DE69927517T2

DE69927517T2 - Thermochromische elemente

Info

Publication number: DE69927517T2
Application number: DE69927517T
Authority: DE
Inventors: J. Harlan BYKER; H. Paul OGBURN
Original assignee: Pleotint LLC
Current assignee: Pleotint LLC
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1999-10-15
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2019-10-16
Also published as: US6446402B1; JP4782926B2; AU6518499A; US6084702A; JP2002527326A; CA2346764A1; DE69927517D1; EP1133391A1; EP1133391B1; MXPA01003739A; WO2000021748A1; CA2346764C; ATE305383T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fenster stellen für Architekten und Bauunternehmer eine signifikante Konstruktionsherausforderung dar. Einerseits sind große Fenster mit hoher Durchlässigkeit wünschenswert, um ein „Freiluft"-Gefühl für die Bewohner des Gebäudes, signifikanten Sonnen- oder Passivwärmegewinn, wenn die Außen- oder Umgebungstemperatur niedrig ist, bereitzustellen, und Fenster sind wünschenswert, um sichtbares Licht in ein Gebäude oder Bauwerk zuzulassen, um Tageslicht bereitzustellen und dadurch die Notwendigkeit elektrischer Beleuchtung während der Zeit, wenn die Bewohner am häufigsten präsent sind, beträchtlich zu verringern. Andererseits können Fenster übermäßige Mengen an Sonnenwärme zulassen, wenn die Außen- oder Umgebungstemperatur hoch und Luftkühlung oder Klimatisierung bereits in Betrieb ist. Dies trifft insbesondere zu bestimmten Zeiten des Tages und für bestimmte Teile eines Gebäudes zu, wenn die Sonneneinstrahlung direkt auf oder durch die Fenster scheint.
Ein Versuch einer Lösung des Problems ist die Verwendung von Fensteraccessoires, wie Rollos, Vorhängen und Markisen. Diese sind jedoch teure, umständliche und ästhetisch unerwünschte Lösungen, insbesondere in großen Bürogebäuden, Hotelatrien und öffentlichen Bauwerken wie Flughafenterminals. Energieeffiziente Fenster auf der Basis thermochromer, photochromer, elektrochromer und photoelektrochromer Technologien sind vorgeschlagen worden, um Fenster mit variabler Durchlässigkeit zur Verwendung in Gebäuden und Bauwerken bereitzustellen. Bis heute hat jedoch noch keines die Leistung, Haltbarkeit, Kosteneffektivität und Bequemlichkeit gezeigt, um auf einer kommerziellen Basis eingesetzt werden zu können.
WO 96/18927 beschreibt einen Glas- oder Polymergegenstand, der einen thermochromen Farbstoff einschließt, mit einer Infrarotstrahlung absorbierenden Beschichtung, die die Temperatur des Gegenstandes empfindlich macht für Infrarotstrahlung, so daß eine Veränderung in der optimalen Dichte des Gegenstandes mit brauchbarer Geschwindigkeit bewirkt werden kann.
WO 93/23987 beschreibt Solarheizplatten, die optische Abdeckungen einschließen, die klar sind, wenn es kalt ist, und oberhalb einer Übergangstemperatur weiß und undurchsichtig werden, um einfallendes Licht zu reflektieren.
WO 95/11127 beschreibt eine elektrisch aktivierte optische Abdeckung, die ein Material einschließt, das normalerweise klar ist, das aber weiß und undurchsichtig wird, wenn es erhitzt wird. Eine leitfähige low-e-Beschichtung in Kontakt mit dem Material wird als eine elektrische Heizeinheit verwendet, so daß die Abdeckung undurchsichtig gemacht werden kann, indem elektrischer Strom durch die low-e-Beschichtung geleitet wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird ein thermochromes Fenster bereitgestellt, wie angegeben in Anspruch 1.
Diese Erfindung betrifft Fenster, die Sonnenlicht oder Sonnenstrahlung in ein Gebäude oder Bauwerk zulassen, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist, und Sonnenstrahlung im wesentlichen blockieren, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist, insbesondere wenn Sonnenlicht direkt auf dem Fenster liegt. Diese Erfindung stellt Fenster bereit, die passive Solarheizung und Tageslicht an kälteren Tagen zulassen und an wärmeren Tagen immer noch signifikantes Tageslicht zulassen, während ein Aufbau von Sonnenwärme blockiert wird, insbesondere von Sonnenlicht, das direkt auf oder durch die Fenster dieser Erfindung scheint.
Fenster und Elemente der Erfindung haben einen thermochromen Charakter, so daß die gesamte Lichtenergie, die von dem Fenster absorbiert wird, ansteigt, wenn die Temperatur der Materialien, die für den thermochromen Charakter verantwortlich sind, von der Umgebungsaußentemperatur auf Temperaturen oberhalb der Umgebungsaußentemperatur erhöht wird.
Vorzugsweise beruht der Lichtenergie absorbierende Charakter der thermochromen Schicht bei Umgebungsaußentemperaturen, der zum Restlichtenergie absorbierenden Charakter beiträgt, auf der gefärbteren Form der verwendeten thermochromen Materialien, die wegen des thermischen Gleichgewichtes zwischen den weniger gefärbten und gefärbteren Formen bei Außenumgebungstemperaturen existiert, oder beruht auf der Färbung der weniger gefärbten Form und beruht nicht auf der photochromen Aktivität der thermochromen Materialien. Vorzugsweise kann das Fenster etwa 5% oder mehr und bevorzugter etwa 10% oder mehr der Energie der Sonneneinstrahlung, die auf das Fenster oder das Element trifft, absorbieren. Vorzugsweise gibt es einen Temperaturanstieg in den Materialien, die für den thermochromen Charakter verantwortlich sind, von wenigstens 10°C oder mehr, vorzugsweise von wenigstens 20°C oberhalb der Umgebungsaußentemperatur, wenn das Fenster oder die Vorrichtung direktem oder vollem Sonnenlicht ausgesetzt wird.
Die Fenster der Erfindung kombinieren fakultativ andere Eigenschaften wie UV-Sperrschichteigenschaften, Schutzabdeckschicht, Mehrscheibenkonstruktion und/oder spezielle Gasfüllungen, um energieeffiziente Fenster bereitzustellen.
Energieeffiziente Fenster, die die Erfindung verkörpern, umfassen eine oder mehrere thermochrome Schichten, die sich vom Absorbieren von weniger Lichtenergie zum Absorbieren von mehr Lichtenergie verändern, wenn die Temperatur der thermochromen Schichten) erhöht wird. Für viele der thermochromen Schichten, die in der Erfindung verwendet werden, bedeutet dies eine Veränderung vom weniger gefärbten zum gefärbteren, wenn die Temperatur der thermochromen Schichten) erhöht wird.
Fenster und Elemente, die die Erfindung verkörpern, umfassen ein oder mehrere Substrate (d.h. Fensterscheibe, Platte, Licht oder Folie). Fenster, die die Erfindung verkörpern, können zwei oder mehr Substrate umfassen, die durch Zwischenräume voneinander beabstandet sind, die Gas oder Vakuum enthalten.
Fenster, die die Erfindung verkörpern, umfassen fakultativ eine Sperrschicht für Licht mit kurzer Wellenlänge. Das Licht mit kurzer Wellenlänge kann ultraviolettes (UV)-Licht sein. Das Licht mit kurzer Wellenlänge kann fakultativ sichtbares Licht mit kurzer Wellenlänge (SWV) einschließen. Die Sperrschicht kann einen Teil oder die Gesamtheit des UV- und/oder SWV-Lichts absorbieren, das auf die Sperrschicht trifft. Die Sperrschicht kann ein Substrat sein, ein Teil eines Substrats (z.B. kann die Sperrschicht in einer polymeren Schicht liegen, die zwei Glasschichten miteinander verbindet), oder die Barriere kann eine Schicht sein, die auf einem Substrat vorgesehen ist. Die Sperrschicht, falls vorhanden, ist zwischen der Sonne und der thermochromen Schicht angeordnet und dient dazu, die thermochrome Schicht und möglicherweise andere vorhandene Schichten zu schützen und/oder deren Verhalten zu modifizieren. Die Sperrschicht kann zum Beispiel andere Schichten vor Photoabbau durch UV-Licht schützen und kann das Verhalten der thermochromen Schicht durch Unterdrücken eines Teils oder der Gesamtheit des photochromen Charakters von vorhandenen Materialien, die sowohl thermochromen als auch photochromen Charakter haben, modifizieren. In vielen Fällen werden die thermochromen Materialien in ein polymeres Material eingearbeitet sein, das einen Zusatzstoff, wie etwa einen UV-Stabilisator, einschließt. Obgleich dieser Stabilisator üblicherweise nicht die gleiche Wirkung wie eine Sperrschicht bereitstellen wird, sind Elemente ohne eine Sperrschicht konstruiert worden, wenn ein UV-Stabilisator in der thermochromen Schicht vorliegt.
Fenster und Elemente der Erfindung umfassen fakultativ eine Schutzüberzugsschicht. Diese Überzugsschicht, falls vorhanden, dient dazu, die thermochrome Schicht und fakultativ jede andere Schicht, die vorhanden sein kann, vor zum Beispiel physischem Abrieb, Sauerstoff und Umweltverunreinigungen zu schützen. Die thermochrome Schicht ist zwischen der Sonne und der Schutzüberzugsschicht, falls sie vorhanden ist, angeordnet, z.B. kann eine Fensterscheibe aus Glas/thermochromer Schicht/Schutzüberzugsschicht mit der Überzugsschicht auf der Innenfläche der Fensterstruktur ausgerichtet sein.
Fenster und Elemente der Erfindung umfassen fakultativ ein oder mehrere Lichtenergie absorbierende Materialien zusätzlich zu thermochromen Materialien. Diese Materialien sorgen für relativ konstante Lichtenergieabsorption (d.h. Absorption, die nicht signifikant abhängig von der Temperatur oder photochemischen Prozessen des Lichtenergie absorbierenden Materials ist). Diese lichtabsorbierenden Materialien dienen dazu, Lichtenergie während direkter oder voller Sonnenlichteinwirkung zu absorbieren, um die Temperatur wenigstens eines Teils des Fensters über die Umgebungstemperatur, die das Fenster umgibt, anzuheben. Dies hilft dabei, die Fenster auf die Direktheit des Sonnenlichts ansprechend zu machen. Diese Lichtenergie absorbierenden Materialien können in einer getrennten Schicht, im Substrat und/oder jeder der anderen vorhandenen Schichten, einschließlich der thermochromen Schicht, enthalten sein, solange die absorbierte Energie das thermochrome Material auf eine Temperatur erwärmen kann, bei der das thermochrome Material in der Sonnenlichtabsorption ansteigt.
Fenster und Elemente der Erfindung umfassen eine oder mehrere Schichten mit niedrigem Emissionsvermögen (low-e). Diese low-e-Schicht(en) hilft (helfen) durch ihre Fähigkeit, infrarotes (IR) Licht zu reflektieren, und/oder ihre Fähigkeit, IR-Licht schlecht zu emittieren oder abzustrahlen, Energieeffizienz bereitzustellen.

Für die Zwecke dieser Erfindung sind unterschiedliche Typen von Licht oder elektromagnetischer Strahlung, auf der Basis der Wellenlängen der Strahlung, wie folgt definiert:

Ultraviolettes Licht (UV)	380 Nanometer bis zu den kürzesten Wellenlängen von Licht, die von der Sonne produziert werden
Sichtbares Licht mir kurzer Wellenlänge (SWV)	380 Nanometer bis 495 Nanometer
Sichtbares Licht	380 Nanometer bis 750 Nanometer
Nahes Infrarotlicht (NIR)	750 Nanometer bis 3.200 Nanometer
Infrarotlicht (IR)	750 Nanometer bis 50.000 Nanometer

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine Vielzahl von Strukturen für die Fenster und Elemente dieser Erfindung.
2 zeigt das Absorptionsvermögen des Fensters der Erfindung als einer Funktion der Temperatur des Fensters, das gemäß Beispiel 2 konstruiert ist.
3 zeigt einen Vergleich der Absorptionsspektren von zwei Typen von Fenstern der Erfindung, die gemäß Beispiel 3 konstruiert sind.
4 zeigt die Transmissionsspektren für verschiedene Substrate und Sperrschichten.
THERMOCHROME SCHICHT
Die thermochrome Schicht besteht aus einem oder mehreren thermochromen Materialien. Zahlreiche thermochrome Materialien sind bekannt und kommerziell erhältlich, die sich von schwarz oder gefärbt zu weniger gefärbt oder farblos verändern, wenn die Temperatur der Materialien erhöht wird. Thermochrome Materialien sind auch bekannt, die sich von NIR-Licht weniger reflektierend zu mehr reflektierend verändern, wenn die Temperatur der Materialien erhöht wird. Obgleich es möglich ist, solche Materialien in den Fenstern und Elemente dieser Erfindung zu kombinieren, verändert sich wenigstens eines der thermochromen Materialien, die in dieser Erfindung verwendet werden, von weniger Lichtenergie absorbierend zu mehr Lichtenergie absorbierend, wenn die Temperatur des thermochromen Materials erhöht wird. Dies bedeutet oft eine Veränderung von farblos oder weniger gefärbt zu gefärbt oder gefärbter, wenn die Temperatur der Materialien erhöht wird.
Die thermochromen Materialien verändern sich in einer reversiblen Art und Weise, so daß ein Material, das in der Lichtenergieabsorption ansteigt, wenn die Temperatur ansteigt, in der Lichtenergieabsorption zurück zu seinem ursprünglichen lichtabsorbierenden Zustand abnehmen wird, wenn die Temperatur des Materials zurück zur ursprünglichen Temperatur abnimmt. Für die vorliegende Erfindung sind thermochrome Materialien bevorzugt, die reversibel zwischen dem Absorbieren von weniger Lichtenergie und dem Absorbieren von mehr Lichtenergie um das Mehrtausendfache vor- und zurückschwingen können, wenn die Temperatur vor- und zurückschwingt. Die thermochromen Materialien sollten während ihrer gesamten Verwendung in den Elemente der Erfindung thermisch und photochemisch stabil sein.
Das (Die) thermochrome(n) Material(ien), das (die) in der Färbung oder Lichtenergieabsorption ansteigt (ansteigen), wenn die Temperatur des (der) Materials(ien) erhöht wird, können aus allen denjenigen ausgewählt werden, von denen aus dem Stand der Technik bekannt ist, daß sie diese Eigenschaft besitzen. Das Gebiet der thermochromen Materialien ist in der Übersicht dargestellt von J.H. Day in Chemical Reviews 63, 65–80 (1963); Chemical Reviews 68, 649–657 (1968); und „Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", 3. Ausgabe, Vol. 6, S. 129–142, John Wiley and Sons, Inc. (1979). Ein Teil der thermochromen Technik ist auch beschrieben von G.J. Sabongi in „Chemical Triggering, Reactions of Potential Utility in Industrial Processes", Chapter 5, S. 240–278, Plenum Press (1987). Der Thermochromismus einer Vielzahl photochromer Materialien ist diskutiert von R.C. Bertelson und anderen in „Photochromism", herausgegeben von G. H. Brown, John Wiley and Sons (1971). Bevorzugt unter den thermochromen Materialien im Stand der Technik, die in der Färbung ansteigen, wenn die Temperatur ansteigt, sind die Verbindungen mit den unten dargestellten Strukturen:
Indolinobenzospiropyrane
Indolinonaphthospiropyrane
Benzothiazolinnaphthospiropyrane
Dinaphthospiropyrane
Indolinonaphthospirooxazin
Oxazepinospirooxazine, wie offenbart von Castaldi und Allegrini in US-Patent 5,055,576. Die Substituenten R₁ bis R₁₂ sind, wie in der Offenbarung von US-Patent 5,055,576 offenbart.
Spiro-3,6-dihydroxyfluroenphthalanone (dargestellte Struktur) und Spiro-3,6-dihydroxyfluoren-1,3-dihydro-2,2-dioxybenzoisothiophene (Struktur nicht dargestellt), wie offenbart von Kampe et al. in US-Patent 5,294,375. Die Substituenten X und Y sind so ausgewählt, daß sie die in US-Patent 5,294,375 offenbarten Substituenten einschließen.
Acridinonaphthospiropyrane
Sofern oben nicht anders angegeben, sind die X- und Y-Substituenten der obigen Strukturen so ausgewählt, daß sie die Substituenten widerspiegeln, die an diesen Verbindungen in den Übersichtsartikeln über thermochrome und photochrome Materialien, die oben zitiert sind, beschrieben sind.
Eines der bevorzugtesten thermochromen Materialien ist ein Spirooxazin, das zur Verwendung als ein photochromes Material unter dem Markennamen Reversacol Palatenate Purple von Keystone Aniline Corporation, Chicago, Illinois, vertrieben wird. Die berichtete Struktur ist unten dargestellt:
Die anderen bevorzugtesten Materialien sind die Spirooxazine, ebenfalls zur Verwendung als photochrome Materialien vertrieben, die unter den Markennamen Reversacol Sea Green und Reversacol Aqua Green von Keystone Aniline Corporation, Chicago, Illinois, bekannt sind. Die berichtete Strukturen für diese Verbindungen sind wie unten dargestellt:
Neben den Spiro-Verbindungen, deren Strukturen oben angegeben sind, sind auch thermochrome Systeme, die sich von farblos oder weniger gefärbt zu gefärbt oder gefärbter verändern, wenn die Temperatur ansteigt, auf der Basis eines temperaturabhängigen Protonenübergangs, in den Elementen der Erfindung brauchbar. Bevorzugte Systeme diesen Typs sind diejenigen, die in US-Patent 4,421,560 für Kito et al. und von Tsutsui et al. in Japanese Journal of Applied Physics, 33, 5925–5928 (1994) beschrieben sind.
Ein weiterer Typ von thermochromen Materialien, die in der vorliegenden Erfindung brauchbar sind, ist die Klasse von Verbindungen, die als Chromene bekannt sind, oft von Interesse wegen ihrer photochromen Eigenschaften. Mehrere Chromene und zusätzliche Spirooxazin-Verbindungen von Interesse sind in US-Patent 5,621,017 für Kobayakawa und Momoda aufgelistet.
Die meisten thermochromen Materialien, die in ihrem gefärbten Zustand sichtbares Licht absorbieren, absorbieren nur sichtbares Licht bei spezifischen Wellenlängen und scheinen somit eine bestimmte Farbe zu haben. Um eine andere Farbe als die bestimmte Farbe eines einzelnen thermochromen Materials zu erreichen, können zwei oder mehr thermochrome Materialien oder thermochrome Systeme kombiniert werden. Damit die zusammengesetzten Farben von zwei oder mehr Materialien über einen bestimmten Bereich von Temperaturen konsistent ist, sollten die Temperaturaktivierungsprofile für die Farbveränderung der Materialien ähnlich sein (d.h. sie sollten sich über etwa denselben Temperaturbereich von farblos oder weniger gefärbt zu gefärbt oder gefärbter verändern). Zusätzlich sollten die thermochromen Materialien die farbverändernden Eigenschaften der jeweils anderen nicht signifikant beeinflussen oder sie sollten in getrennten Schichten enthalten sein. Das Mischen und Anpassen von Verbindungen, um eine bestimmte Farbe zu erzielen, ist auf dem Gebiet der Farben und dem Gebiet der Farbstoffe und des Färbens gut bekannt und dieser Stand der Technik kann als eine Anleitung bei der Auswahl von Kombinationen von thermochromen Materialien für die vorliegende Erfindung verwendet werden. Anleitungen können auch gefunden werden in „Principles of Color Technology, 2. Ausgabe", F.W. Billmeyer Jr. und M. Saltzman, John Wiley and Sons, Inc. (1981). Oft ist Grau eine wünschenswerte Farbe und dieses Aussehen kann dadurch erreicht werden, daß man eine flache oder strukturlose Absorptionskurve über das sichtbare Spektrum hat, oder durch Kombinieren von thermochromen Materialien, die, wenn gefärbt, relativ ähnliche Mengen Licht der komplementären Farben Blau, Grün und Rot durchlassen. Vorzugsweise ist die Chroma (C*_ab) des Elements in vollem Sonnenlicht niedriger als 20.
Eine der vielversprechendsten Kombinationen von thermochromen Materialien für die Elemente der vorliegenden Erfindung ist das Reversacol Palatenate Purple und 1',3'-Dihydro-1',3',3'-trimethyl-5'-methoxy-6-nitrospiro[2H-1-benzopyran-2,2'-(2H)-indol] (Chroma Dye 88, erhältlich von Chroma Chemicals Inc., Dayton, Ohio). Chroma Dye 88 ist auch ein bevorzugtes thermochromes Material. Wenn diese zwei thermochromen Materialien in einer Propylencarbonat-Lösung mit Polyvinylacetat und 2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon kombiniert werden, kann ein Film, durch Verdampfen des Propylencarbonats, hergestellt werden, der gräulich/rötlich/braun ist. Wenn die Temperatur erhöht wird, wird der Film bläulich/grau. Dies steht im Vergleich zu einem Film der qualitativ identisch ist, aber nur mit Reversacol Palatenate Purple als thermochromem Material, der sich von grün zu dunkelbläulich/grün verändert, wenn seine Temperatur erhöht wird, und einem Film, der qualitativ identisch ist, aber nur mit Chroma Dye 88 als dem thermochromem Material, der sich von hellrötlich braun zu dunkelrötlich/braun verändert, wenn seine Temperatur erhöht wird.
Ein weiteres bevorzugtes thermochromes Material is 1',3'-Dihydro-1'-dodecyl-3',3'-dimethyl-6-nitrospiro[2H-1-benzopyran-2,2'-(2H)-indol] (Chroma Dye 37, erhältlich von Chroma Chemicals, Inc., Dayton, Ohio). Ein thermochromer Film mit Chroma Dye 37 in Poly(vinylbutyral-co-vinylalkohol-co-vinylacetat) und 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon verändert sich von hellrot zu zunehmend dunkler purpurfarben und dann blaupurpurfarben, wenn die Temperatur des Films erhöht wird.
Die thermochrome Schicht kann mehrere thermochrome Materialien mit verschiedenen Aktivierungstemperaturen für Farbänderung enthalten. Ein Fenster kann zum Beispiel eine kleine Menge eines thermochromen Materials enthalten, das eine signifikante Farbmenge bei etwa 25 bis 30°C entwickelt. Das Fenster kann auch ein oder mehrere zusätzliche thermochrome Materialien enthalten, die signifikante Farbe bei höheren Temperaturen entwickeln, wie etwa 35, 45 und/oder 55°C. Dies ermöglicht einen allmählicheren Anstieg in der Färbung, wenn die Temperatur ansteigt.
Die thermochrome Schicht kann aus mehreren Schichten bestehen, die unterschiedliche thermochrome Materialien oder thermochrome Systeme enthalten, insbesondere wenn die thermochromen Materialien oder thermochromen Systeme gegenseitig ihr Verhalten nachteilig beeinflussen, wenn sie in derselben Schicht enthalten sind.
Die Temperatur, bei der signifikante thermochrome Aktivität erhalten wird, kann in eine Schicht durch die Auswahl des thermochromen Materials oder von Substituenten auf dem Material oder die Umgebung um das Material herum konzipiert werden. Für die thermochromen Verbindungen, deren Strukturen oben angegeben sind, die einen Pyranring enthalten, führt das Plazieren eines elektronenziehenden Substituenten auf der Pyranseite des Moleküls und/oder eines elektronenspendenden Substituenten auf der anderen Seite des Moleküls dazu, die Temperatur zu senken, bei der signifikante thermochrome Färbung stattfindet. Für die thermochromen Verbindungen, deren Strukturen oben angegeben sind, die eine Indol-Einheit enthalten, führt das Plazieren einer sperrigen Alkylgruppe (wie Isopropyl, tertiäres Butyl, Isobutyl oder Neopentyl) auf dem Stickstoff des Indols ebenfalls dazu, die Temperatur zu senken, bei der signifikante thermochrome Färbung stattfindet. Das Senken der Polarität der Umgebung um die thermochromen Materialien herum führt dazu, die Temperatur zu erhöhen, bei der signifikante thermochrome Verfärbung stattfindet und umgekehrt. Die Polarität um das thermochrome Material herum kann durch Lösemittel oder Weichmacher in einer Polymermatrix, die das thermochrome Material enthält, beeinflußt werden oder die Polarität kann durch Auswahl des Polymers selbst und/oder die Polarität von funktionellen Gruppen in oder auf dem Polymer beeinflußt werden. Die „Offenheit" der Polymermatrix bewirkt auch die Fähigkeit der thermochromen Verbindungen vom Spiro-Typ, eine Ringöffnung zu ihrer gefärbten Form zu durchlaufen. Polymere mit niedriger Vernetzungsdichte, großen Hohl- oder Zwischenräumen oder Polymere mit niedrigen Glasübergangstemperaturen neigen dazu, Färbung bei niedrigeren Temperaturen zu begünstigen.
Der Bereich von Außen- oder Umgebungstemperaturen, bei denen es wünschenswert ist, daß die thermochrome Schicht aktiv ist, ist etwa 20°C bis 55°C. In Gegenwart der richtigen Menge an lichtabsorbierendem Charakter und direkter Sonnenlichteinwirkung ist die Temperatur der thermochromen Schicht selbst typischerweise etwa 30°C bis 90°C. Der Temperaturbereich von etwa 30°C bis 90°C ist der Bereich, in dem signifikante Anstiege in der Färbung der thermochromen Schichten der Elemente der Erfindung stattfinden.
Viele der obigen thermochromen Materialien sind photochrom. Viele von denjenigen, die photochrom sind, verfärben sich signifikant, wenn sie UV- und/oder SWV-Licht bei Temperaturen zwischen etwa 10°C und 30°C absorbieren. Die Geschwindigkeit der thermischen Bleichung des photogefärbten Zustands oder die Geschwindigkeit der Rückkehr zum thermischen Gleichgewicht steigt mit ansteigender Temperatur, so daß bei etwa 35°C bis 40°C viele der photochrom aktiven Materialien sehr geringe photoinduzierte steady-state-Färbung zeigen. Wie unten angegeben, kann die photochrome Aktivität auch durch Verwendung einer Sperrschicht, um UV- oder UV- und SWV-Licht zu absorbieren, blockiert oder kontrolliert werden. Das thermische Gleichgewicht zwischen der weniger gefärbten und der gefärbteren Form verschiebt sich für viele der thermochromen Materialien, deren Strukturen oben angegeben sind, zu ansteigender Konzentration der gefärbteren Form hin, wenn die Temperatur erhöht wird. Die bevorzugten thermochromen Materialien und thermochromen Systeme sind diejenigen, die einen großen Anstieg in der Färbung aufgrund der Verschiebung des thermischen Gleichgewichts über den Temperaturbereich von etwa 30°C bis 90°C haben.
Unglücklicherweise kann die gefärbtere Form von einigen der Materialien, deren Strukturen oben angegeben sind, durch die Absorption von sichtbarem Licht von der Sonne in einer sogenannten Photobleichreaktion in die weniger gefärbte Form umgewandelt werden. Diese Photobleichreaktion ist für die thermochromen Materialien, die in den Elemente der vorliegenden Erfindung verwendet werden, unerwünscht. Eine thermochrome Schicht, die 1',3'-Dihydro-1'-ethyl-3'-ethyl-3'-methyl-6-nitrospiro[2H-1-benzopyran-2,2'-(2H)-indol] (Chroma Dye 47, erhältlich von Chroms Chemicals, Inc., Dayton, Ohio) enthält, verändert sich zum Beispiel von hellrot zu dunkelrot bei Erwärmen von 20°C auf 60°C in Abwesenheit von Sonnenlicht in Filmen aus Polymethylmethacrylat, Polyvinylacetat und Poly(vinylbutyrat-co-vinylalkohol-co-vinylacetat) und scheint ein hervorragender Kandidat für ein thermochromes Material und/oder Material zur Kombination mit anderen thermochromen Materialien in allen diesen Polymerschichten zu sein. Erwärmen in Sonnenlicht führte jedoch zu sehr wenig, wenn überhaupt, Anstieg in der Lichtabsorption für Chroms Dye 47 in Polymethylmethacrylat und Polyvinylacetat wegen, wie man glaubt, durch sichtbares Licht induzierter Umwandlung der gefärbteren Form zur weniger gefärbten Form oder Photobleichung. Dieses Problem wurde mit Chroma Dye 47 in Poly(vinylbutyrat-co-vinylalkohol-co-vinylacetat) in Gegenwart von 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon nicht beobachtet. Chroma Dye 47 ist ein bevorzugtes thermochromes Material zur Verwendung in Filmen, die Poly(vinylbutyral-co-vinylalkohol-co-vinylacetat) enthalten, insbesondere denjenigen, die auch UV-Absorber vom Benzophenon-Typ enthalten, die die thermochrome Aktivität von Chroma Dye 47 zu akzentuieren scheinen. Das thermochrome Material Chroma Dye 88 leidet in einigen Polymersystemen an diesem Photobleichphänomen, aber im allgemeinen in geringerem Umfang als Chroma Dye 47, und kann noch in thermochromen Schichten verwendet werden, insbesondere in Kombination mit anderen thermochromen Materialien.
Das thermochrome und photochrome Färben und Bleichen der meisten thermochromen (TC) Materialien vom Spiro-Typ kann wie folgt zusammengefaßt werden:
Thermochrome Materialien, die bei einer gegebenen Temperatur oder Intensität von Sonnenlichteinwirkung nicht photochrom zu sein scheinen, verändern ihre Farbe bei Absorption von hν₁ nicht oder haben eine hohe Geschwindigkeit der Thermo- oder Photobleichung. Thermochrome Materialien, die photochrom sind, können ihre photochrome Natur durch eine Sperrschicht, die die Gesamtheit oder einen Teil der Lichtenergie hv₁ absorbiert, bevor sie das thermochrome/photochrome Material erreicht, eliminiert oder modifiziert bekommen. Auch kann die photochrome Aktivität eines thermochromen Materials modifiziert werden, entweder verstärkt oder unterdrückt, durch die Umgebung um das Material herum (Typ der Polymermatrix, Weichmacher, Adsorption des thermochromen Materials auf Metalloxiden, wie etwa Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, und Additive, insbesondere UV- oder SWV-Lichtabsorber, die in derselben Schicht mit dem thermochromen/photochromen Material enthalten sind). Um die unerwünschte Photobleichreaktion zu verhindern, sind thermochrome Materialien bevorzugt, die niedrige Quantenausbeute für den Bleichprozeß, verursacht durch Absorption von hν₂, haben oder bei denen wenig oder kein Licht der Frequenz ν₂ das thermochrome Material erreicht. Überraschenderweise sind thermochrome Materialien und Schichten gefunden worden, und werden in den Beispielen unten beschrieben, die die wünschenswerten Merkmale aufweisen und die Nachteile dieser verschiedenen thermischen und photoinduzierten Reaktionen vermeiden.
Die Fenster der Erfindung verändern sich vom Durchlassen signifikanter Mengen an Sonnenenergie zum Absorbieren signifikanter Mengen an Sonnenenergie, wenn die Außen- oder Umgebungstemperatur warm ist (relativ zur gewünschten Temperatur des Inneren des Gebäudes oder Bauwerks, das das Fenster enthält) und das Sonnenlicht direkt ist. Eine weitgehend photochrome Schicht in einer Fensterkonstruktion ähnlich zur vorliegenden Erfindung würde den Nachteil haben, signifikant Sonnenenergie absorbierend zu werden, wenn das Sonnenlicht direkt auf dem Fenster steht, aber die Außentemperatur kühl oder kalt ist (relativ zur gewünschten Temperatur des Inneren des Gebäudes oder Bauwerks). Zusätzlich färben sich die meisten photochromen Materialien an wolkigen Tagen signifikant, weil die Wolken genügend UV durchlassen, um Färbung zu bewirken, obgleich wolkige Tage üblicherweise kühl sind und die Wolken die Menge an Photobleichung aufgrund von sichtbarem Licht verringern. Dies ist ein signifikantes Problem, wenn das Fenster Raumbeleuchtung bereitstellen soll (auch bekannt als Tageslicht), weil das Fenster sich verdunkeln würde, wenn die Menge an sichtbarem Licht von der Sonne gering ist, und somit sogar noch mehr elektrische Beleuchtung im Raum erforderlich sein würde.
Ein kleines Ausmaß an photochromem Charakter könnte jedoch mit dem thermochromen Charakter durch das Vorhandensein von zum Beispiel: (1) einer kleinen oder bescheidenen Menge eines photochromen Materials; (2) einer substantiellen Menge an photochromem Material, dessen photochrome Aktivität teilweise unterdrückt worden ist; und/oder (3) einer kleinen Menge an photochromer Aktivität in einem thermochromen Material kombiniert werden. Zusätzlich zum Lichtenergie absorbierenden Charakter bewirkt die Farbänderung aufgrund der photochromen Aktivität eine gewisse Absorption an Sonnenenergie, insbesondere von direktem Sonnenlicht und einen Temperaturanstieg in der Schicht, die die photochrome Aktivität enthält, und allen benachbarten Schichten. Wenn die Außentemperatur warm ist, kann dieser zusätzliche Temperaturanstieg mehr Farbänderung in thermochromen Materialien bewirken, die in derselben Schicht und/oder einer benachbarten Schicht enthalten sind. Wenn die Außentemperatur kühl oder kalt ist, ist die Farbänderung und der Temperaturanstieg aufgrund eines kleinen Ausmaßes an durch direktes Sonnenlicht induzierter photochromer Aktivität nicht ausreichend, um signifikante thermochrome Reaktionen zu induzieren, noch um signifikante Mengen an Sonnenenergie daran zu hindern, in das Gebäude oder Bauwerk einzutreten.
Typischerweise ist die thermochrome Schicht eine Schicht mit gleichförmiger Dicke und Eigenschaften, die ungefähr dieselbe Fläche aufweist wie die Sichtfläche des Fensters, mit dem sie verbunden ist. Um eine thermochrome Schicht auszubilden, kann das thermochrome Material als ein reines Material auf eine weitere Schicht oder ein Substrat aufgebracht werden, oder vorzugsweise wird das thermochrome Material in eine Polymermatrix eingearbeitet. Die Polymermatrix kann das Substrat selbst sein oder sie kann eine separate Schicht sein, die auf das Substrat oder eine weitere Schicht aufgebracht wird. Die thermochromen Materialien können direkt in ein Substrat eingearbeitet werden, wenn das Substrat eine Kunststofffolie ist, zum Beispiel durch Bereitstellen von thermochromen Materialien im Monomerteil der Formulierung für die Acrylfolienmaterialherstellung. Die thermochromen Materialien können in eine Formulierung zum Aufbringen auf das Substrat oder auf eine weitere Schicht durch Lösen des thermochromen Materials und des (der) Polymers (Polymere) in einem geeigneten Lösemittel- oder Mehrfachlösemittelsystem eingearbeitet werden, fakultativ zusammen mit Zusatzstoffen (wie etwa UV-Absorbern, Wärme- und Lichtstabilisatoren, Antioxidationsmitteln, Weichmacher(n) und statische Lichtenergie absorbierenden Materialien). Die die thermochrome Schicht bildende Lösung oder Formulierung kann mit einer Vielzahl von Mitteln aufgebracht werden, einschließlich Lösemittelguß, Sprühen, Schleuderauftrag, Sieb- oder Offsetdruck und mit Rakel. Nach dem Auftrag wird der Film durch Verdampfung eines Teils oder der Gesamtheit des (der) Lösemittels (Lösemittel) ausgebildet.
Alternativ kann die thermochrome Schicht durch Einmischen des (der) thermochromen Materials (Materialien) in eine polymerbildende Formulierung und Aushärten oder Reagieren der Formulierung ausgebildet werden. Die polymerbildende Formulierung wird normalerweise vor dem Aushärten oder Reagieren auf ein Substrat oder eine weitere Schicht aufgebracht, aber in dem Fall, daß die Formulierung das richtige Lösemittelsystem enthält, kann sie nach Aushärten oder Reagieren aufgebracht werden. Die polymerbildende Formulierung kann ein oder mehrere polymerbildende Monomere und/oder ein oder mehrere polymerbildende Oligomere umfassen und kann fakultativ ein oder mehrere Polymere, ein oder mehrere Katalysatoren, ein oder mehrere Initiatoren, ein oder mehrere Weichmacher und/oder ein oder mehrere Lösemittel umfassen. Die polymerbildende Formulierung kann thermisch oder durch Strahlung ausgehärtet oder reagiert werden. Die polymerbildende Formulierung kann zu einer thermoplastischen Polymerschicht führen oder die Formulierung kann für Quervernetzung sorgen und zu einer wärmegehärteten Polymerschicht führen. Die polymerbildende Formulierung kann fakultativ Zusatzstoffe, wie etwa UV-Absorber, Wärme- und Lichtstabilisator(en), Antioxidans(tien), Weichmacher und statische Lichtenergie absorbierendes (absorbierende) Material(ien), die in die thermochrome Schicht zusammen mit dem (den) thermochromen Materialien) oder thermochromen Systemen) eingearbeitet werden.
Vorzugsweise wird (werden) das (die) thermochrome(n) Materialien) oder thermochrome(n) Systeme) dauerhaft in der Polymermatrix oder Polymer/Weichmacherkombination gelöst oder verbleibt (verbleiben) zumindest in der Matrix in einer dispergierten Art und Weise, so daß sich sehr wenig, wenn überhaupt, lichtstreuende Teilchen bilden, und das (die) thermochrome Materialien) ist insofern nicht „flüchtig", als es nicht aus der Matrix hinaus diffundiert oder migriert. Das thermochrome Material kann kovalent an die Polymerkette gebunden sein durch zum Beispiel Bereitstellung eines Methacrylat-Substituenten auf einem thermochromen Material und Copolymerisieren desselben mit Methylmethacrylat, um ein Polymer zu bilden.
Beispiele für Polymermaterialien zur Verwendung in thermochromen Schichten schließen Acrylkunststoffe, Urethane, Vinylkunststoffe, Polyvinylbutyrale, Acetate, Propionate, Butyrate, Polystyrole, Polyamide, Polyimide, Fluorkohlenstoffpolymere, Polyester und Polycarbonate ein. Bevorzugt sind Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polyvinylbutyrale, Polyvinylacetate, Polyvinylbutyrate und Copolymere der vorgenannten und Polymergemische der vorgenannten Polymere.
Es ist entdeckt worden, daß die bevorzugten thermochromen Materialien, wie das Palatenate Purple, Aqua Green und Sea Green von Reversacol, genügend sichtbare Lichtenergie absorbierenden Charakter bei 20°C bis 25°C haben, wenn sie in einer Polymermatrix gelöst sind, um Erwärmung der thermochromen Schichten bereitzustellen, wenn sie an einem warmen Tag direktem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Die von dem (den) thermochromen Materialien) in der thermochromen Schicht absorbierte Sonnenenergie kann nahezu 0% bis soviel wie etwa 50% bei Temperaturen von 20°C bis 25°C betragen. Wenn die Temperatur von zum Beispiel 20°C oder 25°C auf Temperaturen ansteigt, die typischerweise in den Fenstern an warmen oder heißen Tagen in direktem Sonnenlicht erreicht werden, von 30°C bis 90°C, nimmt die Durchlässigkeit des Fensters typischerweise um soviel wie 35 bis 45 Prozentpunkte ab. So kann ein Fenster mit z.B. 80% Durchlässigkeit auf wenigstens so wenig wie 45% bis 35% Sonnenenergiedurchlässigkeit absinken und eine thermochrome Schicht mit z.B. 55% Durchlässigkeit kann auf wenigstens so wenig wie 20% bis 10% Sonnenenergiedurchlässigkeit absinken. Um diese Leistung zu erreichen, schwanken die thermochromen Schichten vom Polymertyp in der Dicke von etwa 0,001 cm bis etwa 0,1 cm, vorzugsweise von etwa 0,01 cm bis etwa 0,05 cm. Der Gesamtgehalt an thermochromem Material in den thermochromen Schichten vom Polymertyp reicht von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%.
SUBSTRATE
Die Substrate, die die Fenster und Elemente der Erfindung bilden, können Kunststoff, Glas oder Kombinationen derselben sein. Die Substrate sind lichtdurchlässig, was bedeutet, daß sie einen Teil und in den meisten Fällen einen überwiegenden Teil des sichtbaren und/oder NIR-Lichts, das auf die Substrate auftrifft, durchlassen. Die Substrate können selbst eine thermochrome Schicht sein, wenn das Substrat Kunststoff ist und ein oder mehrere thermochrome Materialien in der Kunststofffolie dispergiert sind. Die Substrate können mit einer oder mehreren der anderen Schichten überzogen sein. Zwei oder mehr Substrate können zusammen mit einer oder mehreren der anderen Schichten laminiert werden.
Wenn das Substrat Kunststoff ist, kann es starr oder flexibel sein und kann Acryl (z.B. Polymethylmethacrylat)-Schichtmaterial, Polycarbonat-Schichtmaterial, Polyester, verschiedene Arten von Vinylkunststoffen, Fluorkohlenstoff-Polymere, Polyolefine, Polystyrol, Polyurethan, Acetat und jedes Kohlenstoffmaterial sein, das zu durchsichtigen Schichten, entweder starr oder flexibel, ausgeformt werden kann. Kunststoffsubstrate, die direkt der Umgebung ausgesetzt werden, können mit „Hartüberzug"-Materialien beschichtet werden, wie etwa denjenigen, die aus Polysiloxanen und/oder abgeschiedener Kieselsäure hergestellt werden, um Kratz- und Abriebfestigkeit bereitzustellen, oder sie können mit „selbstheilenden", kratzbeständigen Filmen beschichtet sein, wie denjenigen, die aus bestimmten Polyurethanen hergestellt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für bestimmte Anwendungen umfaßt ein flexibles, mit einer thermochromen Schicht beschichtetes Kunststoffsubstrat, das adhäsiv auf eine Glasscheibe geklebt werden kann. Das bevorzugte flexible Substrat ist ein Polyesterfilm, der bereits mit einer Beschichtung mit niedrigem Emissionsvermögen (low-e-Überzug, siehe unten) beschichtet ist, wie etwa die Produkte, die unter dem Namen Solis^® von Southwall Technologies, Palo Alto, Kalifornien, vertrieben werden. Diese Art von Substrat ist mit zum Beispiel einer thermochromen Schicht beschichtet und dann mit einer Sperrschicht beschichtet, die adhäsive Eigenschaften besitzt. Die thermochrome Schicht und die Sperrschicht werden auf dem Substrat auf der Seite angeordnet, die gegenüber der bereits mit einer low-e-Beschichtung beschichteten Seite liegt. Der beschichtete Polyesterfilm kann dann an ein flaches oder gebogenes Glasstück geklebt werden, entweder in einem Gebäude oder in einem Motorfahrzeug, und somit ein Mittel bereitstellen zum nachträglichen Ausstatten bestehender Fenster mit den energiesparenden Merkmalen der vorliegenden Erfindung.
Wenn das Substrat Glas ist, kann es Natron-/Kalkglas, Borsilikatglas oder jedes aus einer Vielzahl von klaren oder getönten Glastypen sein, die auf dem Gebiet der Glasherstellung üblicherweise bekannt sind. Das Glas kann mit verschiedenen Verfahren zu Scheiben ausgebildet werden, einschließlich dem Ziehscheibenverfahren und dem Spiegellinienverfahren. Bevorzugt ist Natron-/Kalkglas, insbesondere Natron-/Kalkglas, das im Spiegellinienverfahren zu Scheibenform ausgeformt worden ist.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber elektrooptischen Mitteln zum Variieren der Lichtdurchlässigkeit durch Fenster ist das Fehlen der Notwendigkeit transparenter Elektroden in Kontakt mit der Schicht mit variabler Durchlässigkeit. Dies vereinfacht die Verwendung von gehärteten Glassubstraten in dramatischer Weise, da man im Falle transparenter Elektroden zwischen den schwierigen Verfahren wählen muß, entweder Glas mit der transparenten Elektrode an Ort und Stelle zu härten oder das bereits gehärtete Glas mit einer transparenten Elektrodenschicht zu überziehen. Somit kann das Glas bei der vorliegenden Erfindung luft- oder wärmegehärtet oder mit herkömmlichen Mitteln chemisch gefertigt oder verstärkt werden, bevor es mit einigen oder allen der folgenden Schichten beschichtet wird: einer UV-Sperrschicht, einer thermochromen Schicht, einer Schutzüberzugsschicht, einer low-e-Schicht. Diese Vereinfachung bei der Verwendung von gehärtetem, gefestigtem oder verstärktem Glas hat wichtige Vorteile für die Verwendung der Elemente oder Fenster der Erfindung für die Automobilverglasung, Gebäudeoberlichter, Fenster, die Teil der Überdachung sind, oder andere nicht-vertikale Verglasung und fensternahe Böden und Türen oder wo immer speziell behandeltes oder gehärtetes Glas erforderlich ist. Sogar Fenster der Erfindung, die in vertikalen Verglasungssituationen verwendet werden, können von einer Härtung profitieren, wenn die Fenster thermischem Streß ausgesetzt werden, weil sie heiß sind oder ungleichmäßig erhitzt werden (zum Beispiel aufgrund vorbeiziehender Wolken oder teilweiser Beschattung durch nahestehende Gebäude). Ein signifikanter Vorteil kann unter Bedingungen hohen thermischen Stresses durch Kantenbehandlung des Glases realisiert werden, wie zum Beispiel vorsichtiges Verfugen oder „Stiftkantung", selbst wenn das Glas nicht gehärtet ist.
Ein ähnlicher Vorteil, wie derjenige für die Härtung, wird mit der vorliegenden Erfindung für die Verwendung von gekrümmten oder gebogenen Glassubstraten realisiert (d.h. Substraten mit einem nicht-unbegrenzten Krümmungsradius). Für elektrooptische Elemente sind diese Substrate schwierig genau zu biegen, wenn transparente Elektroden bereits an Ort und Stelle sind, und sind schwierig und teuer mit transparenten Elektroden zu versehen, nachdem die Substrate gebogen sind. Die vorliegende Erfindung erfordert keine transparenten Elektroden und kann somit Schichten mit variabler Durchlässigkeit auf gebogenen Substraten nahezu so leicht wie auf flachen Substraten bereitstellen.
Substrate können auch aus Kombinationen von Kunststoff- und Glasscheibenmaterialien hergestellt werden. Ein Substrat kann aus zwei Stücken Glas bestehen, die mit zum Beispiel Polyvinylbutyral oder Polystyrol zusammenlaminiert sind. Alternativ kann das Substrat jedes aus einer Vielzahl von Sicherheitsverglasungen sein, die alternierende Schichten aus Kunststoffschichtmaterialien, wie Polycarbonat oder Acryl und Glasscheiben, gehärtet oder nicht, enthalten, zusammengeklebt mit zum Beispiel Schichten aus Polyvinylbutyral und/oder Polystyrol. Das Substrat kann sogar eine Kombination aus Glas oder Kunststoff und Metall sein, wie etwa in Drahtglasfenstern, wo ein Metalldrahtnetz zwischen zwei Stücke Glas oder Kohlenstoff eingeschmolzen ist. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist die Verwendung der thermochromen Schicht und/oder einer Sperrschicht als einer Laminierungsschicht oder als Teil einer Laminierungsschicht für Glas- und/oder Kunststoffsubstrate. Thermochrome Materialien können zum Beispiel in eine Polyvinylbutyralschicht eingearbeitet und verwendet werden, um zwei gekrümmte Stücke Glas für ein Autosonnendach oder eine Autowindschutzscheibe zusammenzulaminieren.
Die Dicke der Substrate kann von 20 bis 30 Mikrons für flexible Schichten aus Kunststoff reichen und das dünnste gezogene Tafelglas bis 7 oder 8 cm für die dicksten Mehrschicht-Sicherheitsverglasungen. Für Anwendungen mit flexiblem Substrat wird die Substratdicke im allgemeinen von 25 bis 250 Mikron reichen und für Elemente oder Fenster, die Natron-/Kalk-Spiegellinienglas einsetzen, wird die Substratdicke von 1 bis 10 mm reichen.
Ein bevorzugtes Glassubstrat ist das getönte Spiegellinienglas, das als EverGreen^®-Glas bekannt ist, erhältlich von Pilkington-Libbey Owens Ford, Toledo, Ohio, dessen Durchlässigkeitsspektrum als Kurve 2 von 4 dargestellt ist. Andere bevorzugte Glassubstrate sind Solargray^® -Glas und Solarbronze^®-Glass, erhältlich von PPG Industries, Inc., Pittsburgh, Pennsylvania. Bevorzugte Kunststoffsubstrate sind flexible Kunststoffschichten, die bereits mit einer Schicht mit niedrigem Emissionsvermögen beschichtet sind, wie etwa Solis^®-Polyesterfilme, erhältlich von Southwall Technologies, Palo Alto, Kalifornien.
SPERRSCHICHTEN
Eine Sperrschicht, die einen Teil oder im wesentlichen das gesamte UV-Licht blockiert und fakultativ das gesamte oder einen Teil des kurzwelligen sichtbaren (SWV) Lichtes blockiert, das auf die Sperrschicht auftrifft, kann als Teil des Fensters bereitgestellt werden. Die Sperrschicht, falls vorhanden, ist zwischen der Sonne und der thermochromen Schicht der Fenster der Erfindung angeordnet. Die Sperrschicht kann das Substrat selbst oder eine Schicht auf dem Substrat sein, vorzugsweise zwischen dem Substrat und der thermochromen Schicht. Der Zweck der Sperrschicht ist, kurzwellige Photonen mit hoher Energie von der Sonne daran zu hindern, die thermochrome Schicht zu erreichen, und dadurch die Komponenten der thermochromen Schicht vor möglicher Zersetzung zu schützen. Auch sind viele thermochrome Materalien insofern photochrom, als daß sie sich bei Einwirkung von UV- und/oder SWV-Licht von farblos oder weniger gefärbt zu gefärbt oder gefärbter verändern. Eine UV-Sperrschicht, die fakultativ auch eine Sperrschicht für SWV-Licht ist, kann die photochromen Reaktionen dieser thermochromen Materialien, die zufällig auch zu photochromer Aktivität in der Lage sind, verhindern, minimieren oder modifizieren.
Wenn das Substrat selbst eine solche Sperrschicht ist, kann es aus einer Vielzahl von Glassorten hergestellt sein zum Beispiel mit hohem Eisengehalt oder zugesetzten Metalloxiden oder anderen Materialien, die gute Absorber für UV- und/oder SWV-Licht sind. Kunststoffsubstrate können gute Sperrschichten aufgrund von inhärenter Absorption kurzwelligen Lichts durch das Kunststoffmaterial und/oder Zusatzstoffen, Farbstoffen oder Pigmenten, die in das Kunststoffmaterial eingearbeitet sind, sein.
Alternativ kann die Sperrschicht, falls vorhanden, aus einem Film oder einer Schicht aus anorganischem Material, organischem Material oder einer Kombination der zwei hergestellt sein. Beispiele für anorganische Materialien sind Titandioxid, Zinkoxid, Cadmiumoxid, Wolframtrioxid und Mischoxide, die zwei oder mehr solcher Materialien kombinieren. Eine anorganische Sperrschicht kann auf das Substrat mit einer Vielzahl von Mitteln aufgebracht werden, wie etwa chemische Abscheidung aus der Gasphase, physikalische Abscheidung aus der Gasphase (z.B. Sputtering, Elektronenstrahlverdampfung und Ionengalvanisierung), Plasmasprühtechniken oder Sol-Gel-Verfahren. Eine Sperrschicht kann durch einen Stapel dünner Filmmaterialien (dichromer Stapel) mit einer Dicke und einem Brechungsindex bereitgestellt werden, die ausgewählt sind, um UV- und/oder SWV-Licht zu reflektieren.
Eine organische Sperrschicht kann hergestellt werden aus einer Schicht aus Polymermaterial, die inhärent absorbierend für die interessierende Wellenlänge von Licht ist oder Licht-Absorber- oder -Stabilisatormaterialien enthält, die in das Polymermaterial eingemischt (gelöst oder vermischt) oder kovalent an das Polymer selbst gebunden sind. Beispiele für Polymermaterialien schließen Polyethylene, Polypropylene, Polyeuylene, Epoxy- Kunststoffe, Acryl-Kunststoffe, Urethane, Vinyl-Kunststoffe einschließlich Polyvinylchlorid, Polyvinylbutyrale, Acetate, Polystyrole, Polyimide, Polyamide, Fluorkohlenstoff-Polymere, Polyester, Polycarbonate, Copolymere der vorgenannten und Polymer-Gemische der vorgenannten Polymere ein. Bevorzugt sind Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polyvinylbutyral, Polyvinylacetat und ein Copolymer von Vinylbutyral, Polyvinylalkohol und Polyvinylacetat.
Eine große Anzahl von Licht-Absorbern und/oder -Stabilisatormaterialien sind in der Technik bekannt und besonders brauchbare schließen Benzotriazole, Benzophenone, Cyanoacrylate, gehinderte Amine, Oxalanilide und substituierte Triazine ein. Diese Materialien sind effiziente Absorber von UV- und manchmal von SWV-Licht. Materialien, die keine guten Absorber für kurzwelliges Licht sind, aber erhöhte Stabilisierung in der Sperrschicht bereitstellen, sind Licht-Stabilisatoren auf der Basis gehinderter Amine (HALS). Bevorzugte Absorber von kurzwelligem Licht und Licht-Stabilisatoren zur Verwendung in den Sperrschichten und den anderen Schichten der Erfindung sind diejenigen, die von M. Dexter in „Kirk Othmer Encylopedia of Chemical Technology", 3. Ausgabe, Vol. 23, S. 615–627, John Wiley and Sons, Inc. (1983) beschrieben sind. Am bevorzugtesten sind 2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon, 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon, Ethyl-2-cyano-3,3-diphenylacrylat, 2-Ethylhexyl-2-cyano-3,3-diphenylacrylat, 2-(2'-Hydroxy-5'-methylphenyl)benzotriazol und 2-[2'-Hydroxy-3',5'-(di-tert-amyl)phenyl]benzotriazol. Der bevorzugte HALS ist Bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl)(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl)butylpropandioat.
Ein Beispiel für einen UV-Absorber, der kovalent an das Polymer gebunden ist, wird bereitgestellt durch ein Copolymer, das durch durch freie Radikale initiierte Polymerisation einer Mischung aus 2-[3-(2H-Benzotriazol-2-yl)-4-hydroxyphenyl]ethylmethacrylat und Methylmethacrylat, beide erhältlich von zum Beispiel Aldrich Chemical Company, Milwaukee, Wisconsin, hergestellt ist. Dieses Copolymer hat den Vorteil, daß der UV-Absorber über lange Zeiträume nicht aus dem Polymer auslaugen oder herausdiffundieren kann.
Absorber für SWV-Licht können eine Vielzahl von getönten Gläsern sein, wie etwa diejenigen, die für Kantenfilter verwendet werden. Absorber für SWV-Licht können auch eine Vielzahl von gelben Farbstoffen und/oder Farbstoffen, die violettes und blaues Licht absorbieren, sein, die gute Sperrschichten für das gesamte oder einen Teil des SWV-Lichtes sind. Der bevorzugte Absorber für SWV-Licht für Polymerfilme ist Chinolingelb (auch bekannt als Solvent Yellow 33 und Colour Index No. 47000). Die von den Absorbern für SWV-Licht erzeugte Farbe kann durch andere Materialien modifiziert oder kompensiert werden, die in die Fensterstruktur einbezogen werden, die etwas absorbierend in anderen Teilen des sichtbaren Spektrums sind. Zum Beispiel kann eine kleine Menge an rotem Farbstoff mit einem gelben Farbstoff kombiniert werden, um eine durchsichtige bernsteinfarbene Sperrschicht für kurzwelliges Licht zu erzeugen. Die Absorber für SWV-Licht und alle farbkompensierenden Licht-Absorber können den restlichen Lichtenergie absorbierenden Charakter des Fensters darstellen oder dazu beitragen.
Wenn eine Sperrschicht(en) auf das Substrat aufgebracht wird (werden), kann (können) sie mit irgendeinem der oben für die thermochrome(n) Schichten) beschriebenen Mittel aufgebracht werden. Dies schließt die Verfahren auf Lösungsbasis, die Verfahren auf Aushärtungsbasis und Kombinationen davon ein. Die Konzentration an Absorbern für UV- und/oder SWV-Licht in der Sperrschicht und die Dicke der Sperrschicht werden so ausgewählt, daß die photochromen Eigenschaften des (der) thermochromen Materials(ien) verhindert oder modifiziert werden und Stabilität gegen Zersetzung der Schichten durch Sonnenlicht jenseits der Sperrschicht(en) bereitgestellt wird. Typischerweise blockiert (blockieren), absorbiert (absorbieren) oder reflektiert (reflektieren) die Sperrschichten) mehr als 98% des UV-Lichtes der Sonne, welches das Fenster erreicht. Die Menge an SWV-Licht, die durch die Sperrschicht blockiert wird, hängt von der Menge an SWV-Licht ab, die durch das (die) bestimmte(n) thermochrome(n) Material(ien), das (die) vorhanden ist (sind), absorbiert würde, und hängt davon ab, ob es wünschenswert ist, eine gewisse photochrome Aktivität zu haben oder nicht.
Eine Sperrschicht für UV- und SWV-Licht ist ein 495-Nanometer-Kantenfilterglas, erhältlich von Edmund Scientific Company, Barrington, New Jersey. Diese Sperrschicht kann als ein Substrat verwendet werden oder an ein Substrat geklebt werden. Das Durchlaßspektrum dieser Sperrschicht ist in Kurve 5 von 5 dargestellt.
Kombinationen von organischen und anorganischen UV-Sperrschichten umfassen im allgemeinen Metalloxid-Teilchen, die in einer polymeren Matrix dispergiert sind. Im Allgemeinen sind diese Dispersionen aufgrund des Brechungsindex-Mismatches zwischen dem Metalloxid-Teilchen und der Polymermatrix lichtstreuend und sehen somit trübe aus.
Typischerweise ist die Sperrschicht eine Schicht mit gleichförmiger Dicke und Eigenschaften, die ungefähr dieselbe Fläche aufweist wie die Sichtfläche des Fensters, mit dem sie verbunden ist. Sperrschichten, die anorganische Metalloxid-Filme sind, sind typischerweise 100 bis 1.000 Nanometer dick. Sperrschichten auf organischer Basis oder Polymerbasis sind typischerweise 0,005 cm bis 0,1 cm dick und enthalten typischerweise von 1 bis 50 Gew.-% Absorber für UV-Licht und/oder von 0,1 bis 20 Gew.-% Absorber für SWV-Licht.
Organische und kombinierte organische/anorganische UV-Sperrschichten können fakultativ auch Weichmacher, Antioxidationsmittel, Wärmestabilisatoren, Füllstoffe und, wie unten beschrieben, statische Lichtenergie absorbierende Verbindungen, einschließlich Absorber für sichtbares und/oder NIR-Licht, enthalten.
SCHUTZÜBERZUGSCHICHTEN
Eine thermochrome Schicht kann fakultativ mit einer Schutzüberzugsschicht oder -schichten überzogen sein. Diese Schicht(en), falls vorhanden, wirkt (wirken) als eine Sperrschicht für Feuchtigkeit, eine Sperrschicht für Sauerstoff, eine Sperrschicht für Umweltverunreinigungen, wie Ammoniak, chlor- und schwefelhaltige Verbindungen, ein Schutzüberzug für die Handhabung des beschichteten Substrats während weiterer Herstellung einer Fensterstruktur oder irgendeine Kombination der Vorstehenden.
Die Schicht kann eine sehr dünne Metallschicht, eine Metalloxidschicht oder eine Kombination mehrerer Metall- und Metalloxidschichten umfassen. Zum Beispiel liefert ein Satz Schichten, wie 50 Nanometer Zinkoxid oder Zinnoxid, 10 Nanometer Silbermetall und 50 Nanometer Zinkoxid oder Zinnoxid, aufgebracht auf eine thermochrome Schicht, eine Kombination aus low-e-Eigenschaft und Schutzüberzugsschichteigenschaft.
Die Schutzüberzugschicht kann eine organische Schicht oder Beschichtung sein, wie etwa ein polymerer Film, der fakultativ Zusatzstoffe enthält, wie Antioxidationsmittel, Trockenmittel, Wärmestabilisatoren, Lichtstabilisatoren, Lichtabsorber, Weichmacher, Pigmente, Füllstoffe und/oder eine Hartüberzugsschicht oder selbstheilende kratzbeständige Schicht. Ein Polymerfilm kann zum Beispiel auf der thermochromen Schicht durch eines der Verfahren ausgebildet werden, die zur Ausbildung der thermochromen Schicht selbst beschrieben sind, aber statt thermochrome Materialien zu enthalten, kann sie ein Antioxidationsmittel, wie ein gehindertes Phenol, oder ein Trockenmittel, wie Polyacrylsäure, enthalten. Alternativ kann ein Polymer mit guten Sauerstoffsperrschichteigenschaften, wie Polyvinylidenfluorid oder wasserfreier Polyvinylalkohol, auf die thermochrome Schicht aufgebracht werden, um das Einwandern von Sauerstoff in die thermochrome oder andere Schichten zu minimieren und somit direkte Reaktion mit Sauerstoff oder indirekte Beteiligung von Sauerstoff an Photozersetzungsprozessen in der thermochromen Schicht und/oder anderen Schichten zu minimieren.
LICHTENERGIE ABSORBIERENDES MATERIAL
Um einen Temperaturanstieg in der thermochromen Schicht aufgrund von direktem Sonnenlicht bereitzustellen, können ein oder mehrere Lichtenergie absorbierende Materialien in einer oder mehreren der folgenden enthalten sein oder zu diesen zugesetzt werden: eine separate Lichtenergie absorbierende Schicht, das Substrat, die Sperrschicht, die thermochrome Schicht und die Schutzüberzugsschicht. Diese Lichtenergie absorbierenden Materialien absorbieren vorzugsweise konstant sichtbares und/oder NIR-Licht ohne irgendeine Abhängigkeit von Temperatur oder Absorption von Licht. Dies bedeutet, daß diese Lichtenergie absorbierenden Materialien selbst nicht thermochrom oder photochrom sind.
Solche Lichtenergie absorbierenden Materialien können solche Materialien sein wie Farbstoffe, Pigmente, getönte Gläser und inhärent gefärbte Kunststoffe. Wenn ein solches Lichtenergie absorbierendes Materialien) vorhanden ist (sind), ist es in einem solchen Gehalt oder einer solchen Konzentration vorhanden, daß es von ein paar Prozent bis etwa 50% oder mehr des sichtbaren und/oder NIR-Lichtes, das im Sonnenlicht verfügbar ist, absorbiert. Im allgemeinen kann ein solches Lichtenergie absorbierendes Material in einem solchen Gehalt oder einer solchen Konzentration vorhanden sein, daß etwa 10% bis etwa 50% der gesamten Sonnenlichtenergie, die auf das Fenster auftrifft, absorbiert wird.
Wenn es wünschenswert ist, den Sonnenergiegewinn während kalter Wetterperioden zu maximieren, wird minimale Tönung oder nur sichtbares Licht absorbierende Tönung durch das (die) Lichtenergie absorbierende(n) Material(ien) bereitgestellt, auf das (die) Bezug genommen wird. Wenn andererseits maximale Sichtdurchlässigkeit der Fensteranordnung bevorzugt ist, um zum Beispiel die Verwendung von elektrischem Licht in einem Gebäude zu minimieren, kann (können) dieses (diese) Lichtenergie absorbierende(n) Material(ien) im wesentlichen nur NIR-absorbierend sein. Dieses (Diese) Lichtenergie absorbierende(n) Material(ien) muß (müssen) thermisch stabil im Hinblick auf Zersetzung und Diffusion oder Migration aus der (den) Schichten) heraus, in denen es (sie) enthalten ist (sind), sein, und muß (müssen) auch photochemisch stabil sein im Hinblick auf längere Einwirkung von Sonnenlicht, wenigstens gegenüber demjenigen Teil des Sonnenspektrums, der die Schicht mit dem Lichtenergie absorbierenden Material, auf das Bezug genommen ist, erreicht. Dieses (Diese) Lichtenergie absorbierende(n) Material(ien) kann (können) eine Schlüsselrolle bei der Festlegung der Farbe oder des Tons des Fensters spielen und kann (können) ausgewählt werden, damit dem Fenster direkt eine gewünschte Farbe verliehen wird oder die Farbe des anderen Teils der Fensterstruktur kompensiert wird, wie die Restfarbe aufgrund thermochromer Materialien, die bereits eine gewisse Farbe bei Umgebungsaußentemperaturen haben. Ein Lichtenergie absorbierendes Material, das vorwiegend grünes Licht absorbiert, kann zum Beispiel zu einer Schicht einer Fensterstruktur zugesetzt werden, die eine thermochrome Schicht enthält, die bei Außenumgebungstemperaturen grün aussieht. UV-Absorber oder -Stabilisatoren können zur Schicht zugesetzt werden, um erhöhte Stabilität für das (die) Lichtenergie absorbierende(n) Material(ien) bereitzustellen.
Eine Vielzahl von Farben, Pigmenten und anderen Materialien, die sowohl sichtbares als auch NIR-Licht absorbieren, sind auf dem Gebiet der Farbstoffe, Färbemittel und Pigmente bekannt. Bevorzugte sichtbares Licht absorbierende Farbstoffe sind 4,6-Dinitro-4'-methyl-2,2'-azodiphenol (Mordant Brown 6, C.I. 11875); 5-(4-Nitrophenylazo)salicylsäure (Mordant Orange 1, C.I. 14030); 1,4-Bis(tolylamino)-9,10-anthrachinon (Solvent Green 3, C.I. 61565) und 1,4-Bis(n-butylamino)-9,10-anthrachinon (Solvent Blue 35, C.I. 61554). Bevorzugte NIRabsorbierende Farbstoffe sind diejenigen, die auch SWV-Lichtabsorption bereitstellen können, wie Keysorb 970 und Keysorb 1026, erhältlich von Keystone Aniline Corporation, Chicago, Illinois. Eine separate Lichtenergie absorbierende Schicht, die diese Materialien enthält, ist typischerweise 0,005 cm bis 0,1 cm dick und enthält typischerweise von 0,1 bis 5 Gew.-% Absorber für statische Lichtenergie. Die Lichtenergie absorbierende Schicht kann mit den Verfahren, die für thermochrome Schichten beschrieben sind, hergestellt werden, oder die Lichtenergie absorbierenden Materialien können in andere Schichten mit den Mitteln eingearbeitet werden, die für die Einarbeitung thermochromer Materialien und UVabsorbierender Materialien in Schichten beschrieben sind.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren, um Fenstern, die die Erfindung verkörpern, zusätzlichen Lichtenergieabsorptionseigenschaft zu verleihen, ist durch die Verwendung getönter Fenster oder getönten Glases als Substrate. Bevorzugte Substrate mit statische Lichtenergie absorbierenden Eigenschaften sind EverGreen^®-Glas, erhältlich von Pilkington-Libbey Owens Ford, Toledo, Ohio, und Solargray^®-Glas und Solarbronze^®-Glas, erhältlich von PPG Industries, Inc., Pittsburgh, Pennsylvania.
ZUSATZSTOFFE
Einige oder alle der Polymer-basierten Schichten, die in den Elementen der Erfindung vorhanden sind, können solche Zusatzstoffe wie Antioxidationsmittel, Trockenmittel, Singulett-Sauerstoff-Quencher, Wärmestabilisatoren, Lichtstabilisatoren, UV-Stabilisatoren, Lichtabsorber, Weichmacher, Pigmente und Füllstoffe enthalten. Viele dieser Zusatzstoffe sind auf dem Gebiet der Polymerfilme bekannt. Gute, obgleich nicht erschöpfende Listen von Antioxidationsmitteln, Singulet-Sauerstoff-Quenchern, Lichtabsorbern, Lichtstabilisatoren und Pigmenten sind in den Spalten 13 und 14 von US-Patent 4,425,161 für Shibahashi et al. und Spalten 3–7 von US-Patent 5,688,592 für Shibahashi et al. angegeben.
ADHÄSION VON POLYMERSCHICHTEN AN SUBSTRATE
Über die Lebensdauer eines Fensters oder Elementes der Erfindung ist es wichtig, daß jede polymere Schicht in Kontakt mit einem Substrat, sei es eine Sperrschicht, thermochrome Schicht, Schicht, die Lichtenergie absorbierendes Material enthält, oder eine Schicht mit einer Kombination dieser Eigenschaften, sicher an das Substrat gebunden bleibt. Ablösung, Reißen und Weißfärbung durch Mikrorisse können alle minimiert werden, indem eine hervorragende Adhäsion der polymeren Schicht an ein Substrat bereitgestellt wird. Adhäsion kann durch die Verwendung von Adhäsionsbeschleunigern, wie etwa Haftvermittlern, verbessert werden.
Wenn das Substrat Glas ist, kann Adhäsion durch die Verwendung bestimmter Typen von Haftvermittlern gefördert werden, insbesondere Silan-Haftvermittler, obgleich andere ebenso verwendet werden können. Eine umfangreiche Diskussion von Haftvermittlern ist gegeben in „Silane Coupling Agents", 2. Ausgabe, E.W. Plueddemann, Plenum Press (1991) und „Silanes and Other Coupling Agents", K.L. Mittal, Herausgeber, VSP BV (1992). Haftvermittler können zu einer Polymerlösung zugegeben werden, die auf das Substrat aufgebracht werden soll, um eine polymere Schicht zu bilden, sie können kovalent an die Polymerketten des (der) Polymers(e) gebunden werden, das (die) verwendet wird (werden), um die Polymerschicht darzustellen, und/oder die Substratoberfläche kann mit Haftvermittler(n) vorbehandelt werden.
Das verwendete Silan sollte auf der Grundlage des Polymertyps ausgewählt werden, der verwendet wird, um den polymeren Film zu bilden. Eine Hilfestellung für die Auswahl der Haftvermittler, die für ein bestimmtes Polymer wirksam sind, kann aus den zwei Büchern über das Thema, die oben aufgelistet sind, erhalten werden und aus Produktkatalogen wie „Silane, Silicones and Metal-Organics", erhältlich von Gelet Inc., Tullytown, Pennsylvania, oder „Silicon Compounds, Register and Review", erhältlich von United Chemical Technologies, Bristol, Pennsylvania. Haftvermittler, die zur Zugabe zu den Polymerlösungen geeignet sind, sind monomere Silane, wie Ureidopropyltriethoxysilan, N-Phenylaminopropyltrimethoxysilan, Aminopropylsilantriol, N-(2-Aminoethyl)-3-propylmethyltrimethoxysilan und Bis(3-trimethoxysilylpropyl)amin. Diese Haftvermittler werden einfach im Lösemittelsystem zusammen mit dem geeigneten Polymer und anderen Bestandteilen wie UV-Absorbern, thermochromen Materialien und/oder statische Lichtenergie absorbierenden Materialien gelöst. Diese Lösung wird dann auf das Substrat aufgebracht, das Lösemittel verdampfen gelassen und ein Film mit verbesserter Adhäsion wird so gebildet.
Ein Haftvermittler kann kovalent an die Polymerkette durch zum Beispiel Copolymerisation von Methacryloxypropyltrimethoxysilan mit Methylmethacrylat in einem inerten Lösemittel unter Verwendung eines Radikalinitiators oder durch Umsetzen von 3-Isocyanatopropyltriethoxysilan mit einem Polyol wie Polyvinylalkohol, Poly(2-hydroxyethylmethacrylat) oder einem Copolymer aus 2-Hydroxyethylmethacrylat und Methylmethacrylat gebunden werden. Kommerziell erhältliche Polymere, die aktive Alkoxysilan-Gruppen enthalten, wie Trimethoxysilylpropyl(polyethenimin) und Trimethoxysilyl-modifiziertes Polyethylen, beide erhältlich von Gelest Inc., Tullytown, Pennsylvania, können verwendet werden. Die Polymere, die Silan-Gruppen in die Polymerkette hinein gebunden enthalten, können als das einzige Polymer in der polymeren Schicht verwendet werden oder können Teil eines mischbaren oder unmischbaren Polymergemisches sein, das die Polymerschicht bildet. Das Reaktionsprodukt aus 3-Isocyanatopropyltriethoxysilan mit einem Copolymer aus 2-Hydroxyethylmethacrylat und Methylmethacrylat kann zum Beispiel in einem Lösemittelsystem mit Polymethylmethacrylat und zum Beispiel einem UV-Absorber wie 2-Ethylhexyl-2-cyano-3,3-diphenylacrylat gelöst werden. Wenn diese Lösung auf ein Glassubstrat aufgebracht wird und das (die) Lösemittel verdampfen gelassen wird (werden), wird eine UV-Sperrschicht mit hervorragender Adhäsion gebildet.
Vorbehandlung eines Substrats, um die Adhäsion zu fördern, ist im Stand der Technik gut beschrieben und involviert üblicherweise teilweise oder vollständige Hydrolyse der Alkoxy-Gruppen auf dem Haftvermittler in einer wäßrigen/alkoholischen Lösung des Haftvermittlers (schwach sauer gemacht für Nicht-Amino-Silane), gefolgt vom Eintauchen des Substrats in die Lösung oder Aufgingen der Lösung auf das Substrat. Das Substrat kann mit Alkohol abgespült und getrocknet werden. Der Haftvermittler sollte geeignet sein für das zu verwendende Polymer und kann entweder monomer oder polymer sein. Geeignete Haftvermittler schließen die monomeren Silane ein, die oben aufgelistet sind, und die polymeren Silane Trimethoxysilylpropyl(polyethenimin) und Trimethoxysilyl-modifiziertes Polyethylen. Die Polymer-basierten Sperrschicht- und/oder thermochromen Filme, die auf den vorbehandelten Substratoberflächen ausgebildet werden, haben dramatisch verbesserte Adhäsion an das Substrat.
BESCHICHTUNGEN MIT NIEDRIGEM EMISSIONSVERMÖGEN
Beschichtungen mit niedrigem Emissionsvermögen (low-e-Beschichtungen) können mit Lichtenergie absorbierenden thermochromen Schichten kombiniert werden, um eine Fensterstruktur bereitzustellen, die eine effizientere Wärmebarriere ist als solch ein Fenster ohne eine low-e-Beschichtung. Diese Kombination ist ein signifikanter Aspekt der vorliegenden Erfindung. Eine low-e-Beschichtung oder -Schicht kann auf der thermochromen Schicht oder einer zu dieser benachbarten Schicht vorliegen. Alternativ kann eine low-e- Schicht über den Zwischenraum hinweg von der thermochromen Schicht in einer Fensterstruktur, die zwei oder mehr beabstandete Substrate umfaßt, angeordnet sein. Alternativ kann eine low-e-Schicht auf der Seite eines Substrats, die der thermochromen Schicht gegenüberliegt, vorgesehen sein.
Eine vorteilhafte und bevorzugte Struktur für ein thermochromes Fenster der Erfindung wird unten im Detail beschrieben. Viele andere Strukturen sind möglich, aber diese eine dient dazu, den Vorteil der Einbeziehung einer low-e-Beschichtung in der Fensterstruktur zu veranschaulichen.
In einer Doppelscheiben(Doppelsubstrat)- oder Isolierfensterstruktur, wo es einen Zwischenraum zwischen den zwei Substraten gibt, würde die thermochrome Schicht vorzugsweise auf dem Substrat angeordnet sein, das auf der Außenseite ist (d.h. Kontakt mit der Außenwelt) und vorzugsweise auf der Seite des Substrats in Kontakt mit dem Zwischenraum zwischen den Substraten. Eine low-e-Beschichtung könnte auf der thermochromen Schicht vorgesehen sein, wenn jedoch nur eine low-e-Schicht vorhanden ist, ist sie bevorzugt auf dem anderen Substrat angeordnet (d.h. demjenigen in Kontakt mit dem Innenraum) und vorzugsweise auf der Seite des Substrats in Kontakt mit dem Zwischenraum zwischen den Substraten. So würden im bevorzugten Fall die thermochrome Schicht und die low-e-Schicht einander über den Zwischenraum hinweg gegenüberliegen.
Wenn eine thermochrome Schicht eines Fensters dieser Erfindung in einer Isolierfensterstruktur vorliegt und an einem warmen oder heißen Tag in direktem Sonnenlicht liegt, ist sie in ihrem stärker lichtabsorbierenden Zustand. Die absorbierte Lichtenergie wird vorzugsweise ausschließlich in Wärme umgewandelt und die thermochrome Schicht liegt bei einer erhöhten Temperatur. Die Wärmeenergie in der thermochromen Schicht wird von der Schicht auf die Umgebung durch Leitung, Konvektion und Strahlung (Emission von langwelligem Infrarotlicht) übertragen. In einer Doppelscheibenisolierfensterstruktur mit Beschichtungen an den bevorzugten Stellen, die oben beschrieben sind, wird ein Teil der Wärme in der thermochromen Schicht durch alle anderen Beschichtungen, die vorhanden sind, zur Außenseite des Substrats überführt, auf die die thermochrome Schicht aufgebracht ist, und von dort wird die Wärme nach außen geleitet, durch Konvektion abgegeben oder abgestrahlt. Ein Teil der Wärme wird, entweder direkt oder durch irgendwelche Überzugsschichten, die vorhanden sind, in den Zwischenraum zwischen den Substraten abgeleitet, und von dort kann die Wärme durch normale Leitung oder durch Konvektion irgendeines Gases, das im Zwischenraum vorhanden ist, auf das andere Substrat abgeleitet werden. Die durch normale Leitung abgeleitete Wärme (d.h. aufgrund der kinetischen Energie der statistischen Bewegung der Gasatome oder -moleküle) kann dadurch minimiert werden, daß ein Teilvakuum im Zwischenraum vorliegt oder durch Auswahl eines Gases für den Zwischenraum mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Kohlendioxid, Schwefelhexafluorid, Argon, Krypton oder Xenon. Wärmeleitung durch Konvektion von Gas im Zwischenraum kann durch die Auswahl eines Gases mit hoher kinematischer Viskosität und dem richtigen, die Konvektion minimierenden Abstand zwischen den Substraten minimiert werden.
Ein wichtiger Wärmeübergangsmechanismus bleibt jedoch über Schwarzkörperstrahlung von der heißen thermochromen Schicht oder dem Überzug, falls vorhanden, auf das innenliegende Substrat und von da auf das Innere des Gebäudes oder Fahrzeugs. Im allgemeinen sind low-e-Beschichtungen nicht nur schlechte Radiatoren langwelligen Infrarotlichts, sie sind gute Reflektoren dieses Lichts. Somit wird die Strahlung, die von der (den) heißen Schichten) auf der Innenseite des äußeren Substrats emittiert wird, durch eine low-e-Beschichtung auf der Innenseite des inneren Substrats zurück zum äußeren Substrat reflektiert. Am äußeren Substrat wird die reflektierte Strahlung reabsorbiert und wenigstens ein signifikanter Teil wird letztendlich an die Außenumgebung überführt. Auf diese Weise wirkt die Kombination aus einer low-e-Beschichtung und einer gefärbten thermochromen Schicht als eine substantielle Sperrschicht für Wärme aus direkter Sonnenstrahlung, die auf ein Fenster der Erfindung auftrifft, wodurch Wärmeaufbau in einem Gebäude, Bauwerk oder Fahrzeug an einem heißen, sonnigen Tag verringert wird.
Die Verwendung von Krypton als dem Gas zwischen den Substraten thermochromer Fensterstrukturen vom Doppelscheiben- oder Isolierglastyp ist besonders vorteilhaft. Krypton hat weniger als die Hälfte der Wärmeleitfähigkeit von Argon oder Luft und ist somit ein schlechter Leiter für Wärme durch normale Leitung. Krypton hat jedoch eine signifikant niedrigere kinematische Viskosität als Argon oder Luft und neigt somit dazu, Wärme durch Konvektion zu leiten. Der optimale, den Wärmeübergang minimierende Abstand zwischen Scheiben in einem Doppelscheibenfenster mit Krypton im Zwischenraum ist etwa die Hälfte des optimalen Abstandes für Argon oder Luft. Dieser kleinere Abstand bedeutet, daß es weniger Gas im Zwischenraum gibt und die Expansion des Gases, wenn es sich aufheizt, ist insgesamt signifikant niedriger bei Krypton bei seinem optimalen Abstand, einfach weil weniger Gas vorhanden ist. Dies ist sehr wichtig für die thermochromen Fenster, die in ihrer Verwendung als energieabsorbierende und -blockierende Fenster sehr heiß werden, da eine zu große Expansion des Gases schädigende Belastung auf die Abdichtungen, die die Fensterscheiben zusammenhalten, ausüben und sogar zum Brechen der Fenstersubstrate selbst führen kann.
Andere Strukturen sind für diese Kombination von Beschichtungen möglich, zum Beispiel eine, in der die low-e-Beschichtung ein Überzug der thermochromen Schicht eines Doppelscheibenfensters ist. In diesem Fall minimiert die schlechte oder niedrige Emissionsrate von Infrarotstrahlung der low-e-Beschichtung Strahlungswärmeübergang vom äußeren Substrat zum inneren Substrat. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, low-e-Beschichtungen sowohl auf dem äußeren als auch auf dem inneren Substrat von Doppelscheibenfensterstrukturen anzuordnen. Eine detaillierte Diskussion von low-e-Beschichtungen und Fensterkonstruktion mit low-e-Beschichtungen wird gegeben von T.E. Johnson in „Low E Glazing Design Guide", Butterworth and Heinemann (1991).
Bevorzugte low-e-Beschichtungen oder -Schichten sind Stapel aus dünnen Schichten aus Metalloxid, alternierend mit dünnen, transparenten Metallschichten. Eine dünne transparente Schicht aus Silber zwischen zwei dünnen, transparenten Schichten aus Zinkoxid, um die Silberschicht zu antireflektieren, gibt zum Beispiel eine low-e-Schicht mit hoher Lichtdurchlässigkeit mit einem Emissionsvermögen von so wenig wie etwa 0,1. Auch bevorzugt sind dünne Schichten aus degeneriert dotierten Metalloxid-Halbleitern, wie etwa mit Fluordotiertem Zinnoxid und mit Zinndotiertem Indiumoxid. Diese Metalloxid-Beschichtungen können farbunterdrückt sein durch eine oder mehrere Unterbeschichtungen und können leicht ein Emissionsvermögen von weniger als 0,2 erreichen. Low-e-Beschichtungen mit einem Emissionsvermögen von weniger als 0,2 sind bevorzugt. Beispiele für kommerziell verfügbares low-e-beschichtetes Glas, das zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, sind TEC 15 und Energy Advantage^® Low-E, erhältlich von Pilkington-Libbey Owens Ford, Toledo, Ohio; LoË-178 und LoE², erhältlich von Cardinal Glass, Spring Green, Wisconsin; Comfort E und Comfort E2, erhältlich von AFG Industries, Inc., Kingsport, Tennessee, und Sungate^®100, Sungate^®500 und Sungate^®1000, erhältlich von PPG Industries, Inc., Pittsburg, Pennsylvania. Ein Beispiel für einen bevorzugten low-e-beschichteten Kunststoff ist Solis^®-Polyesterfilme, erhältlich von Southwall Technologies, Palo Alto, Kalifornien.
Das Durchlässigkeitsspektrum eines Stücks TEC-15-Glas ist als Kurve 1 von 4 dargestellt. Die Abnahme der Durchlässigkeit bei längeren Wellenlängen als etwa 1.400 Nanometern, die in 4 dargestellt ist, beruht hauptsächlich auf einem Anstieg des Reflexionsvermögens von NIR-Licht bei diesen längeren Wellenlängen.
Elementkontrolle
In vielen Ausführungsformen dieser Erfindung verändern sich die Elemente dieser Erfindung spontan, um unter den geeigneten Bedingungen von Temperatur und Direktheit von Sonnenlicht ohne Kontrollmechanismen und Eingriff des Benutzers eine Energieblockade bereitzustellen. Andere Ausführungsformen dieser Erfindung stellen Elemente bereit, die von Benutzern kontrolliert werden können oder automatisch kontrolliert werden durch zum Beispiel elektronische Kontrollmechanismen, falls dies so gewünscht ist. Kontrollierbares Dimmen wird erreicht, indem ein Mittel zum Erhitzen der thermochromen Schicht bereitgestellt wird, wie etwa eine durchlässige leitende Schicht in thermischem Kontakt mit der thermochromen Schicht und eine Energiequelle, um die durchsichtige leitende Schicht und dadurch die thermochrome Schicht durch Widerstandsheizung zu erhitzen. Die Menge an elektrischer Energie, die dem durchlässigen Leiter zugeführt wird, kann benutzerkontrolliert sein durch zum Beispiel die Verwendung eines Rheostaten, oder sie kann durch einen elektronischen Schaltkreis kontrolliert sein, der solche Dinge wie Tageszeit, die Ausrichtung der Sonne oder die Außenumgebungstemperatur berücksichtigt. Wenn eine low-e-Schicht auf der thermochromen Schicht oder irgendeinem Überzug vorhanden ist, kann die low-e-Schicht als eine Widerstandsheizschicht dienen, wenn gewünscht, und die Eigenschaft niedrigen Emissionsvermögens bereitstellen, wenn die Widerstandsheizung nicht in Gebrauch ist. Dies kann nützlich sein für ein Fenster, das spontan Sonnenwärmeaufbau an warmen Sommertagen blockieren und benutzerkontrolliert sein würde, um Sonnenwärmeaufbau an sonnigen Wintertagen zu blockieren.
Fensterstrukturen
Die Elemente der Erfindung, die Fenster sind, können eine Reihe von unterschiedlichen Strukturen besitzen, in Abhängigkeit von der Art des Fensters, der Anordnung und Ausrichtung im Gebäude oder Fahrzeug und den Klimabedingungen in der Region, in der das Fenster verwendet wird. Die Installation im Gebäude und/oder Fahrzeug erfolgt typischerweise mittels Standardtechnologien wie Rahmen, Mittelpfosten und ausgeformten Kunststoffstreifen auf dem Glas zur Adhäsion am Fensterrahmen. 1 veranschaulicht mehrere der neuartigen Strukturen, die mit der einzigartigen Kombination von Schichten möglich sind, die in der Erfindung beschrieben ist. 1 ist veranschaulichend für die Strukturen, die für die Fenster der Erfindung möglich sind, und soll keine erschöpfende Liste von möglichen Strukturen sein.
1a zeigt eine Fensterstruktur 10, die ein Substrat 20 umfaßt, das in Kontakt steht mit einer Sperrschicht 30, die ihrerseits in Kontakt steht mit einer Lichtenergie absorbierenden Schicht 40, die ihrerseits in Kontakt steht mit einer thermochromen Schicht 50, die ihrerseits in Kontakt steht mit einer Schutzüberzugsschicht 60, die ihrerseits in Kontakt steht mit einer low-e-Schicht 70. Die Fensterstruktur in 1a ist dazu gedacht, in einem Gebäude oder Fahrzeug installiert zu werden, wobei das Substrat 20 zur Außenseite oder zur Sonne zeigt und die low-e-Schicht 70 zum Inneren zeigt.
1b zeigt eine alternative Struktur 10, die ein Substrat 20 umfaßt, das in Kontakt steht mit einer thermochromen Schicht 50, die ihrerseits in Kontakt steht mit einer low-e-Schicht 70. In 1b umfaßt das Substrat fakultativ Sperrschichteigenschaften. Das Substrat kann Lichtenergie absorbierende Eigenschaften besitzen. Die low-e-Schicht umfaßt fakultativ Schutzüberzugseigenschaften. Die Fensterstruktur in 1b ist dazu gedacht, in einem Gebäude oder Fahrzeug installiert zu werden, wobei das Substrat 20 zur Außenseite oder zur Sonne zeigt und die low-e-Schicht 70 zur Innenseite zeigt.
1c zeigt eine alternative Struktur 10, die ein Substrat 20 umfaßt, das in Kontakt mit einer Sperrschicht 30 steht, die ihrerseits in Kontakt mit einer thermochromen Schicht 50 steht, die ihrerseits in Kontakt mit einem weiteren Substrat 21 steht, das seinerseits in Kontakt mit einer low-e-Schicht 70 steht. In 1c umfassen das Substrat 20, das Substrat 21, die Sperrschicht und/oder die thermochrome Schicht fakultativ statische Lichtenergie absorbierende Eigenschaften. Die Fensterstruktur in 1c ist dazu gedacht, in einem Gebäude oder Fahrzeug installiert zu werden, wobei das Substrat 20 zur Außenseite oder zur Sonne zeigt und die low-e-Schicht 70 zum Inneren zeigt.
1d zeigt eine alternative Struktur 11, in der irgendeine der Strukturen 10 der 1a-1c mit einem Gas- oder Vakuumzwischenraum 80 mit einem weiteren Substrat 22 kombiniert ist, das in Kontakt steht mit einer low-e-Schicht 71. Die Fensterstruktur in 1c ist dazu gedacht, in einem Gebäude oder Fahrzeug installiert zu werden, wobei die Struktur 10 zur Außenseite oder zur Sonne zeigt und das Substrat 22 zum Inneren zeigt.
Beispiel 1
Ein thermochromes Fenster wird hergestellt durch Laminieren eines Stückes Glas mit Sperrschichteigenschaften für kurze Wellenlänge an ein Stück Glas, das mit einer low-e-Schicht beschichtet ist, zusammen mit einem thermochromen Polymerfilm als der Laminierungsschicht. Das Stück Glas mit Sperrschichteigenschaften für kurze Wellenlänge ist ein 495 Nanometer-Kantenfilterglas, erhalten von Edmund Scientific Company, Barrington, New Jersey. Das Stück Glas, das mit einer low-e-Schicht beschichtet ist, ist ein Stück TEC 15-Glas, erhalten von Pilkington-Libbey Owens Ford, Toledo, Ohio. Die thermochrome Polymerfilmschicht ist hergestellt aus einer Lösung von Propylencarbonat, die 0,3 Gramm Poly(vinylacetat) (durchschnittliches Molekulargewicht ca. 167.000) und 0,3 Gramm 2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon, beide erhältlich von Aldrich Chemical Company Inc., Milwaukee, Wisconsin, und 10 Milligramm Reversacol Palatenate Purple (eine Spirooxazin-Verbindung, erhältlich von Keystone Aniline Corporation, Chicago, Illinois) enthält. Mehrere Tropfen der viskosen Lösung wurden auf der unbeschichteten Seite des TEC 15-Glases verteilt und man ließ diese Lösung in einem Ofen bei 60°C für 20 Stunden trocknen. Dieser Film ist in seiner Natur insofern photochrom, als die Einwirkung von Sonnenlicht unmittelbar bewirkte, daß der anfänglich mittelgrüne Film dunkelgrünlich blau wurde. Der Film ist insofern in seiner Natur thermochrom, als das Erhitzen des Filmes von Raumtemperatur auf 70°C, in Abwesenheit von Sonnenlicht, bewirkt, daß der Film zunehmend dunkler bläulich/grün wurde.
Der so erhaltene Polymerfilm ist klebrig und sogar nach dem Trocknen noch etwas nachgiebig, so daß die Laminierung des Stückes Glas mit Sperrschichteigenschaften für kurze Wellenlänge an das Stück TEC 15-Glas einfach dadurch erreicht wird, daß das Sperrschichtglas auf den thermochromen Polymerfilm gedrückt wird. Das so erhaltene laminierte Fenster ist im Bereich der thermochromen Schicht mittelbläulich/grün in der Farbe. Keine photochrome Färbung wurde beobachtet, wenn das Fenster für mehrere Minuten direktem Sonnenlicht ausgesetzt wurde, wobei das Sperrschichtglas zur Sonne zeigte und die low-e-Schicht von der Sonne weg zeigte. Bei Einwirkung von direktem Sonnenlicht, mit derselben Ausrichtung zur Sonne, für einen längeren Zeitraum (wenigstens 20 Minuten) bei einer Umgebungstemperatur von ungefähr 31°C stieg die Temperatur des Fenster auf 53°C an. Das Fenster im Bereich der thermochromen Schicht veränderte sich von mittelgrün zu merkbar dunkler bläulich grün im Aussehen, als die Temperatur anstieg. So wurde die Photofärbung des Fensters unterdrückt und die thermische Färbung aufgrund der warmen Umgebungstemperatur und Einwirkung von direktem Sonnenlicht war signifikant, obgleich ein geringer Umfang an Photobleichung aufgrund des sichtbaren Abschnittes des Sonnenlichtes vorgelegen haben könnte.
Beispiel 2
Eine thermochrome Schicht wurde auf der unbeschichteten Seite einer Scheibe aus TEC 15-Glas, erhältlich von Pilkington-Libbey Owens Ford, Toledo, Ohio, hergestellt, indem mehrere Tropfen einer Lösung von 0,3 Gramm Poly(vinylacetat) (durchschnittliches Molekulargewicht ca. 167.000), 0,3 Gramm 2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon und 10 Milligramm Reversacol Palatenate Purple (eine Spirooxazin-Verbindung, erhältlich von Keystone Aniline Corporation, Chicago, Illinois), gelöst in 0,4 Gramm Aceton und 0,4 Gramm Propylencarbonat, verteilt wurden. Man ließ die Lösemittel bei Raumtemperatur für etwa 1 Stunde und dann bei 60°C für etwa 16 Stunden verdampfen. Ein leicht klebriger, grüner Film, etwa 0,02 cm dick, wurde gebildet. Wenn das Glas und die thermochrome Schicht erhitzt wurden, indem Strom durch die transparente, leitende low-e-Schicht auf der Glasscheibe geleitet wurde, verdunkelte sich die thermochrome Schicht zunehmend zu dunkelgrün. Die Spektren des thermochromen Films auf der Glasscheibe bei 25°C, 45°C, 65°C und 85°C sind durch die dünnen Linien in 3 dargestellt. Das Spektrum bei 85°C wird berechnet für Lichtwert D₆₅ und einen 2-Grad-Beobachter zu C.I.E. 1976 L*-, a*- und b*-Werten von 49,4, –26,1 bzw. –3,9, was zu einem C*_ab-Wert von 26,4 führt (siehe „Principles of Color Technology, 2nd Edition", F.W. Billmeyer Jr, und M. Saltzman, John Wiley and Sons, Inc. (1981) für ein Diskussion von Farbkoordinaten).
Eine thermochrome Schicht wurde auf der unbeschichteten Seite einer Scheibe aus TEC 15-Glas, erhältlich von Pilkington-Libbey Owens Ford, Toledo, Ohio, hergestellt, durch Verteilen mehrere Tropfen einer Lösung von 0,3 Gramm Poly(vinylacetat) (durchschnittliches Molekuargewicht ca. 167.000), 0.3 Gramm 2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon, etwa 5 Milligramm Reversacol Palatenate Purple (eine Spirooxazin-Verbindung, erhältlich von Keystone Aniline Corporation, Chicago, Illinois), etwa 5 Milligramm 1',3'-Dihydro-1',3',3'-trimethyl-5-methoxy-nitrospiro[2H-1-benzopyran-2,2'-(2H)-indol] (Chroma Dye 88, erhältlich von Chroma Chemicals Inc., Dayton, Ohio), gelöst in 0,7 Gramm Propylencarbonat. Man ließ das Lösemittel bei etwa 60°C für etwa 16 Stunden verdampfen. Ein leicht klebriger, gräulich/rötlich-brauner Film, etwa 0,02 cm dick, wurde gebildet. Wenn das Glas und die thermochrome Schicht erhitzt wurden, indem Strom durch die transparente leitende low-e-Schicht auf der Glasscheibe geleitet wurde, verfärbte sich die thermochrome Schicht zunehmend zu ziemlich dunkelbläulich/grau. Die Spektren des thermochromen Films auf der Glasscheibe bei 25°C, 45°C, 65°C und 85°C sind durch die dicken Linien in 2 dargestellt. Das Spektrum bei 85°C wird berechnet für Lichtwert D₆₅ und einen 2-Grad-Beobachter zu C.I.E. 1976 L*-, a*- und b*-Werten von 50,7, –12,7 bzw. –11,0, was zu einem C*_ab-Wert von 16,8 führt, der signifikant kleiner ist als der C*_ab von 26,4 für den Film mit Reversacol Palatenate Purple als dem einzigen thermochromen Materials. Dies bedeutet, daß die Kombination von thermochromen Materialien einen Film mit einer Farbe ergibt, der niedriger im Chroma und ist und matter oder grauer in der Farbe. Ein Film, der mit Chroma Dye 88 als dem einzigen thermochromen Material hergestellt ist, wird beim Erhitzen dunkelrötlich/braun und erscheint auch weniger grau in der Farbe als der Film mit der Kombination von thermochromen Materialien.
Beispiel 3
Eine thermochrome Schicht wurde hergestellt durch Lösemittelgießen eines Films aus einer Lösung von 0,24 Gew.-% Kristallviolett-Lacton und 4,7 Gew.-% Poly(vinylbutyral-co-vinylalkohol-co-vinylacetat) (88% Vinylbutyral, durchschnittliches Molekuargewicht 50.000 bis 80.000), beide erhältlich von Aldrich Chemical Company Inc., Milwaukee, Wisconsin, und 0,47 Gew.-% Octadecylphosphonsäure, erhältlich von Alfa Aesar, Ward Hill, Massachusetts, gelöst in einer Mischung gleicher Gewichte Ethylacetat und Amylacetat, auf einem Stück TEC 15-Glas. Nach Verdampfen der Lösungsmittel war die Filmzusammensetzung etwa 5 Gew.-% Kristallviolett-Lacton und 10 Gew.-% Octadecylphosphonsäure in der Poly(vinylbutyral-co-vinylalkohol-co-vinylacetat)-Polymermatrix. Wie hergestellt, war der Film 0,02 cm dick und war nahezu farblos, aber etwas trübe oder lichtstreuend bei 25°C. Bei Erhitzen auf 50°C wurde der Film klar und hellblau in der Farbe.
Beispiel 4
Eine UV-Sperrschicht wurde auf einem 0,1 cm dicken Stück Glas durch Lösemittelgießen einer 0,02 cm dicken Schicht hergestellt, die 33 Gew.-% 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon in Poly(vinylbutyral-co-vinylalkohol-co-vinylacetat) (88% Vinylbutyral, durchschnittliches Molekuargewicht 50.000 bis 80.000) war. Die verwendeten Lösungsmittel waren Ethylacetat und Amylacetat. Sowohl das Benzophenon als auch Butyral-Copolymer wurden von Aldrich Chemical Company Inc., Milwaukee, Wisconsin erhalten. Das Durchlässigkeitsspektrum dieser Sperrschicht auf dem Glasstück nach Verdampfen der Lösungsmittel ist als Kurve 3 in 3 dargestellt.
Beispiel 5
Eine Sperrschicht für UV- und SWV-Licht wurde auf einem 0,1 cm dicken Glasstück durch Lösemittelgießen einer 0,02 cm dicken Schicht hergestellt, die 17 Gew.-% 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon und 5 Gew.-% Chindingelb in Poly(vinylbutyral-co-vinylalkohol-co-vinylacetat) (88% Vinylbutyral, durchschnittliches Molekulargewicht 50.000 bis 80.000) war. Die verwendeten Lösemittel waren Ethylacetat und Amylacetat. Das 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon, Chinolingelb und Butyral-Copolymer wurden erhalten von Aldrich Chemical Company Inc., Milwaukee, Wisconsin. Das Durchlässigkeitsspektrum dieser Sperrschicht auf dem Glasstück nach Verdampfen der Lösemittel ist als Kurve 4 von 3 dargestellt.
Beispiel 6
Ein thermochromes Element, das zur Verwendung als ein Fenster oder eine Jalousie geeignet ist, wurde hergestellt durch Lösemittelgießen eines Films, der 9,4 Gew.-% Reversacol Sea Green, 45,3 Gew.-% 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon (ein UV-Stabilisator) und 45,3 Gew.-% Poly(vinylbutyral-co-vinylalkohol-co-vinylacetat) (88% Vinylbutyral, durchschnittliches Molekulargewicht 50.000 bis 80.00) war, aus einer Lösung dieser Materialien in einer 50/50-Mischung aus Ethylacetat und Amylacetat auf einem Stück TEC 15-Glas. Der hohe Gehalt an 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon schien den Film zu plastifizieren, was es leicht machte, ein Stück klares Fensterglas an das TEC 15-Glas zu laminieren, nachdem die Lösemittel verdampft waren. Durch Aufbringen von Druck bei 60°C wurde der thermochrome Polymerfilm zu einem gleichförmigen 0,025 cm dicken Film zwischen den zwei Glasstücken herausgepresst, durch Verwendung von 0,025 cm dicken Nylon-Monofilmanent-Abstandselementen zwischen den Glasstücken. Man glaubt, daß sowohl das Poly(vinylbutyral-co-vinylalkohol-co-vinylacetat) als auch das 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon eine für die thermochrome Aktivität des Reversacol Sea Green besonders geeignete Umgebung liefern. Die Stücke aus TEC 15-Glas waren größer als die Stücke aus Fensterglas auf zwei gegenüberliegenden Seiten, so daß elektrischer Kontakt auf jeder Seite der transparenten leitenden Beschichtung auf dem TEC 15-Glas mit elektrisch leitfähigen, federbelasteten Papierclips hergestellt werden konnte. Eine Wechselstromquelle mit variabler Spannung wurde mit den Clips verbunden und das Fenster oder die Jalousie wurde auf verschiedene Temperaturen erhitzt und bei diesen kontrolliert, durch Anlegen verschiedener Energiemengen an das Element. Die optischen Eigenschaften des Elementes wurden in einem Spektrophotometer bei einer Reihe von Temperaturen gemessen und die gemessenen Eigenschaften und diejenigen, die aus dem resultierenden Sepktrum berechnet wurden, sind unten dargestellt:
Obgleich das Element mit einer Durchlässigkeit bei λ_max von nur etwa 20% bei 25°C beginnt, nimmt seine Durchlässigkeit bei λ_max über den Bereich von 25° bis 85°C auf etwa 0,06% ab, für eine beeindruckende Veränderung von über 330 zu 1 in diesem Wellenlängenbereich.
Beispiel 7
Ein 0,6 cm breites Aluminum-Doppelscheibenfenster-Abstandselement wird an die low-e-Schichtseite des Fensters von Beispiel 2 geklebt und der 495 Nanometer-Kantenfilter wird an die EverGreen^®-Glasseite des Laminats geklebt. Eine zweite Lage aus Energy Advantage^® Low-E, erhältlich von Pilkington-Libbey Owens Ford, Toledo, Ohio, wird an die andere Seite des Aluminium-Doppelscheibenfenster-Abstandelementes geklebt, wobei die low-e-Beschichtung nach innen zur ersten low-e-Schicht hin zeigt. Ein Trockenmittel wird in das Aluminium-Abstandselement gegeben und der Zwischenraum zwischen den Glasscheiben wird mit Kryptongas gefüllt. Das Fenster wird in eine Gebäudestruktur eingesetzt, mit der folgenden Ausrichtung, beginnend mit der äußeren dem Sonnenlicht ausgesetzten Seite: 495 Nanometer-Kantenfilterglas, EverGreen^®-Glas, thermochrome Schicht, Energy Advantage^®-Glas, low-e-Schicht von Energy Advantage^®-Glas, Kryptongas, low-e-Schicht von Energy Advantage^®-Glas, Energy Advantage^®-Glas, Inneres des Gebäudes. Dieses Fenstersystem sollte beträchtliche Sonnenstrahlung in das Gebäude hinein unter Bedingungen ermöglichen, wenn das Sonnenlicht nicht direkt ist und/oder die Außentemperatur kühl ist, da sehr wenig Dunklung der thermochromen Schicht unter diesen Bedingungen stattfinden sollte. Dieses Fenstersystem sollte substantielle Sonnenenergieblockade bereitstellen, wenn das Sonnenlicht direkt auf dem Fenster liegt, insbesondere an warmen Tagen, da die thermochrome Schicht unter diesen Bedingungen signifikant dunkel werden sollte. Selbst an warmen Tagen sollte der Wärmeübergang aufgrund des Gases im Zwischenraum und die thermische Expansion des Fenstersystems aufgrund der Expansion des Gases aufgrund eines schmalen Zwischenraums zwischen den Scheiben und der Verwendung von Kryptongas im Zwischenraum minimiert werden.
Beispiel 8
Ein thermochromes Fenster wird aus einer Scheibe aus EverGreen®-Glas, erhältlich von Pilkington-Libbey Owens Ford, Toledo, Ohio, laminert an eine Scheibe aus LoE², erhältlich von Cardinal Glass, Spring Green, Wisconsin, hergestellt. Die Scheibe aus EverGreen^®-Glas wird auf einer Seite, über einen Bereich von 900 cm², mit einer Lösung von 20 Gramm Poly(vinylbutyral-co-vinylalkohol-co-vinylacetat) (88% Vinylbutyral, durchschnittliches Molekulargewicht 50.000 bis 80.000) und 5 Gramm 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon in 50 Millilitern Amylacetat und 50 Millilitern Ethylacetat beschichtet. Die Scheibe aus LoE² wird auf die Seite gegenüber der low-e-Beschichtung, über eine Fläche von 900 cm², mit einer Lösung von 20 Gramm Poly(vinylbutyral-co-vinylalkohol-co-vinylacetat) (88% Vinylbutyral, durchschnittliches Molekulargewicht 50.000 bis 80.000), 5 Gramm 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon und 1 Gramm Reversacol Aqua Green in 50 Millilitern Amylacetat und 50 Millilitern Ethylacetat aufgebracht. Man läßt das Lösemittel aus den Lösungen verdampfen, um eine Sperrschicht auf der Scheibe aus EverGreen^®-Glas und eine thermochrome Schicht auf der Scheibe aus LoE²-Glas auszubilden. Die zwei Stücke Glas, wobei die Polymerschichten einander zugewandt sind, werden zusammen durch einen Satz von erhitzten Ausführungswalzen hindurchgeführt und anschließend für 20 Minuten auf etwa 90°C erhitzt. Der Laminierungsprozess wird in einem Autoklavenvorgang wie demjenigen, der für das Laminieren von Autowindschutzscheiben verwendet wird, abgeschlossen. Dieses Fenster wird in ein Gebäude eingesetzt, mit dem EverGreen®-Glas zur äußeren der Sonne ausgesetzten Seite des Gebäudes, und der low-e-Schicht des LoE²-Glases zur Innenseite des Gebäudes.
Bei einer Außentemperatur von 34°C und klaren, sonnigen Bedingungen sollte, wenn das Fenster direktem Sonnenlicht von der Seite des EverGreen^®-Glases ausgesetzt ist, das Ausgesetztsein des Fensters bewirken, daß es sich von mittelgrün zu leicht dunkelgrün verändert, wegen, wie man glaubt, einer geringen Menge an restlicher photochromer Aktivität. Bei fortgesetztem Ausgesetztsein sollte das Fenster in der Temperatur ansteigen und zunehmend dunkelgrün im Aussehen werden.
Bei einer Außentemperatur von 14°C und klaren, sonnigen Bedingungen kann, wenn das Fenster direktem Sonnenlicht von der Seite des EverGreen®-Glases ausgesetzt ist, eine leichte Tönung beobachtet werden. Längeres Ausgesetztsein sollte nur einen mäßigen Anstieg in der Temperatur des Fensters und sehr geringen Anstieg in der Färbung bewirken.
Beispiel 9
Ein Fenster wird hergestellt, indem ein 1 mm dickes Glassubstrat mit einer Sperrschicht, einer Lichtenergie absorbierenden Schicht, einer thermochromen Schicht und einer Schutzüberzugsschicht beschichtet wird. Vor der Beschichtung des Glases mit diesen Schichten wird es vorbehandelt, indem das Glas in einer Lösung aus 90% Isopropylalkohol und 10% Wasser, die 3 Gewichtsprozent Trimethoxysilylpropyl(polyethenimin) enthält, für 5 Minuten getaucht wird, gefolgt vom Abspülen des Glases mit Isopropylalkohol und trocknenlassen.
Die Sperrschicht für sowohl UV-Licht als auch SWV-Licht wird hergestellt, indem 20 Gramm Polymethylmethacrylat (durchschnittliches Molekuargewicht ca. 996.000), 2 Gramm Chinolingelb (Solvent Yellow 33, C.I. 47000) und 5 Gramm 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon in 14 Gramm Aceton und 6 Gramm Propylencarbonat gelöst werden. Die Lösung wird gleichmäßig auf dem Glassubstrat über eine Fläche von ungefähr 1000 cm² verteilt. Man läßt die Lösung für 2 Stunden und in einem Ofen bei 60°C für 16 Stunden verdampfen, woraufhin eine klebfreie Schicht mit hervorragenden UV- und SWV-Sperrschichteigenschaften erhalten werden kann.
Die Lichtenergie absorbierende Schicht wird hergestellt, indem 20 Gramm Polymethylmetacrylat (durchschnittliches Molekulargewicht ca. 996.000), 5 Gramm 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon und 1 Gramm 4,6-Dinitro-4'-methyl-2,2'-azodiphenol (Mordant Brown 6, C.I. 11875) in 14 Gramm Aceton und 6 Gramm Propylencarbonat gelöst werden. Die Lösung wird gleichmäßig auf der Sperrschicht über der Fläche von ungefähr 1000 cm² verteilt. Man läßt die Lösemittel bei Raumtemperatur für 2 Stunden und in einem Ofen bei 60°C für 16 Stunden verdampfen, woraufhin eine klebfreie statische Lichtenergie absorbierende Schicht erhalten werden kann.
Die thermochrome Schicht wird hergestellt, indem 20 Gramm Polymethylmethacrylat (durchschnittliches Molekulargewicht ca. 996.000), 5 Gramm 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon und 0,5 Gramm Reversacol Sea Green (eine Spirooxazin-Verbindung, erhältlich von Keystone Aniline Corporation, Chicago, Illinois) in 14 Gramm Aceton und 6 Gramm Propylencarbonat gelöst werden. Die Lösung wird gleichmäßig auf der statische Lichtenergie absorbierenden Schicht über der Fläche von ungefähr 1000 cm² verteilt. Man läßt die Lösemittel bei Raumtemperatur für 2 Stunden in einem Ofen bei 60°C verdampfen, woraufhin eine klebfreie thermochrome Schicht erhalten werden kann.
Die Schutzüberzugsschicht wird hergestellt, indem 20 Gramm Polymethylmethacrylat (durchschnittliches Molekulargewicht etwa 996.000) und 2 Gramm 2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol in 14 Gramm Aceton und 6 Gramm Propylencarbonat gelöst werden. Die Lösung wird gleichmäßig auf der thermochromen Schicht über der Fläche von ungefähr 1000 cm² verteilt. Man läßt das Lösemittel bei Raumtemperatur für 2 Stunden und in einem Ofen bei 60°C für 16 Stunden verdampfen, woraufhin eine klebfreie Schutzüberzugsschicht erhalten werden kann.
Einwirkung von Sonnenlicht an einem kalten Tag auf das Fenster sollte keine merkbare Photofärbung und sehr wenig Erwärmung des Fensters und sehr wenig Thermofärbung bewirken. Einwirkung von Sonnenlicht an einem heißen Tag auf das Fenster sollte keine beobachtbare Photofärbung bewirken, aber zu signifikantem Erwärmen des Fensters und signifikanter Thermoverfärbung führen.
Wenn das thermochrome Fenster in einem Doppelscheibenfenster eingesetzt wird, wobei die Polymerschichten zur Innenseite des Rahmens zeigen, ist die andere Scheibe eine Scheibe aus Sungate^®100, erhältlich von PPG Industries Inc., Pittsburgh, Pennsylvania, wobei die low-e-Beschichtung zur Innenseite des Rahmens zeigt. Das Fenster sollte erhöhte Energieeffizienz bereitstellen, verglichen mit normalen Doppelscheibenfenstern, wenn installiert in einem Gebäude mit der 1 mm-Glasscheibe nach außen, gefolgt von den Polymerschichten, dem Gasraum, der low-e-Schicht und dem Sungate^®100-Glas, wobei die unbeschichtete Seite des Sungate^®100-Glases zur Innenseite des Gebäudes zeigt.
Beispiel 10
Eine thermochrome Schicht, die dafür vorgeschlagen ist, nachträglich in existierende Fenster eingebaut zu werden, kann hergestellt werden, indem eine Schicht aus Solis^®-Polyesterfilm, erhältlich von Southwall Technologies, Palo Alto, Kalifornien, mit einer thermochromen Schicht und einer Kontaktkleberschicht mit Sperrschichteigenschaften beschichtet wird. Der Solis^®-Film kann auf der Seite aufgebracht werden, der der bereits mit der low-e-Beschichtung beschichteten Seite gegenüberliegt, indem eine Lösung von Poly(vinylacetat) (durchschnittliches Molekulargewicht ca. 167.000), Keysorb 1026, Bis(1,2,2,6,6,-pentamethyl-4-piperidinyl)(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl)butylpropandioat und dem Reversacol Palatenate Purple in Toluol auf dem Polyesterfilm verteilt wird und man das Toluol verdampfen läßt. Diese thermochrome Schicht wird durch Aufsprühen einer Dispersion des UV-Absorbers Tinuvin^®213, erhältlich von Ciba Specialty Chemicals, Tarrytown, New York, im Kontaktkleber Fastbond^® 30-NF, erhältlich von 3M Company, St. Paul, Minnesota, mit einem Überzug versehen.
Nachdem die Kontaktkleberschicht getrocknet war, werden die Stücke des Films an die Unterseite des Glases des Sonnendachs und die Innenseite der Seiten- und Rückfenster auf der Innenseite eines Autos geklebt. Die thermochrome Schicht sollte, in Verbindung mit der low-e-Schicht auf der anderen Seite des Polyesterfilms, darin wirksam sein, Wärmeaufbau im Wagen zu minimieren, insbesondere wenn der Wagen an einem warmen oder heißen Tag in direktem Sonnenlicht geparkt ist.
Ein anderes Stück dieses thermochromen Films zum nachträglichen Einbau wird an die Innenseite der Innenscheibe einer Doppelscheiben-Isolierglas-Fensterstruktur geklebt. In dieser Konfiguration sollte die thermochrome Schicht in Verbindung mit der Eigenschaft niedrigen Emissionsvermögens eine Sperrschicht gegen Wärmeaufbau von direktem Sonnenlicht bereitstellen.
Nachdem wir die Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben haben, sollte es deutlich sein, daß zahlreiche Variationen und Modifikationen derselben möglich sind, ohne vom Geist und Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Thermochromes Fenster, welches umfaßt: ein lichtdurchlässiges Substrat (20); eine thermochrome Schicht (50) auf dem Substrat, die Sonnenlicht absorbieren kann, um einen Temperaturanstieg in der thermochromen Schicht zu bewirken, wobei die thermochrome Schicht reversibel in der Lichtabsorption ansteigen kann, wenn die Temperatur des thermochromen Materials ansteigt, und eine Schicht (70) mit niedrigem Emissionsvermögen (low-e).
Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermochrome Schicht (50) über den Temperaturbereich von 30°C bis 90°C reversibel in der Lichtabsorption ansteigen kann.
Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermochrome Schicht wenigstens eines der folgenden Materialien umfaßt: Reversacol Palatenate Purple, Reversacol Aqua Green, Reversacol Sea Green, Chroma Dye 37, Chroma Dye 88 und Chroma Dye 47.
Fenster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das thermochrome Material eine Mischung aus Reversacol Palatenate Purple und Chroma Dye 88 ist.
Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Chroma des Fensters im vollen Sonnenlicht einen C*ab-Wert von weniger als 20 besitzt.
Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster eine Sperrschicht gegen UV-Licht einschließt.
Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster eine Sperrschicht gegen UV-Licht und SWV-Licht einschließt.
Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster eine Überzugsschicht (60) einschließt.
Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat gehärtetes oder verstärktes Glas ist.
Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat einen nicht-unbegrenzten Krümmungsradius aufweist.
Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Adhäsionsbeschleuniger umfaßt.