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建筑反射隔熱涂料的制備及性能研究,采用親水性的彈性乳液為基料,以優異隔熱、反射功能的空心玻璃微珠、陶瓷微珠和反光粉為功能填料
2020年02月05日    閱讀量:1030    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 引言

太陽反射隔熱涂料是一種能夠反射太陽光,降低太陽熱吸收,起到隔熱降溫作用的涂料。通過涂覆太陽反射隔熱涂料可以提高建筑屋頂和外表面的反射率[1],太陽照射越強烈,建筑物內外表面的溫度差越大,室內保持較低的溫度,縮短空調使用時間,減少能耗。


建筑反射隔熱涂料因經濟、使用方便、環保和節能效果好等優點越來越受到人們的青睞[2],市場前景光明,其推廣應用具有十分重要的經濟價值和生態社會效益中國建材網cnprofit.com


1 實驗

1.1 原材料

彈性乳液:市售;金紅石二氧化鈦:RCL-828,澳洲美禮聯公司;煅燒高嶺土(1250 目):宜興市誠質化工原料有限公司;空心玻璃微珠:PQ-6030,廣州伊高化工有限公司;反光粉:YT-803,上海羽唐實業有限公司;空心陶瓷微珠:3M;分散劑:SN5040,廣州冠志化工有限公司;潤濕劑:X405,陶氏化學;消泡劑:8034L,科寧化工有限公司;AMP-95:廣州冠志化工有限公司;丙二醇:廣州冠志化工有限公司;醇酯-12:伊士曼化工公司;增稠劑:TT-935,陶氏;硅烷偶聯劑:KH-570,武漢市高創有機硅新材料有限公司;殺菌劑:陶氏。

1.2 涂料的制備

反射隔熱彈性涂料基本配方見表1。

反射隔熱彈性涂料基本配方

建筑反射隔熱涂料的制備及性能研究,采用親水性的彈性乳液為基料,以優異隔熱、反射功能的空心玻璃微珠、陶瓷微珠和反光粉為功能填料 中國建材網,cnprofit.com

按表1 的基本配方稱取各種顏、填料和助劑,在低速攪拌下,依次加入去離子水、潤濕劑、分散劑、部分消泡劑、硅烷偶聯劑、丙二醇等助劑攪拌混合均勻,再加入二氧化鈦、高嶺土、反光粉、陶瓷微珠等顏、填料高速分散研磨細化,低速攪拌下加入乳液、成膜助劑、玻璃微珠、殺菌劑、剩下的消泡劑,并調到合適的pH 值和黏度,過濾,出料。

1.3 實驗儀器與測試

高速分散機:JJ-1;拉伸強度測試:CMT 6104 萬能電子拉力試驗機,參照標準GB/T 528—1998;耐沾污測試:C84-Ⅱ反射率測定儀,參照標準GB/T 9755—2001;耐洗涮性:QFS 涂層耐洗刷測定儀,參照標準GB/T 9266—2009;隔熱溫差測試:裝置按JG/T 235—2008《建筑反射隔熱涂料》標準自制,測試參照標準JG/T 235—2008。隔熱溫差測試裝置如圖1 所示[3]。

測溫裝置示意圖

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2 結果與討論

乳液和功能填料是建筑反射隔熱涂料的重要組成部分,直接關系到涂膜性能的優劣,乳液應該具有優異的耐水性、耐候性,涂膜還應該具備合適的彈性,從而消除建筑物形變所產生的應力,形成彌補微裂紋的能力。此外,涂膜還應具有良好的耐沾污性。功能填料的加入主要是提高涂膜的太陽反射比和半球發射率,起到良好的反射隔熱效果。


2.1 乳液的種類對涂膜性能的影響

乳液作為外墻涂料的主要成膜物質,影響著外墻涂料的主要性能。彈性涂料中乳液的選擇尤為重要,外墻涂料乳液既要能夠達到耐水、耐洗刷、拉伸強度、斷裂伸長率的技術要求,又要達到耐沾污性的要求。本實驗選用市售5 種彈性乳液制成反射隔熱彈性涂料,其主要性能見表2。

不同彈性乳液性能的比較

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從表2 中可以看出,不同的彈性乳液制備的涂膜隔熱性能都較好,但漆膜耐沾污性能差別較大。彈性乳液A、C、D、E 制成的涂料耐沾污性都在20%以上,而乳液B 制成的涂膜的耐沾污性較好,耐沾污為10.1%。


B 乳液表面設計成親水性,使用了特殊的親水性官能基,這是因為親水性涂膜具有憎油性,一些親油性污染物很難附著,即使附著也黏附不牢,而親水性污染物在堅硬、平滑、低靜電的表面也難以附著,親水性涂膜表面的親水性基團具有低帶電性,與帶電浮游污染顆粒之間的靜電引力小,使其難于附著在涂層表面;


因此涂膜耐沾污性較好。在實際使用過程中,由于雨水對表面的潤濕,水的接觸角變小,使粘附在涂層上的親水親油性污染物很容易被雨水沖洗掉,可以成為自清潔涂料。


2.2 玻璃微珠的含量對涂膜性能的影響

熱反射隔熱涂料的關鍵是提高涂層的光熱反射率和熱輻射率。空心玻璃微珠呈密閉空心微球狀,添加到涂料中形成許多微觀的獨立絕熱腔體,可以提高涂膜的絕熱性,起到很好的反射隔熱效果。

2.2.1 玻璃微珠的含量對涂膜隔熱性能的影響

在基礎配方中加入不同量的空心玻璃微珠,研究不同玻璃微珠含量對涂膜隔熱性能的影響,見表3。

不同玻璃微珠含量對涂膜隔熱性能的影響

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從表3 中可以看出,涂層中加入玻璃微珠能明顯改善涂層的隔熱效果。在干膜厚度相同的情況下,隨著空心玻璃微珠含量的增加,板內側溫度隨著會逐漸降低,隔熱效果更為明顯。玻璃微珠的量為50 g 時,板內測中心溫度可降低12 ℃左右。繼續增加玻璃微珠含量,板內測溫度降低不再明顯。


當玻璃微珠含量較少時,其在涂層中排布稀疏,不能形成致密的反射層,光線能夠透射穿過涂膜,反射隔熱效果不明顯;隨著空心玻璃微珠含量的增加,其在涂膜中排列的逐漸致密,涂膜的隔熱效果顯著增加;


當玻璃微珠用量在50 g 左右時,其在涂膜中排列致密,逐漸趨于飽和狀態,此時太陽光的反射率達到最大[3],隔熱效果最好;繼續增加玻璃微珠的含量,只能增加玻璃微珠在涂膜中的密度,對玻璃微珠在涂膜表面的排列密度不再產生影響,只是涂膜中形成的微觀的獨立絕熱腔體比較多,從而使涂層導熱系數略有降低,板內側溫度降低不再明顯。


2.2.2 玻璃微珠的含量對涂膜耐洗刷和耐沾污性能的影響

在基礎配方中加入不同量的空心玻璃微珠,研究涂膜耐沾污和耐洗涮性能的變化,見圖2。

不同玻璃微珠含量對涂膜耐沾污和耐洗刷性能的影響

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從上圖2 可以看出,在玻璃微珠含量為40 g 時,涂膜的性能最好,耐洗刷達到了最大值,耐沾污性能最好。這主要是因為PVC 較小時,顏料粒子分散在基料聚合物的連續相里,形成所謂的“海-島”結構,涂膜致密,表面光滑,涂膜的性能達到最優;


隨著玻璃微珠含量的增加,PVC 提高,乳液聚合物不能將顏料和填料粒子間的空隙完全填滿,這些未被填充的空隙就留在涂膜中由空氣來填充,此時涂膜的致密度會降低,表面變得粗糙,耐沾污和耐洗刷性能降低。


2.3 多種功能填料的優化對涂膜隔熱性能的影響

微珠的粒徑分布對涂料體系的隔熱效果及涂膜的性能有一定的影響。粒徑大使反光隔熱效果好,但涂膜表面粗糙、空隙較大,耐沾污性差;粒徑小使涂膜表面光滑平整,耐沾污性好,但反光隔熱效果不好[4]。


所以,應選擇合適的粒徑搭配,既使涂膜具有良好的隔熱效果,又使涂膜表面光滑平整、耐沾污性好。將不同粒徑的功能填料復合使用,充分發揮各自的特點,可以彌補使用某一種功能填料的缺陷。


單獨使用玻璃微珠或陶瓷微珠,涂膜的隔熱效果較好,但是由于玻璃微珠粒徑較大,涂膜表面比較粗糙,耐沾污性和耐洗刷性較差;若單獨使用隔熱反光粉,由于粒徑很小,涂膜表面光滑,相比使用玻璃微珠,隔熱效果稍差了一點。為了解決這個問題,將不同粒徑的功能填料按照一定的比例加到涂料中。


大小不一的粒子可以形成互補,大小粒子在涂層中交錯排布,小粒子可以有效地填充大顆粒間的間隙,提高涂膜的致密度和表面的平整度,從而可以提高涂層的耐沾污性,提升涂層的反射效率。功能填料中,玻璃微珠的含量為5%(質量百分比,下同),陶瓷微珠的含量為2%,反光粉的含量為3%。


這樣可以充分發揮反射、阻隔、輻射的協同作用,制備的隔熱涂料具有高反射率、高輻射率、低導熱系數、低蓄熱系數等熱工性能,涂膜致密,表面光滑,從而使涂膜的綜合性能達到最優。


2.4 涂層厚度對隔熱性能的影響

選取同一配方的涂料涂刷在硅鈣板上,分別制得不同厚度的干膜,研究涂膜厚度對反射隔熱效果的影響。空心玻璃微珠、反光粉和Insuladd(因阻粒)真空陶瓷微珠含量占涂料總量的10%,見圖3。

建筑反射隔熱涂料的制備及性能研究,采用親水性的彈性乳液為基料,以優異隔熱、反射功能的空心玻璃微珠、陶瓷微珠和反光粉為功能填料 中國建材網,cnprofit.com

不同涂層厚度對隔熱性能的影響

從圖3 中可以看出隨著干膜厚度的增加,隔熱效果逐漸變好。當涂膜厚度較薄時,基層易吸收光線的熱量;隨著涂層厚度的增加,透射的光線量降低,反射輻射效果增加,光線不能穿過基層,反射效果達到最大值[5];再繼續增加涂膜的厚度,涂膜的反射率不再變化。因此,在施工過程中,選擇合適的涂膜厚度,可以達到最佳的反射隔熱效果,同時可以降低成本。從圖3 中還可以看出,在功能填料含量和涂膜厚度相同的條件下,空心玻璃微珠作為功能填料隔熱效果最好,主要是因為玻璃微珠具有反射和輻射的雙重功效。


2.5 涂料的基本性能測試

本實驗研究制備的反射隔熱彈性涂料通過了國家建筑材料測試中心的檢測,各項性能指標均超過了行業標準JC/T 1040—2007《建筑外表面用熱反射隔熱涂料》和JG/T235—2008《建筑反射隔熱涂料》的技術要求。主要性能見表4。

建筑反射隔熱彈性涂料的主要性能指標

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3 結語

(1) 乳液作為外墻涂料的主要成膜物質,也是影響彈性涂料性能的關鍵,為取得良好的拉伸強度、斷裂伸長率、耐沾污性及隔熱保溫性能的平衡,在配方設計時選擇了親水性的彈性乳液B。

(2) 確定了功能填料的最佳用量和多種功能填料的優化配比,使得涂料的綜合性能達到最優。當玻璃微珠的含量為5%、陶瓷微珠的含量為2%、反光粉的含量為3%時,涂膜隔熱溫差可達15.3 ℃,太陽反射比為0.86,半球發射率為0.88,隔熱效果明顯,涂膜致密,表面光滑。

(3) 涂膜厚度對隔熱效果影響較大。反射隔熱涂膜隨著涂膜厚度的增加,隔熱效果變好。為了節約材料,降低成本,實際使用過程中選擇合適的涂膜厚度可以達到較好的隔熱效果。

蔡鵬,應向東,萬成龍,宋連根,姚齊

(江西省建筑材料工業科學研究設計院,江西南昌330001)


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