高性能反射隔热弹性涂料的研究
李伟，李安宁，朱殿奎，沈志明，李晴，李娟( 江苏丰彩新型建材有限公司，南京210000)
据统计，我国建筑能耗已占社会总能耗的27. 6%，建筑节能已成为当今社会发展主题。提高建筑物的保温隔热性能是节约能源、提高建筑物使用功能的重要途径。在建筑物表面涂敷一层反射隔热涂料，可以有效地将太阳光中90% 以上的热量反射出去，从而减少传入到室内的热量，大大降低空调使用率。关于隔热涂料的研究文章有很多，各种隔热涂料方面的技术不断涌现。彭超等通过对不同目数隔热陶瓷粉进行配比，分析了白色及彩色建筑隔热涂料的影响因素。马承银等利用空心玻璃微珠的高热阻，研究了用TiO2包覆的空心玻璃微珠作热反射材料的方法，并制备了对近红外线反射率超过80%的涂料。但是反射隔热涂料的太阳光反射性能有待改善，钛白粉及其粒径、空心玻璃微珠、陶瓷粉等关键组分对涂料太阳反射比的影响缺乏较为系统的研究，本文针对上述问题进行系统的研究，提高了反射隔热弹性涂料的性能。
1 实验部分
1. 1 原料和设备
主要原料见表1，主要设备仪器见表2。
1. 2 涂料制备
将水、润湿剂、分散剂、消泡剂、成膜助剂、防霉剂、增稠剂依次加入塑料搅拌杯中，搅拌5 ～ 10 min 至均匀。然后依次加入金红石钛白粉、陶瓷粉、云母粉，在1 200 ～ 2 000 r /min的转速下高速搅拌20 ～ 30 min 获得分散体系。调节转速为800 ～ 1 200 r /min，向上述分散体系中加入弹性丙烯酸乳液，搅拌时间为15 ～ 20min。调节转速为250 ～ 400 r /min，然后加入空心玻璃微珠并搅拌5 ～ 10 min，即制得反射隔热弹性涂料。
1. 3 性能测试
参照GB/T 25261—2010《建筑用反射隔热涂料》、JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》和JG/T1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》测试涂膜的太阳反射比及半球发射率。
2 结果与讨论
2. 1 涂膜厚度对太阳反射比的影响
固定钛白粉在涂料中的含量为30%，颜料体积浓度( PVC) 为60%，空心玻璃微珠含量为10%，陶瓷粉含量为4%，其他影响因素均固定不变。测试涂膜厚度对太阳反射比的影响，结果见表3。
从表3 可以看出，涂膜为80 μm 时，太阳反射比仅为0. 814 0，可能是由于光线容易透过反射隔热涂料，从而被底材所吸收。随着涂膜厚度的增加，透过光线能量降低，大量光线被反射，从而使太阳反射比增加。当涂层厚度达到480 μm 以上时，太阳反射比增加的幅度逐渐变小。
2. 2 颜料体积浓度( PVC) 对太阳反射比的影响
控制涂层的厚度为480 μm，固定钛白粉在涂料中的含量为30%，涂膜厚度为480 μm，空心玻璃微珠含量为10%，陶瓷粉含量为4%，其他影响因素均固定不变。涂料PVC 对太阳反射比的影响见表4。
从表4 可以看出，随着PVC 的增加，太阳反射比呈现先增加后减小的趋势，当PVC 含量在60% 左右时，反射隔热涂料太阳反射比达到大值0. 871 1。
2. 3 钛白粉粒径分布对太阳反射比的影响
钛白粉的粒径对涂料的反射性能起着关键作用，颜料粒径d 与散射波长λ 存在如式( 1) 的关系。
由式( 1) 可知，颜料的粒径与散射波长存在线性关系。
固定钛白粉的含量为30%，涂膜厚度为480 μm，PVC 为60%，空心玻璃微珠含量为10%，陶瓷粉含量为4%，其他影响因素均固定不变，测试了钛白粉粒径与涂膜太阳反射比的关系，结果见表5。
从表5 可以看出，采用HTTI － 03 纳米级钛白粉，由于粒径过小，根据式( 1) 计算，相应可散射波长为200 ～ 400 nm 波段内的太阳光，其他波段不能散射，因此太阳反射比较低。Ｒm － 1 钛白粉由于粒径分布范围较大，主要在500 ～ 1 200 nm之间，相应可散射波长为1 100 ～ 2 500 nm波段内的太阳光，可见光区域不能散射，因此太阳反射比也较低。而采用Tiona595钛白粉制备的样品，由于粒径分布为100 ～ 800 nm，在涂料中单分散相对均匀，所以对可见光区域400 ～700 nm和近红外光区域700 ～ 2 500 nm具有相对较强的散射能力。综合考虑选用Tiona595 钛白粉作为反射隔热涂料中的颜料。
2. 4 钛白粉含量对太阳反射比的影响
将Tiona595 钛白粉在涂料中的比例分别设定为10%、20%、30%、40% 和50%，固定涂膜厚度为480 μm，PVC 为60%，空心玻璃微珠含量为10%，陶瓷粉含量为4%，其他影响因素均固定不变，检测其太阳反射比，结果如表6 所示。
从表6 可以看出，添加10% 的钛白粉后，涂层太阳反射比快速增加，再增加钛白粉的量涂层太阳反射比的增速减缓，当钛白粉的比例为30% 时，太阳反射比达到大值，之后增加钛白粉的含量，太阳反射比反而降低。这可能是因为钛白粉开始逐渐分散在基料聚合物的连续相里，起反射作用的颜料粒子数增多，太阳反射比呈上升趋势; 随着钛白粉含量继续增加，颜基比随之增加，颜基比超过一定极限时，基料聚合物不能将钛白粉粒子之间的空隙完全充满，基料被空气所取代，此时涂料的分散性降低，涂膜的光滑性降低，容易被污染，使涂层太阳光反射比下降。
2. 5 空心玻璃微珠含量对太阳反射比的影响
2. 5 空心玻璃微珠含量对太阳反射比的影响
空心玻璃微珠为中空腔体结构，薄壁大约占到整个体积的1 /30，空心腔体占据整个空心玻璃微珠的大部分体积结构，使得空心玻璃微珠具有良好的隔热性能。
固定钛白粉在涂料中的含量为30%，涂膜厚度为480 μm，PVC 为60%，陶瓷粉含量为4%，其他影响因素均固定不变，测定了空心玻璃珠含量［Im16k( 粒径30 μm) 和S38( 粒径100 μm) 质量比为4∶ 1］对太阳反射比的影响，结果见表7。
从表7 可以看出，随着空心玻璃微珠含量的增加，涂层反射太阳光的能力呈现先增加后降低的趋势。由于空心玻璃微珠用量较低时，其在涂层中排布较为疏松，无法形成致密的反射层，光线容易穿透涂层直接到基底，因此太阳反射比较低。当空心玻璃微珠含量为10%时，其在涂层中排列致密，光线照射到涂层表面时能够通过空心玻璃微珠表面并在内壁进行多次反射，提高了涂层对太阳光的反射比。当空心玻璃微珠含量继续增加达到20% 时，由于大量的空心玻璃引起涂料成膜力降低，以至于涂料的涂层流动性降低，涂层的光泽度受到影响，涂层表面凹凸不平，从而引起其表面反射率大大降低。
2. 6 陶瓷粉用量对涂层半球反射率的影响
2. 6 陶瓷粉用量对涂层半球反射率的影响
陶瓷粉主要是由一些半导体金属氧化物( 如TiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、MnO2、ZrO2等) 在1 000 ～ 1 500 ℃煅烧2 ～ 6 h 后制备而得的，当光线照射到半导体金属氧化物表面时，发生光电作用而产生大量电子跃迁，从而将一部分能量以红外线的形式辐射到空气中。在实验中固定钛白粉的含量为30%，涂膜厚度为480 μm，PVC 固定为60%，空心玻璃微珠含量为10%，其他影响因素均固定不变。通过调节陶瓷粉在反射隔热涂料中的比例，按照0、2%、3%、4%、5%、6% 和8% 的添加量制备反射隔热涂料，其用量对半球发射率的影响如表8 所示。
从表8 可以看出，不添加陶瓷粉时涂层的半球发射率比较低，随着陶瓷粉用量增加，半球发射率出现先增加后减小的趋势，当陶瓷粉的添加量为4% 时，半球发射率达到大值。隔热涂料的半球发射率与陶瓷的添加量存在一个佳值，陶瓷粉本身具有高达85%以上的辐射能力，但材料辐射率与其含量非线性相关，因此当陶瓷粉含量在涂料中达到一定程度后，涂层的半球发射率不再增加，而陶瓷粉含量过量时，过量的陶瓷粉颗粒之间发生团聚，从而限制了陶瓷粉辐射能力，因此适宜的陶瓷粉的添加量对反射隔热涂料隔热性能起到积极的作用。
2. 7 涂料的基本性能测试
综合考虑上述各种因素对反射隔热弹性涂料的影响，终通过实验固定涂膜厚度为480 μm，涂料颜基比60%，钛白粉含量为30%，空心玻璃微珠含量为10%，陶瓷粉含量4%，获得佳的反射隔热弹性涂料配方如表9 所示，按照GB /T 25261—2010 测试涂料的基本性能，结果见表10。从表10 数据可知，实验制备的反射隔热涂料的各项性能指标均达到要求。
3 结语
( 1) 控制涂膜厚度为480 μm，钛白粉Tiona595含量为30%，粒径为100 ～ 800 nm，陶瓷粉含量为4%，空心玻璃微珠含量为10% 时，制得的涂层的太阳反射比为0. 891 4，半球发射率为0. 89。
( 2) 空心玻璃微珠加量增加，涂层反射太阳光的能力呈现先增加后降低的趋势，佳添加量为10%。
( 3) 为了提高隔热涂料的半球发射率，陶瓷粉的添加量存在一个佳值，当陶瓷粉的添加量为4%时，可获得半球发射率为0. 89 的高性能涂料。
( 3) 为了提高隔热涂料的半球发射率，陶瓷粉的添加量存在一个佳值，当陶瓷粉的添加量为4%时，可获得半球发射率为0. 89 的高性能涂料。
