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包覆空心玻璃微珠復合型隔熱外墻涂料的研制,以BS43N乳液及有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液為基料
2020年02月05日    閱讀量:2041    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 前 言

建筑節能問題日益受到重視,建筑物只有使用高效保溫隔熱材料的維護結構,才能具有良好的絕熱性能,而作為其飾面,建筑保溫隔熱涂料是首選。研制具有干密度低、導熱系數較小,且配料簡單、性能優異、易施工的隔熱保溫涂料,是非常必要的[1]。


空心微珠系由粉煤灰提取出來的鋁硅酸類無機粉體材料,在空心微珠表面附上一層TiO2薄膜,因TiO2增強其反射太陽輻射與阻止熱傳導的能力,以形成集節能、隔熱保溫功能于一身的材料[2]中國建材網cnprofit.com


以有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液為基料,以鈦白粉為顏料,以紅外粉、包覆空心玻璃微珠等為填料,在助劑的配合下,制備的隔熱外墻涂料涂膜與其他建筑保溫隔熱涂料相比具有耐沾污性好、透氣性高特性,且生產使用過程中無“三廢”排放。解決了涂膜沾污、起泡脫落問題,具有很好的實際推廣應用價值。

 

1 試驗部分

1.1 原材料及主要設備

空心玻璃微珠(河南永煤集團熱電廠)、十二烷基苯磺酸鈉(化學純)、膨潤土、高嶺土、云母、菫青石、涂料助劑、鈦白粉R-706、滑石粉、重質碳酸鈣、硅灰粉、分散劑731A、消泡劑NXZ、成膜助劑(伊士曼)、增稠劑TT935、自制有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液等。


Y-500X射線衍射儀:香港興萬電子儀器(廈門)有限公司;日立S3400-N型掃描電子顯微鏡:日本日立公司;NDJ-79旋轉黏度儀:泉州萬達實驗儀器設備;FA2004N電子分析天平:上海精密科學儀器有限公司;


HJ-5型多功能攪拌器:上海標本模型廠;四口燒瓶:上海化科實驗器材有限公司;PHSJ-5 pH計:蘇州江東精密儀器有限公司;SX2-2.5-12箱式電阻爐:上海軋艮儀器設備有限公司;SDF400實驗分散砂磨機:佛山市順德區倫教阜康化工機械;自制熱反射率測定裝置等。


1.2 試驗過程

1.2.1 TiO2包覆玻璃微珠的制備

以河南永煤集團熱電廠采用干法機械從粉煤灰中分選出的空心玻璃微珠作為原料,空心微珠經FW-2型超細分級機分級后粒徑為9~12 μm,微珠的化學成分如表1所示。工業級硫酸氧鈦溶液由濟南裕興化工總廠提供,其他化學制劑均為分析純。


將8 g微珠加到45 g蒸餾水中,滴加1%表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉,用磁力恒溫攪拌器使溶液混合均勻并控制溫度55 ℃,緩慢滴加Ti(SO4)2溶液,用NH3·H2O為沉淀劑,始終維持體系的pH值為7,反應持續6 h。烘干后在600 ℃煅燒,得到TiO2包覆玻璃微珠材料。

包覆空心玻璃微珠復合型隔熱外墻涂料的研制,以BS43N乳液及有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液為基料 中國建材網,cnprofit.com

空心微珠的化學成分


1.2.2 隔熱涂料的制備

1.2.2.1 有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液制作

采用原材料為BS43N乳液(德國產,一種水分散型硅樹脂乳液,活性物質質量分數達到42%)、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸、甲基硅油、復合乳化劑。硅油乳化的最佳HLB為7.6。采用預乳化工藝,首先將丙烯酸單體與乳化劑進行預乳化分散,然后滴加到含有引發劑的水溶液中[3-4]。合成乳液外觀為乳白色,單體轉化率為84.29%,凝膠量為1.171 g,固含量為39.27%,pH值穩定性為2~14,通過了稀釋穩定性。

1.2.2.2 外墻涂料制作

隔熱涂料的基本配方如表2所示。其他配方均為在基本配方的基礎上改變乳液或添加填料來配制涂料。通過測定各組配方的反射率來反映其隔熱效果。

隔熱涂料的基本配方

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保證固相體積一定,按表2配方將水、分散劑等在容器中攪拌混合均勻;在慢速攪拌下,依次加入二氧化鈦、云母等粉料,高速30~40 min攪拌后,按配方在慢速攪拌下將含有成膜助劑乳液、消泡劑等加入到已分散好的顏料分散液中;攪拌均勻后,低速,緩慢添加已包覆的隔熱填料,攪拌20~30 min該混合體系至分散均勻,加增稠劑、流平劑,混合均勻后過濾、包裝[5-7]。

1.3 性能測試

(1)常規性能指標:按照JG/T172-2005《彈性建筑涂料》的技術要求檢測。

(2)吸水量指標:按照JG149-2003《膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統》標準規定的方法檢測。

(3)透氣性指標:參照GB/T17146-1997《建筑材料水蒸氣透過性能檢測試驗方法》進行。

(4)太陽光反射率:由中國科學計量研究院測試。

1.3.1 涂膜常規性能測試

參照GB/T9755-2001《合成樹脂乳液外墻涂料》中優等品技術要求進行。

1.3.2 涂層的隔熱性能測試

(1)表面溫差試驗:采用模擬方法將EPS板薄抹灰外保溫系統施工于墻體向陽面,規格3 m×3 m,滿批外墻柔性白水泥膩子2遍,其中1/2面積涂刷本涂料,另1/2空白,在晴天午后2時、氣溫35 ℃條件下,測得涂料樣板和空白表面溫度,二者之差即模擬表面溫度差。

(2)內部溫差試驗:采用80 cm×50 cm×60 cm的EPS泡沫箱2個,每個箱子上蓋表面光滑的大理石板,其他5個面為50 mm厚的泡沫板構成。在箱內部距石板10 cm處裝置玻璃溫度計,其中一箱的大理石板不涂涂料,另一箱在大理石板上涂刷50 μm的隔熱涂料,將兩箱同時置于太陽直射處,于晴天午后2時、氣溫35 ℃條件下分別測得兩箱內部溫度,得兩箱內部溫差[11]。

1.3.3 隔熱性能測試結果

選取m(BS43N)∶m(有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液)=(4∶6)~(5∶5)的混配比例,以m(顏料TiO2)∶m(紅外粉)∶m(包覆空心微珠)的最佳配合量5∶8∶3 按表2基本配方研制涂料。獲得的隔熱外墻涂料經中國計量科學院和自制裝置檢測,結果見表3。

隔熱外墻涂料的技術性能指標

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2 結果與討論

2.1 TiO2包覆玻璃微珠結果

按照實驗1.2.1步驟,制得TiO2包覆玻璃微珠,經計算包覆率為93%。圖1(b)顯示TiO2衍射峰明顯,表明包覆材料含有大量TiO2。圖2(b)可見空心微珠表面包覆效果良好,表面變得粗糙。鈦離子水解是吸熱反應,溫度過低不利于水解成核,溫度過高不能均勻包覆[8-10]。

空心玻璃微珠包覆前后的XRD圖譜

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空心玻璃微珠包覆前后的SEM圖


2.2 基料的配合比對涂料的影響

選用透氣性(呼吸功能)好的BS43N和有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液作基料,取PVC為50%左右,采用PVC≥CPVC的配方并在有機硅憎水劑配合下制備的涂料,在配方中其他因素不變的前提下,只改變BS43N與有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液的配合比例,分別制備成涂料,按照試驗采取的吸水量(g/m2·d)和水蒸氣濕流密度(g/m2·h)檢測方法,考察其防水性和透氣性,結果見表4。


由表4可知,隨著BS43N在基料中比例的提高,試樣1 d的吸水量相應降低,即防水性提高;水蒸氣濕流密度值相應上升,即透氣性提高。當BS43N在基料中占50%時,制備的涂料吸水量比對照降低了25%,水蒸氣濕流密度提高了4.1倍,已滿足JG149-2003標準要求,吸水量為300 g/(m2·d)、水蒸氣濕流密度為107 g/(m2·h),取得了防水性和透氣性較好的平衡[12]。在配方中保持其他因素不變的前提下,只改變BS43N和有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液的配比,檢測涂膜的耐沾污性,結果見表5。

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BS43N與有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液配比對涂料防水透氣性的影響

由表5可知,隨著BS43N在基料中比例的提高,涂膜的耐沾污性變好,而斷裂伸長率相應降低。乳液用量對涂料性能影響最大,其他如消泡劑、滑石粉和云母粉用量影響較小。這是因為增加乳液的用量會使涂層中作為連續相乳膠粒子增多,乳膠粒子進入作為分散相的顏填料之間的空隙的幾率增大,粘結力增強。


為保持涂膜既具有一定的彈縮性,以便適應基層的溫變應力,又要保持涂膜較高的耐沾污性,同時還要保持良好的防水透氣性,對綜合性能的比較優化,選取m(BS43N)∶m(有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液)=(4∶6)~(5∶5)的混配比例較合適。


2.3 PVC對涂料性能的影響

當m(BS43N)∶m(有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液)確定后,在其他因素不變的前提下,不同PVC對涂料的防水性、透氣性、彈性、耐沾污性的影響見表6。

PVC對涂料性能的影響

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在試驗范圍內,隨著PVC的增加,涂膜的耐洗刷性、斷裂伸長率、耐沾污性呈不同程度的下降,而光熱反射率則相應提高,通過兩者兼顧、平衡利弊,取PVC為50%左右為好。


2.4 顏填料對涂料隔熱性的影響

空心玻璃微珠由于能夠反射80%~ 90%的太陽光輻射熱能,可改善涂料的隔熱性能,但包覆空心玻璃微珠僅占涂料總量的3.5%,扣除水等可揮發物,在涂層干膜中也僅占7%~8%,改善程度有限。但以Ti(SO4)2為主要原料,通過化學沉積方式將TiO2包覆在中空玻璃微珠的表面,成為近紅外反射隔熱填料。


包覆后的空心玻璃微珠制成涂料的可見光和近紅外反射率分別為0.86和0.81。涂料中加入適量包覆空心玻璃微珠后,太陽光射到涂膜表面時,空心玻璃微珠可以對光線產生多次反射,從而提高了涂膜的反射率。廉價的天然礦粉中,云母粉、滑石粉、硅藻土等可作為紅外輻射粉的代用品,它們在整個可見光區的近紅外光區是透明和不產生反射的,且不干擾其他顏料的性能,但它們對8~13 μm波段的吸收率較大,與金紅石型TiO2和包覆空心微珠混合使用,可以形成較理想的輻射致冷涂層。


選用能將吸收的太陽能以長波形式輻射到大氣空間去的紅外粉作填料,可以提高涂膜的輻射能力,制備的涂料其涂膜對8~13μm波段的吸熱率很高,而對其他波段的反射比很高,具有優異的散熱降溫效果[13]。滑石粉和云母粉作為顏料由于自身密度和體積都較大,易于沉降和分層而影響涂料層的性能。


為達到涂膜的隔熱降溫性,本試驗以顏料TiO2(A)、紅外粉(B)、包覆空心微珠(C)的最佳配合量,采用L9(43)正交試驗,通過極差分析,按極差大小和因素的重要性排列順序為:A>B>C,綜合涂料性能和經濟成本分析,最終選定了功能顏填料的配合比為:mA∶mB∶mC=5∶8∶3。

 

3 結 語

(1)制得TiO2包覆玻璃微珠包覆率為93%,空心微珠表面包覆效果良好,成為近紅外反射隔熱填料,提高了涂膜的反射率。

(2)乳液的性能是影響拉伸強度和斷裂延伸率的關鍵,是外墻涂料耐候性的基礎。為取得彈性、強度、耐沾污性以及保溫隔熱性能的平衡,選取m(BS43N)∶m(有機硅氧烷改性丙烯酸酯共聚物乳液)=(4∶6)~(5∶5)的混配比例。

(3)為使涂膜性能滿足不同的使用要求,涂料制備中應該選擇合適的基料、顏填料和助劑的配比。


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