0 引 言
建筑热反射型隔热涂料具有优异的隔热保温功能,是当今建筑节能材料的研究热点。随着建筑隔热涂料的大力推广,开发经济、方便和隔热效果良好的建筑反射隔热涂料对社会节能具有重大的现实意义。关于反射型隔热涂料的研究报道较多。阻隔型隔热涂料、反射型隔热涂料和辐射型隔热涂料都存在其优缺点,在研究与看法过程中,可以将它们综合起来,充分发挥各自的特点,进行优势互补。目前,随着研究开发的不断深入,技术工艺的不断成熟,集3种隔热功能为一体的高效薄层隔热防腐一体化的水性隔热涂料将成为未来隔热涂料研究的主要方向[1-4]。本文采用空心玻璃珠(B L Z)与彩色空心陶瓷珠(T C Z)复合制备得到具备优异反射隔热效果、良好耐沾污性能和易于配色的反射隔热涂料,并讨论了各组分对涂层隔热效果的影响。
1 试验部分
1.1 试验原料与试验仪器
1.1.1 原料
纯丙乳液、硅丙乳液、苯丙乳液、空心玻璃微珠、彩色陶瓷珠、二氧化钛、硅藻土、滑石粉、重质碳酸钙、成膜助剂、分散剂、润湿剂、消泡剂、增稠剂等。
1.1.2 试验仪器
S D F400型分散研磨机、T G2704型普通天平、34970A型Agilent数据采集仪、Brookfield黏度计等。
1.2 配方及制备工艺
1.2.1 配方(见表1)
2.2 乳液对涂料隔热性能的影响
图8 涂料组分对涂层耐沾污性能的影
1.2.2 制备工艺
按配方将水、润湿剂、分散剂、消泡剂、丙二醇等在容器中搅拌混合均匀;在慢速搅拌下,加入金红石型氧化钛、重质碳酸钙、硅藻土和滑石粉等颜填料,高速搅拌20 m i n后,检测细度,要求细度小于40μ m。达到细度要求后,依配方在慢速搅拌下将乳液、成膜助剂和消泡剂等加入到已分散好的颜料分散液中;搅拌均匀后,在低速状态下,缓慢添加空心玻璃珠和陶瓷珠粉料,搅拌该混合体系,直至分散均匀,然后添加余量水。
1.3 隔热性能试验方法
1.3.1 反射涂层的反射隔热效果测试
本试验采用如图1所示的隔热装置对反射涂层进行隔热效果表征。隔热测试按照J G / T 235-2008进行,测量空白纤维增强硅酸钙板和涂有薄层反射隔热涂料硅酸钙板的背面温度和其对应箱体内空气温度,并用非接触测温仪测量空白板和涂有样品硅酸钙板的上表面温度。先对纤维增强硅酸钙板进行表面处理,再进行涂膜,将所制备的涂料均匀涂布于纤维增强硅酸钙板基材上,干膜厚度约为0.5 μ m,然后用自制隔热仪测试隔热效果。照射光源按照J G / T 235-2008选取,为275 W红外灯,保持红外灯底端与隔热样板距离为30 c m ;将样板用密封胶密封于隔热装置开口端。所有隔热测试均在恒温恒湿条件下进行,温度(25±2) ℃,湿度55%±2%。
1.3.2 反射涂料的基本性能测试
根据J G / T 235-2008要求,反射隔热涂料需参照G B / T9755-2001对其基本性能进行检测,用以考察涂料的使用性能。
2 结果与讨论
2.1 时间对涂料隔热性能的影响
图2为外表面附有不同涂料样品的硅酸钙板内表侧温度随时间变化的测试曲线。
由图2可知,内表侧温度随着时间延长而逐渐升高,当时间为100 m i n时达到动态平衡;空白板的平衡温度为50 ℃,0593为一种普通涂料,其平衡温度为43.4 ℃,在其中加入3%和6%空心玻璃珠的平衡温度分别为41.3 ℃和38.9 ℃。可见,空心玻璃珠能有效增强涂料的隔热性能。本文此后提到的隔热温差特指样板内侧表面平衡温度与对应空白板内侧表面平衡温度的差值。
图3为不同乳液种类对隔热涂层的隔热效果的影响曲线,乳液主要为纯丙乳液、苯丙乳液和硅丙乳液。由图3观察可知,乳液的种类对涂层隔热性能影响较小,隔热温差大约14 ℃;但随着乳液含量的增加,涂层隔热性能逐渐增强,增强幅度越来越小,温差约为4 ℃。苯丙乳液涂层大温差为14 ℃,纯丙乳液涂层为14.6 ℃,硅丙乳液涂层为15 ℃;由于纯丙乳液折射系数较低,不含吸热基团,涂层的隔热性能较好,且纯丙乳液耐候性好。综合考虑各影响因素,本试验反射隔热涂料制备选用纯丙乳液。
2.3 颜料对涂料隔热性能的影响
据文献报道[3],颜料折射系数越高,涂膜的反射率也越高,相同条件下涂膜表面温度也越低,即能提高涂料的隔热效果。在白色颜料中,金红石型钛白粉折射指数高,因而本试验采用金红石型钛白粉制备反射隔热涂料。由图4分析可知,随着钛白粉含量的增加,涂层的隔热温差逐渐增大;当含量为20%时温差达到15 ℃,且增大趋势减缓。综合成本因素,本试验确定钛白粉含量为20%。
2.4 其他颜填料对涂料隔热性能的影响
硅藻土和滑石粉等填料折射率相当低,不直接散射光,但用作体质颜料可提高二氧化钛的散射效率,并且在“大气窗口”波段(8~13 μ m)内存在较强辐射散热能力[9]。采用硅藻土和滑石粉辅助钛白粉制备反射隔热涂料,具有优良的隔热性能,且产品成本较低。
从图5观察可知,随着填料的增加,涂层隔热温差逐渐增加,当填料含量为12%时,温差达到14.6 ℃;继续增加填料含量,隔热温差有降低趋势。根据文献可知[5],P V C(颜基比)是影响涂层隔热性能的重要因素。当P V C较低时,随着其不断增大,涂层隔热性能逐渐提高。当颜填料含量继续增加到40%时,树脂无法完全包裹颜填料或填充其间隙,涂层中将出现空隙与缺陷,涂层隔热性能逐渐下降。综合上述各因素,填料添加量为12%、P V C为40%时,涂层具有较好的隔热效果。
2.5 m(BLZ)/m (TCZ)对涂料隔热性能的影响
在反射隔热涂料中以空心玻璃微珠和陶瓷珠为功能性填料,不仅能具有类似金属铝粉的红外高反射率和热辐射效果,还能利用其空心和热导率低的特点,达到阻隔热量的目的。以空心玻璃微珠或陶瓷珠为填料的涂层同时具有反射太阳光和阻隔热量的复合隔热效果。分别采用不同含量(1%、3%、6%、10%、15%)的空心微珠和陶瓷微珠制备反射隔热涂料,用图1所示的装置测试其隔热效果。
图6为空心玻璃珠和陶瓷微珠不同含量分别对涂层隔热性能的影响曲线,隔热温差随着时间的增加逐渐增大,在t=100 m in时达到平衡。由图6观察可知,随着玻璃珠含量的增加,涂料的隔热性能有不同程度提高,但平衡温差变化幅度逐渐减小,且当玻璃珠含量为10%时隔热温差略有下降,可能由于玻璃珠在涂层形成光传递通道而导致反射隔热减弱;陶瓷珠含量的增加对涂层的隔热温差同样具有良好增强效果,当含量为10%时,隔热温差超过玻璃珠1 ℃;当含量为15%时,隔热温差增幅减小,但降幅小于玻璃珠。综合以上因素考虑,微珠的添加量在涂料总量的3%~10%时较为适宜,隔热温差为13~ 15 ℃;陶瓷珠添加量为6%~10%,隔热温差为13~15 ℃。可见,陶瓷珠和玻璃珠对涂料的隔热性能均有不同程度的提高,且当玻璃珠含量小于10%时隔热效果好于陶瓷珠,含量大于10%时隔热效果较陶瓷珠差。
由图6分析结果可知,陶瓷珠和玻璃珠对提高涂层隔热性能均有良好效果,且彩色空心陶瓷珠可用于涂料的配色系统。但据文献报道[3-4],添加陶瓷珠的涂料有严重后增稠现象,而玻璃珠在涂料中具有较好的稳定性,因此本文尝试将玻璃珠和陶瓷珠复合制备反射隔热涂料。
图6为空心玻璃珠和陶瓷微珠不同含量分别对涂层隔热性能的影响曲线,隔热温差随着时间的增加逐渐增大,在t=100 m in时达到平衡。由图6观察可知,随着玻璃珠含量的增加,涂料的隔热性能有不同程度提高,但平衡温差变化幅度逐渐减小,且当玻璃珠含量为10%时隔热温差略有下降,可能由于玻璃珠在涂层形成光传递通道而导致反射隔热减弱;陶瓷珠含量的增加对涂层的隔热温差同样具有良好增强效果,当含量为10%时,隔热温差超过玻璃珠1 ℃;当含量为15%时,隔热温差增幅减小,但降幅小于玻璃珠。综合以上因素考虑,微珠的添加量在涂料总量的3%~10%时较为适宜,隔热温差为13~ 15 ℃;陶瓷珠添加量为6%~10%,隔热温差为13~15 ℃。可见,陶瓷珠和玻璃珠对涂料的隔热性能均有不同程度的提高,且当玻璃珠含量小于10%时隔热效果好于陶瓷珠,含量大于10%时隔热效果较陶瓷珠差。
由图6分析结果可知,陶瓷珠和玻璃珠对提高涂层隔热性能均有良好效果,且彩色空心陶瓷珠可用于涂料的配色系统。但据文献报道[3-4],添加陶瓷珠的涂料有严重后增稠现象,而玻璃珠在涂料中具有较好的稳定性,因此本文尝试将玻璃珠和陶瓷珠复合制备反射隔热涂料。
图7为玻璃珠与陶瓷珠不同配比的涂层隔热效果变化曲线。随着复配比例的增加,涂层的隔热温差出现先增后减的变化趋势,当配比为1∶1时,涂层具有佳的隔热效果,隔热温差为16.5 ℃。根据报道分析,陶瓷珠的导热系数为0.043~0.047 W / ( m · K ),而玻璃珠的导热系数为0.07 W / ( m · K )。可见,采用两者复配的涂层兼具反射性能和阻隔性隔热效果,从而具有更优异的隔热性能。
2.6 涂层耐沾污测试
根据J G / T235-2008要求可知,反射涂层除具有良好的隔热温差外,还应具备稳定的隔热性能,即具有一定的隔热衰减温差,≤12 ℃。隔热衰减温差与颜填料存在重要关联,此外涂层的耐沾污性能也是隔热衰减温差的重要影响因素,因此涂层的耐沾污性能是反射隔热涂料必须考虑的。
图8为玻璃珠与陶瓷珠不同配比、不同乳液以及不同颜填料配比对涂层耐沾污性能的影响曲线。由图8(b)观察可知,玻璃珠与陶瓷珠复配较单独使用玻璃珠或陶瓷珠具有更好的耐沾污性能,这主要与两者的粒径搭配有关,当m(BLZ)/m(TCZ)=2∶1时,耐沾污参数为10% ;采用硅丙乳液的涂膜具有更优异的耐沾污性能,耐沾污参数为8.61%,如图8(c),这是由于硅丙乳液具有更低的表面张力,从而使涂膜具有一定的疏水性,纯丙乳液涂膜也具有良好的耐沾污性能,耐沾污参数为12.7% ;当钛白粉、硅藻土和滑石粉的比例为5∶1∶1时,涂膜具有良好的耐沾污性能,耐沾污参数为8.61%,见图8(c)。综上所述,本试验采用纯丙乳液,钛白、硅藻土和滑石粉比例为5∶1∶1,m(BLZ)/m(TCZ)=2∶1。
图8为玻璃珠与陶瓷珠不同配比、不同乳液以及不同颜填料配比对涂层耐沾污性能的影响曲线。由图8(b)观察可知,玻璃珠与陶瓷珠复配较单独使用玻璃珠或陶瓷珠具有更好的耐沾污性能,这主要与两者的粒径搭配有关,当m(BLZ)/m(TCZ)=2∶1时,耐沾污参数为10% ;采用硅丙乳液的涂膜具有更优异的耐沾污性能,耐沾污参数为8.61%,如图8(c),这是由于硅丙乳液具有更低的表面张力,从而使涂膜具有一定的疏水性,纯丙乳液涂膜也具有良好的耐沾污性能,耐沾污参数为12.7% ;当钛白粉、硅藻土和滑石粉的比例为5∶1∶1时,涂膜具有良好的耐沾污性能,耐沾污参数为8.61%,见图8(c)。综上所述,本试验采用纯丙乳液,钛白、硅藻土和滑石粉比例为5∶1∶1,m(BLZ)/m(TCZ)=2∶1。
图8 涂料组分对涂层耐沾污性能的影
3 结 论
(1) 成膜物质种类的差异对涂料隔热性能的影响较小,综合考虑采用纯丙乳液作为隔热涂料的成膜物质,且含量为40%,隔热温差为14.6 ℃。
(2) 二氧化钛能有效提高涂层反射隔热性能,综合隔热和经济因素,确定采用20%的二氧化钛添加量;硅藻土和滑石粉等具有红外辐射性能的填料对涂料隔热性能有增强作用,当填料含量为12%时,具有佳的隔热增强效果。
(3) 空心玻璃珠和陶瓷珠均能有效提高涂层的隔热温差,含量分别为6%时,涂层具有较好的反射隔热性能;空心玻璃珠与陶瓷珠适当搭配,能有效提高涂料的隔热性能,当配比为1∶1时具有优异的隔热性能,隔热温差为16.5 ℃。
(4) 耐沾污测试结果表明,当采用纯丙乳液为成膜物,且钛白粉、硅藻土和滑石粉比例为5∶1∶1,m( B L Z ) /m(TCZ)=2∶1时,具有佳的耐沾污性能。