面接合，每個表面和側(cè)面都具有內(nèi)表面和外表面，這些表面和側(cè)面定義了內(nèi)室；其中每個表面都含有丙烯酸樹脂和有效量的紅外吸收劑；和該紅外吸收劑包括由以下結(jié)構(gòu)表示的紅外吸收性酞菁化合物 其中Z1到Z16分別代表SR1，OR2，氫原子，鹵素原子，或NHY，其中Y分別代表具有一個或多個取代基的苯基，這些取代基選自具有1到4個碳原子的1到3個烷基，具有1到4個碳原子的1到2個烷氧基，具有1到8個碳原子和1到5個鹵素原子的1到2個烷氧羰基，或具有1到8個碳原子的烷基；R1和R2分別代表具有一個或多個取代基的苯基，這些取代基選自具有1到4個碳原子的1到3個烷基，具有1到4個碳原子的1或2個烷氧基，具有1到4個碳原子的1或2個烷氧羰基，具有1到8個碳原子和1到5個鹵素原子的1或2個烷氧羰基，或具有1到20個碳原子的烷基；M表示金屬，金屬氧化物，金屬鹵化物或兩個氫原子；條件是Z1到Z16中至少一個基團是NHY。
2.如權(quán)利要求1所述的丙烯酸建筑砌塊，其特征在于Z1到Z16中至少4個基團是氟。
3.如權(quán)利要求1所述的丙烯酸建筑砌塊，其特征在于M是VO，Z1到Z16中4到8個基團是C6H5NH，Z1到Z16中剩余的8到12個基團是氟。
4.如權(quán)利要求1所述的丙烯酸建筑砌塊，其特征在于該紅外吸收性酞菁化合物是CAS#189326-16-7。
5.如權(quán)利要求1所述的丙烯酸建筑砌塊，其特征在于具有4個側(cè)邊，而且每個表面都是正方形的。
6.如權(quán)利要求1所述的丙烯酸建筑砌塊，其特征在于該紅外吸收劑還包括碳黑。
全文摘要
本發(fā)明公開了其表面能吸收紅外輻射并透射可見光輻射的丙烯酸建筑砌塊。每個表面都含有有效量的紅外吸收劑，該紅外吸收劑包括紅外吸收性酞菁化合物。該砌塊可被用于要求過濾掉透過該丙烯酸砌塊的紅外輻射而不會實質(zhì)上降低可見光輻射的透射的應(yīng)用中。
文檔編號E04C1/40GK1696443SQ20041008188
公開日2005年11月16日 申請日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者L·A·科恩 申請人:阿科瑪公司