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太陽熱反射涂料的研制,根據涂料反射太陽熱的原理, 以丙烯酸樹脂為基料
2020年02月21日    閱讀量:8940    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

太陽能是人類生存和生活的必備條件,但強烈的輻射也給人類的生活帶來一些不便。比如夏季陽光照射在金屬板上,其表面溫度可達70~80℃,如此勢必會帶來諸多不便并造成物資損失。


20 世紀90 年代,美國國家航天局的科技人員開發了一種價格昂貴的太空絕熱瓷層,國內也有學者借鑒前者技術思路開發了太陽熱反射涂料,但價格仍然偏高,應用不廣泛,所以在保持涂料隔熱性能的基礎上降低其成本是隔熱材料的研究方向之一中國建材網cnprofit.com


此外,戶外用涂料的使用環境相對惡劣,因此對涂料的綜合物化性能也有更高的要求。研究高耐候性的太陽熱反射涂料,有效提高涂層的隔熱性能和基材的使用壽命,降低被覆空間溫度,可以減少物資不必要的損耗,節約大量制冷用能量,具有重要的經濟意義與社會效益。

 

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗所用的材料分為基料、顏填料、功能性材料、助劑等4 部分。

1) 基料:965 丙烯酸樹脂,N 75 固化劑。

2) 填料:玻璃微珠,二氧化鈦,云母粉、氧化鋅、立德粉、硫酸鋇。

3) 助劑:分散潤濕劑、消泡劑、流平劑等。

1.2 涂料的制備工藝

先用溶劑充分潤濕顏料后,加入相應量樹脂研磨適當時間,讓顏料與樹脂充分混合均勻,然后在低速攪拌下加入預先用硅烷偶聯劑處理過的空心玻璃微珠(防止破壞微珠的空心結構),再加入適量的消泡劑、流平劑等助劑。

1.3 試驗裝置與測試方法

目前我國還沒有制定測定隔熱涂料對太陽光的反射能力的標準,一般都是參考美國軍標中規定的方法進行測試。筆者也在此基礎上制作了簡易的太陽熱反射測試裝置( 如圖1 所示)。試驗用試板為市售鋼板,經剪切、刨、磨制成試樣,規格為150 m m ×70m m ×1.5 m m 。

太陽熱反射測試裝置

太陽熱反射涂料的研制,根據涂料反射太陽熱的原理, 以丙烯酸樹脂為基料 中國建材網,cnprofit.com

試驗的步驟如下。

1) 將刷涂了黑磁漆的試板放在聚苯乙烯泡沫板上,刷漆面朝上,置于碘鎢燈的正下方;

2) 調節調壓器和燈與試板間距,使黑漆試板在30m in 內達到平衡溫度( 87.8±0.3℃);隨即用待測的涂料試板撤換黑漆板,并記錄反射漆板平衡時的溫度。再對比在相同室溫下其他涂料試板的測量溫度值來考察涂料的隔熱性能。

 

2 結果與討論

2.1 成膜基料的選擇

顏料對可見光和近紅外輻射的散射能力取決于顏料和樹脂的折光系數的差異。有機樹脂的折光系數一般都在1.45~1.5 之間,相差不大,因此作為成膜物質的樹脂的種類對太陽光的反射效果影響不大,可選擇透明度高,對可見光和近紅外吸收小的合成樹脂 為基料。同時考慮到戶外用涂料需要有較好的耐候性,經試驗確定采用羥基丙烯酸樹脂和固化劑,利用其可在室溫下自交聯的特性形成涂膜。

2.2 顏填料對隔熱性能的影響

2.2.1 顏填料的折光系數對隔熱性能的影響

隔熱涂料要求顏填料粒子對可見光和近紅外光的吸收越小越好,同時對其散射率越大越好,那么就應該選用折光系數盡量高的白色顏料。按相同的基礎配方配比不同的白色顏料,進行了隔熱性能對比,結果見表1。

不同白色顏料對涂膜相對平衡溫度的影響

太陽熱反射涂料的研制,根據涂料反射太陽熱的原理, 以丙烯酸樹脂為基料 中國建材網,cnprofit.com

由表1 可見,白色顏料的折射率越高,涂膜的反射率也越高,在相同的室溫和光照下,試板的背面平衡溫度越低。金紅石型鈦白粉折射率高,對可見光有強烈的反射,所以隔熱效果最好。


2.2.2 顏填料粒徑對隔熱性能的影響

顏料選定后,顏料的粒徑對涂層的熱反射性起關鍵作用。顏料的最佳粒徑d 和輻射波長λ 的關系如下:

太陽熱反射涂料的研制,根據涂料反射太陽熱的原理, 以丙烯酸樹脂為基料 中國建材網,cnprofit.com

式中:nP 為顏料的折光系數;nR 為樹脂的折光系數;

m為散射比;k 是由m和nR 決定的常量。

根據上述公式,可以通過計算得知粒徑為0.2μm 的二氧化鈦能有效地反射最大波長為0.4μm 的太陽光輻射。如果要有效反射最大波長為2.5μm 附近的太陽光輻射,就需要粒徑約為1.1μm 的二氧化鈦。


2.2.3 鈦白粉與體質顏料配比的確定

由于鈦白粉市售價格較高,而云母粉價格相對較低,且云母粉系層狀硅酸鹽單斜晶系晶體,物化性能穩定,能反射光和熱,以其作體質顏料,取代部分鈦白粉用于涂料中,制成鈦白粉占顏料總量分別為100% 、67% 、50% 、33% 的涂料的隔熱性能見表2。

鈦白粉含量對涂膜相對平衡溫度的影響


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由表2 可見,涂料的熱反射性能隨著折光率較低的云母粉的摻加比例增加而有下降趨勢。由于片狀的云母在涂膜中呈現平整交錯的層狀排列,且云母本身有較大的厚徑比,可形成熱傳遞的“ 迷宮效應”,加上鈦白粉對光的反射,所以采用摻加67% 云母量的配比制得的涂料的反射效果仍優于其它白色顏料制成的涂料。以這樣的配比制得的涂料,在沒有明顯降低涂膜熱反射性能的前提下,顯著地降低了涂料的成本。


2.2.4 填料的選擇

功能填料的選用也是直接影響外用隔熱涂料隔熱性能的重要因素。為使涂料具有優異的隔熱保溫性能,必須選擇質輕、導熱系數低、球型率 高、物化性能穩定的空心材料。常規意義上的空心玻璃微珠無疑是最佳選擇。涂料干燥以后,空心玻璃微珠在其中緊密排列,可以有效降低輻射傳熱和對流傳熱,從而達到降低物體表面的熱平衡溫度。球型填料具有比表面小、吸油量低的特點,可降低基料的用量,改善涂料的流平性和平滑性。


2.3 涂層厚度對隔熱性能的影響

為使涂料達到理想的隔熱保溫效果,涂膜一般要達到一定的厚度,文中研究的涂層厚度檢測見表3。

涂層厚度對涂膜相對平衡溫度的影響

太陽熱反射涂料的研制,根據涂料反射太陽熱的原理, 以丙烯酸樹脂為基料 中國建材網,cnprofit.com

根據以上對多個涂料樣品的檢測發現,當涂層達到一定厚度后,反射性能就不再變化,這是因為物體對光的反射僅在表面很薄的一層進行。


2.4 顏基比P 值與涂料綜合性能的關系

在涂料配方設計中,最重要的因素之一就是選擇基料與顏料間的比例關系。在低PV C 涂料中,顏料粒子分散在基料聚合物的連續相里。隨著顏、填料的增加,PV C 超過一定極限時,基料聚合物就不能將顏料和填料粒子之間的空隙完全充滿, 基料被空氣所取代,因而涂膜的物性以該極限值為界限,表現出不同的性質,此時的PV C 稱為CPV C。高性能或外用涂料配方的PV C 一般不應超過CPV C, 否則涂膜許多物性將受到不利影響。PV C 和涂膜性能的關系如圖2 所示[5]。

P 值與涂料綜合性能

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實驗證明,當PV C 值在47% 時,漆膜呈現菲涅耳反射,大大提高了涂膜對太陽光的反射比。


2.5 涂料的隔熱性能

將試驗研制的外用隔熱涂料與鋁粉漆、市售的優質外墻隔熱涂料、純樹脂涂料的試件進行了隔熱性能的對比試驗,結果見表4。

涂層種類對涂膜相對平衡溫度的影響

太陽熱反射涂料的研制,根據涂料反射太陽熱的原理, 以丙烯酸樹脂為基料 中國建材網,cnprofit.com

為模擬在太陽光照射下的隔熱效果,制作了2個空腔尺寸為長×寬×高=250 m m ×250 m m ×300 m m 的密閉箱,箱子的5 個面由中間有60 m m厚的聚苯乙烯夾層的木板構成,上蓋用2 層聚苯乙烯,中間夾200 m m ×250 m m 的試板。將涂刷了適當厚度涂料的試板與刷涂普通涂料的試板進行對比,測試在太陽照射下試板內表面及箱內空氣的溫度,結果見圖3。

隔熱效果對比

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由圖3 可見,涂有隔熱涂料試板的內表面溫度比普通涂層試板的內表面溫度低了27℃,箱內空氣溫度降低了8℃,表明試驗研制的涂料隔熱效果明顯。

2.6 研制涂料的耐腐蝕性能檢測

1) 機械性能測試。用劃格法檢測涂層的附著力,結果為一級。并用細紗布蘸水用力摩擦涂層,看其變化,未見明顯擦痕;

2) 耐水性測試。把樣板放在( 35±1)℃水中浸泡48h 加速檢測,觀察涂層的變化,發現涂層表面完整,無起泡、生銹現象;

3) 耐鹽性測試。配制N aCl溶液(N aCl:3.5% ),把樣板浸入其中48(h 35±1℃),觀察涂層的變化,發現涂層表面完整,無起泡、生銹現象;

4) 耐堿性測試。配制N aO H 溶液(N aO H :0.5% ),把樣板浸入其中48(h 35±1℃),觀察涂層的變化,發現涂層表面完整,無起泡、生銹現象。

 

3 結論

用云母替代部分折射率高的鈦白粉顏料所制備的涂料,具有優良的隔熱性能,且產品成本較低。另外,涂料干燥后,中空微珠緊密排列,形成空心隔離層,使涂層具有優異的消音效果,使被覆空間安靜舒適。


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