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彩色太陽熱反射隔熱外墻涂料的研制,通過對乳液、顏料、功能填料及助劑等的選擇和研究
2020年02月05日    閱讀量:1527    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 引言

節約資源、節能減排、生態環保、低碳循環經濟是我國經濟發展的基本模式。開發太陽熱反射隔熱涂料,降低建筑物、設備表面溫度是一種被動利用太陽能的方法,對節約能源、保護環境、創造人與自然的和諧關系具有重要意義[1]。


在已經應用的降溫涂料中顏色單一,95%以上為白色[2],很難滿足現代建筑外墻對不同色彩的需求中國建材網cnprofit.com。本研究優選出反射率較高的顏料,通過復合配色方法,制備了多種色彩隔熱降溫涂料,涂膜具有較高的太陽反射率和熱輻射率,從而降低了外墻的表面溫度和室內溫度,具有顯著節約空調耗電功效。


1 太陽熱反射隔熱涂料的原理

太陽的能量產生于熱核反應,大約以1.77×107 J/s的速度將能量輻射到地球表面,太陽輻射是物體的主要熱源。太陽能絕大部分處于可見光和近紅外區。太陽熱輻射熱絕大部分處于0.4 ~ 1.8 μm 的范圍內(見表1)。室溫下或溫度更低的一般物體,也在不斷地以紅外光和波長更長的電磁波向外輻射能量。

太陽輻射能量分布

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物體對于入射能量的響應可分為3 類:反射、吸收和透過。定義反射率為P,吸收率(輻射率)為ε,透過率為T。在一定溫度下,物體的輻射率與吸收率是相同的[3],如式⑴所示。

ε +T +P = 1 ⑴

對于大部分物體包括涂料固化后所形成的涂層可以認為是不透明的,因此T = 0,如式⑵所示。

ε +P = 1 ⑵

從式⑵中可知,只有在一定波段內提高涂層的反射率P,才能降低對能量的吸收率ε,同時在一定波段內把涂層吸收的能量最大限度地輻射出去,增大涂層的輻射率ε,才可以使涂層表面對熱量的積蓄較少,降低涂層溫度。因為大氣對紅外輻射在2.5 ~ 5.0 μm 和8.0 ~ 13.5 μm 有2 個窗口,即大氣對這2 個區域的紅外輻射吸收能力較弱,透過率在80%以上,因此要使物體降溫,就要把吸收的熱量通過這2 個窗口輻射到外層空間去。這就要求所設計的降溫涂料在8.0 ~ 13.5μm 波段和2.5 ~ 5.0 μm 波段內有較好的紅外輻射性能,而在此波段外它又具有較高的光譜反射率,同時還

具有較好的耐候性和較多色彩選擇性。


2 試驗部分

2.1 原材料

自交聯型純丙彈性乳液2848NG、純丙烯酸乳液AC-261,陶氏;金紅石型鈦白粉R-706,杜邦;空心玻璃微珠S38,3M 公司;紅外輻射粉,進口;納米SiO2 漿料,首創;成膜助劑,伊士曼;乙二醇,燕化;酞菁綠、酞菁藍、鐵紅、鐵黃、鐵藍、中鉻黃,國產;鈦鉻黃、鈦鎳黃、鈦綠,薛特;各種助劑,市售。

2.2 調色太陽熱反射隔熱涂料的基礎配方

色漿的基本配方見表2,調色太陽熱反射隔熱涂料的基礎配方見表3。

色漿基本配方

表3 調色太陽熱反射隔熱涂料的基礎配方

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調色太陽熱反射隔熱涂料的基礎配方

2.3 涂料的制備工藝

1)色漿的制備:按配方稱量、依次加料共同高速分散。然后反復研磨至細度合格。

2)隔熱涂料的制備:將去離子水加入分散罐中,中速攪拌下加入分散劑、潤濕劑、消泡劑、防霉劑、多功能助劑、乙二醇、成膜助劑、鈦白粉及遠紅外陶瓷粉,變高速分散30 min,經研磨后制成漿料。

將漿料打入調漆罐內,在中低速(500 r/min 左右)攪拌下加入納米SiO2 漿和空心玻璃微珠,分散20 ~ 30min,加入乳液、消泡劑,按色卡要求加入色漿調色,然后加入增稠劑、流平劑,過濾,裝桶。

2.4 性能檢測

1)常規性能檢測:按照JG/T 1040—2007《建筑外表面用熱反射隔熱涂料》的技術性能要術檢測。

2)光學性能檢測:使用自制反射率測試裝置和紫外光-可見光-近紅外分光光度計測試涂膜的反射率,使用302 遠紅外熱發射率測試儀測試涂膜的發射率。自制反射率測試裝置的示意見圖1。

反射率測試裝置的示意圖

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熱反射率計算公式如下:

P =(T1-T2)/(T2-T3)× 100% ⑶

式中:P 為熱反射率;T1 為標準黑板溫度;T2 為反射樣板的溫度;T3 為測試時的室溫,一般固定為28 ℃。大量測試結果證明,當室溫為28 ℃,濕度為44%的條件下,標準黑板溫度為88 ℃,此時只要獲取反射樣板的溫度,就可計算出不同彩色涂層的熱反射率。半球發射率的測定:按照GJB 2502—1996《衛星熱控涂層試驗方法》中方法310“衛星熱控涂層穩態量熱計法半球發射率測試法”的規定進行測定。

 

3 結果與討論

3.1 乳液的選擇

乳液是構成涂料形成連續性立體網狀薄膜的主要物質,是決定涂膜物化性能的關鍵材料。用于隔熱降溫涂料的乳液,要求對可見光和近紅外光吸收率要低,涂膜的透明度要高,對太陽能的吸收率低,樹脂中應少含C—O—C、C O、—OH 等吸熱基團,丙烯酸乳液適合作熱反射隔熱涂料的基料。


自交聯型純丙烯酸乳液2848NG,具有固含量高(61%)、成膜溫度低(0 ℃)、表面紫外光固化、優異的彈性、耐候耐沾污性、機械穩定性能等特點,并且涂膜有“呼吸”功能和高透明性、低吸光熱性能;


純丙烯酸乳液AC-261 是一種出色耐候性的細粒子乳液,涂膜具有高透明性和高物化綜合性能,2 種乳液復配作基料,可使熱反射隔熱涂料具有高耐水性、高拉伸強度、高斷裂延伸率、高耐候性和高耐沾污性等。在基礎配方中各因素不變的條件下,只改變丙烯酸乳液2848NG 與AC-261 質量配比,制備的隔熱涂料其拉伸強度和斷裂延伸率的變化見圖2。

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自交聯型彈性乳液/純丙乳液配比對涂膜性能的影響

可見,隨著自交聯型彈性乳液2848NG 與純丙乳液AC-261 質量比值的升高,制備的涂料其涂膜拉伸強度降低,而斷裂延伸率提高,當m(2848NG)/m(AC -261)= 2 時,涂膜的拉伸強度為1.3 MPa,斷裂延伸率為160%,完全符合JG/T 1040—2007 標準規定的拉伸強度≥1.0 MPa、斷裂延伸率≥100%的要求。


3.2 顏料的選擇

涂裝熱反射隔熱涂料的主要目的是為了降低物體的表面溫度和內部溫度,因此所選用的顏料應有盡可能大的散射性能,對可見光和近紅外光的反射率越大越好;為了將涂層吸收的太陽能通過大氣窗口(8 ~13.5 μm)發射出去,因此還要配合有較高發射率的顏填料。


1)金紅石型鈦白粉是目前已知的白色顏料中折射率最高(>80%)、折光指數最高(2.8)且粒徑及其分布最理想的白色顏料,在涂料中,其PVC 為24.5%時,反射率為82.6% , 當PVC 為22.0%時,反射率達到84.0%。為了使反射隔熱涂料配成不同色彩,金紅石型二氧化鈦在配方中也不能太多,否則顏色太淺,達不到色卡目標顏色。一般而言,金紅石型鈦白粉用量為15%左右時,適合調配淺色調涂料;用量為10%左右時,適合調配中色調涂料;用量在5%左右時,適合調配重色調涂料。

2)深色顏料的選擇:在配制彩色太陽熱反射隔熱外墻涂料時,需選擇太陽熱反射率高的顏料。各色顏料的反射率[4]見表4,顏色與太陽輻射能反射系數的關系見表5。

各色顏料的反射率

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顏色與太陽輻射能反射系數的關系[

可以看出,白色顏料體系中的金紅石型鈦白粉、綠色體系中的酞菁綠、黃色顏料體系中的鈦鉻黃、藍色顏料體系中的酞菁藍、黑色顏料體系中的棕黑在各自顏料體系中反射率最高,用這些顏料進行復配為調制高反射率彩色隔熱涂料提供了依據。


在基礎配方中各因素不變的條件下,采用不同顏料單獨使用或復配,分別調成軍綠、銀灰、海藍熱反射涂料,檢測涂膜的反射率,結果見表6。

不同顏料復配對涂料反射率的影響

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可知,用不同顏料調配同一色調的熱反射隔熱涂料時,選用反射率較高的顏料進行復配,制備的涂料其涂膜反射率相對較高。



3.3 填料的選擇

在太陽熱反射隔熱涂料的配方中,隨著金紅石鈦白粉用量的減少、深色顏料的增加,涂膜的反射率有不同程度地降低。為了提高涂膜的隔熱降溫效果,必須選用發射率和反射率較高的填料。

3.3.1 空心玻璃微珠對涂膜反射率的影響

功能性填料是影響涂膜反射隔熱性的關鍵材料。具有鏡面效應的物體對光的反射率高,所以在反光涂料中選用玻璃鱗片、玻璃微珠、鋁銀粉、珠光粉為填料。空心玻璃微珠既有鏡面效應,又有保溫隔熱功能,還具有提高涂料的流平性、防沾污性、防腐性、耐候性等特性。幾種空心微珠的太陽光反射率見表7。

幾種空心微珠的太陽光反射率

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粉煤灰漂珠由于球形率低、表面鏡面效應差而導致反射率低,陶瓷空心微珠反射率雖高,但在水性涂料體系中容易出現后增稠現象。本文選取粒徑(300 ~ 500目)均勻、強度高、流動性好的空心玻璃微珠為填料。在基礎配方各因素不變的條件下,改變空心玻璃微珠的用量,對隔熱涂料性能的影響見表8。

空心玻璃微珠用量對涂膜性能的影響

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可知,隨著空心玻璃微珠用量的增加,涂膜的反射率呈近線性增長;抗拉強度和斷裂延伸率均先升后降,當添加6%時,抗拉強度和斷裂延伸率出現最大值,當空心玻璃微珠的添加量超過10%時,涂膜的抗拉強度和斷裂延長率均不能滿足JG/T 1040—2007 的標準要求。因此,空心玻璃微珠的添加量以8%~ 10%為宜。


3.3.2 紅外輻射粉對涂膜發射率的影響

太陽熱反射隔熱涂料隨色相(白色-淺淡色-深色)的變深,其涂膜對光熱反射率逐漸降低、吸熱率增加,為了提高涂膜的隔熱降溫性能,必須選擇一種能將吸收的太陽能以長波形式發射到大氣空間去的材料。以SiO2、Al2O3 為基料,以Fe2O3、Cu0、MnO 等為添加劑,經高溫燒結、粉碎研磨而成的陶瓷粉、納米Fe2O3、納米MnO、SiO2 及納米摻銻二氧化錫(ATO)、摻銦二氧化錫(ITO)等,都是優良的紅外輻射材料,對太陽能的發射率>90%。


這是因為陶瓷材料大部分為多晶體介質材料,金屬氧化物在高溫燒結時形成氧空位而產生自由載流子,晶體材料在太陽光熱輻射作用下產生電子、空穴,材料的發射率與其產生電子、空穴濃度呈正相關。本文選用陶瓷粉作光熱輻射材料。


在基礎配方中其他因素不變的條件下,只改變陶瓷粉的用量,檢測其對涂膜發射率的影響見表9。

陶瓷粉對涂膜發射率的影響

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可知,隨著紅外陶瓷粉用量的增加,涂膜的發射率相應上升,但是當用量超過6%時,反射率開始下降。考慮到陶瓷粉顏色較灰,用量過多時會影響涂料配色,因此,陶瓷粉的用量選取3%~ 5%為宜。


3.4 納米SiO2 的作用機理

納米SiO2 具有三維石結構,比表面積非常大,表面自由能高,表面存在著不飽和殘鍵及不同狀態的羥基,因缺氧而偏離了穩定的硅氧結構,因而具有很大的表面活性。將納米SiO2 分散到涂料中,與乳液和水發生界面反應,形成強大的互作用力,從而改善涂料的流變性和懸浮性;


納米SiO2 細粒子填充于顏填料較粗粒子之間和顏填料與成膜之間的空隙,形成強大的活性吸附中心,在涂膜表面產生鍵合,大大提高了涂膜的致密性、韌性、耐洗刷性和耐沾污性。


SiO2 為無定型結構,具有極強的紫外吸收、紅外反射特性,對波長小于4 μm 的紫外光吸收率達70%以上,對波長大于8 μm 的紅外線反射率達70%以上,不但能顯著降低由于紫外光照射而造成涂膜粉化速度,提高耐候耐久性,而且由于其紅外輻射性能好,能將物體吸收熱有效地發射出去,使物體降溫。納米SiO2 與金紅石鈦白粉、空心玻璃微珠、紅外陶瓷粉配合使用,不但能顯著提高隔熱涂料的常規物化性能,而且也能明顯提高涂膜的光學性能。試驗結果證明,納米SiO2 的添加量以2%~ 3%為好。


3.5 PVC 對涂膜性能的影響

在隔熱涂料配方設計中,顏填料含量(即PVC)對涂膜性能的影響較大,一般確定PVC≤CPVC 時涂膜的綜合性最好。但是當PVC 過低時,形成的涂膜內顏填料粒子分布稀疏、間距較大,不能形成毛細結構,透氣性差,光熱反射率和發射率均較低;


當PVC 大于臨界體積濃度(CPVC)時,涂膜中的基料不足以完全浸潤和包覆所有顏填料粒子,造成部分顏填料疏松裸露,形成的涂膜孔隙率大,物理性能下降。在基礎配方中其他因素不變的條件下,只改變顏填料體積濃度(PVC)制備成不同PVC 濃度的太陽熱反射隔熱涂料,檢測其涂膜性能,結果見表10。

PVC 變化對涂膜性能的影響(銀灰色)

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本文設計的彩色太陽熱反射隔熱外墻涂料配方中,當PVC 濃度在25%左右時,涂膜的綜合性能最好。

3.6 涂料的性能

制備的彩色太陽熱反射隔熱外墻涂料,全面性能檢測見表11。

有色太陽熱反射隔熱外墻涂料的性能(銀灰色)

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4 結語

彩色太陽熱反射隔熱外墻涂料的研制,打破了隔熱涂料以白色或淺色為主的格局。通過對基料的選擇、顏填料光學性能的研究,制備出集熱反射、熱發射、熱阻隔于一身的多種色彩、色調的隔熱涂料。

1)以自交聯型丙烯酸彈性乳液2848NG 和純丙烯酸乳液AC-261 復配為基料,二者配比為m(2848NG)∶m(AC-261)= 2 ∶ 1,當基料含量為45%~ 50%時,涂膜具有優異的物化性能。

2)白色顏料以金紅石鈦白粉為最佳,著色顏料以顆徑小、反射率高的鈦鉻黃、鐵黃、鐵紅、酞菁綠、酞菁藍、棕黑等為最好,用它們進行復配調配成目標顏色其反射率較高。

3)功能填料選用粒徑均勻、強度高的空心玻璃微珠。空心玻璃微珠不但具有熱阻隔功能,而且還有熱反射特性,其含量在配方中占8%~ 10%為宜。紅外熱輻射材料選用陶瓷粉,將其分散在涂料中,能將涂膜吸收的太陽熱通過“大氣窗口”發射到大氣空間去,從而使物體降溫。在銀灰色涂料中,當陶瓷粉含量達到5%左右時涂膜的發射率達88%。

4) 納米SiO2 的加入,不但能提高涂膜的物理性能,也能提高涂膜對紫外線的吸收和對紅外輻射熱的發射率。

5)當PVC 達到25%左右時,制備的彩色太陽熱反射隔熱外墻涂料綜合性能最佳。


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