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金屬用水性隔熱防腐涂料的研制,以防銹專用苯丙乳液為基料,以鈦白粉、熱反射粉、磷酸鋁鋅、空心玻璃微珠為顏填料
2020年02月21日    閱讀量:4481    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 引言

太陽的能量產生于熱核反應,大約以1.77×107 J/s 速度將能量輻射到地球表面,太陽輻射是物體的主要熱源。太陽輻射能量分布如下:紫外光區(0.20~0.40 μm)占5% ;可見光區(0.40~0.72 μm)占45% ;紅外光區(0.72~2.50 μm)占50%。


夏季在太陽的強烈輻射下,金屬的表面溫度可達80℃,不但導致金屬結構建筑、化學儲罐、機車車廂、冷水塔等的內溫升高,而且也導致周圍熱島效應,會使環境溫度升高3~5℃中國建材網cnprofit.com。據分析,噴淋裝置、空調、冷氣機和電風扇等降溫制冷設備,每年所消耗的能量占全年總能耗的20% 以上。


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、創建人與自然的和諧關系具有重要意義。


本文研制的灰白色水性隔熱防腐涂料,集對太陽能阻隔、反射、輻射、降溫節能等功能于一身,同時還具有底面合一、防銹防腐、綠色環保、耐候耐久、裝飾性好等特點,符合防腐蝕涂料向水性化、單涂層、多功能方向發展的要求。

 

1 實驗部分

1.1 原材料

苯丙乳液MAINCOTETM HG-86,陶氏化學;金紅石型鈦白粉R-706,杜邦;熱反射粉803ZW,羽唐;磷酸鋁鋅,石家莊;空心玻璃微珠,3M 公司;納米SiO2 漿料,首創;棕黑色漿,自制;防閃銹劑FA-179,盛沃;乙二醇、醇酯-12,市售;助劑,海川;增稠劑TT935、流平、流變劑RM-2020,陶氏化學,硅烷偶聯劑KH-560,南京曙光。

1.2 基礎配方

灰白色水性隔熱防腐涂料的基礎配方如下:

原材料 質量分數/%

去離子水 80~100

分散劑 5~7

消泡劑 1~2

多功能助劑 1~2

防霉劑 2~3

防凍劑 10~20

成膜助劑 30~35

偶聯劑 1~2

防閃銹劑 5~7

金紅石型鈦白粉 80~100

磷酸鋁鋅 80~120

熱反射粉 80~120

空心玻璃微珠 50~100

苯丙乳液 400~450

納米SiO2 漿 50~70

棕黑色漿 5~10

消泡劑 1~2

增稠劑 2~4

流平、流變劑 3~5

1.3 制備工藝

(1) 將去離子水加入分散罐內,中速攪拌下加入分散劑、消泡劑、多功能助劑、防霉劑、乙二醇、成膜助劑、偶聯劑,分散混合均勻后加入鈦白粉、熱反射粉、磷酸鋁鋅,高速分散40 min,研磨至細度20 μm以下,制成顏料漿。

(2) 將顏料漿加入調漆罐中,中低速攪拌下加入苯丙乳液,再加入空心玻璃微珠、納米SiO2 漿料、防閃銹劑、棕黑色漿、消泡劑,攪拌混合均勻,加增稠劑調整黏度至80~90 KU。

1.4 性能檢測

(1) 涂膜的常規物理、化學性能按有關金屬防腐涂料國家標準進行檢測;

(2) 光學性能和保溫性能按GB/T 25261—2010《建筑用反射隔熱涂料》標準進行檢測。

 

2 結果與討論

2.1 乳液的選擇

樹脂乳液是主要的成膜物質,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的吸收率要低,涂膜的透明度要高,樹脂中應少含C—O—C、C=O、—OH 等吸熱基團;用于金屬防腐蝕涂料的乳液,要求具有良好的附著力、耐水性及防銹性,涂膜致密堅韌,屏蔽水蒸氣、氧、氯離子的性能好。苯丙乳液HG-86 是一款新一代水性金屬防腐用乳液,涂膜不但具有優異的防腐性和附著力,而且具有優異的耐水性、耐候性和耐沾污性,底漆、面漆、底面合一漆均可使用。在基礎配方中其他因素不變的條件下,只改變苯丙乳液HG-86 的用量,分別制成涂料,按標準要求制備樣板,涂膜厚度為250 μm,檢測其物理、化學性能,結果見表1。

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不同用量乳液對涂膜性能的影響

由表1 可見:隨著乳液HG-86 用量的提高,涂料的物化性能相應提高,當乳液用量達到45% 左右時,其綜合性能已能滿足水性防腐涂料的基本要求。

2.2 顏填料的選擇

金屬表面涂裝隔熱防腐涂料的目的,一是為了阻隔、反射、輻射太陽能,降低金屬物體表面和內部的溫度,減少制冷耗能量;二是為了屏蔽水蒸氣、氧、氯離子,增強被涂覆金屬表面的防銹、防腐性能,提高其使用壽命。因此,所選用的顏填料必須具有以下4 個特點:

(1) 顏填料密度低、孔隙尺寸小、閉孔結構,對太陽輻射熱有優異的阻隔作用;

(2) 顏料的折光指數、反射率高,散射性強,尤其是對可見光和近紅外光的反射率要高;

(3) 顏料的熱發射率要高,能將涂層吸收的太陽能通過大氣窗口發射出去;

(4) 顏料的防銹、防腐性能好,且具有環保性。

同時具備上述特點的顏填料極少,可通過選擇不同功能的顏填料混配使用。

涂層的熱輻射率取決于顏填料的折光指數(np)與樹脂折光指數(nr)的比值(np/nr)、涂層厚度、顏填料粒徑、顏填料純度以及顏料體積濃度(PVC)等。當基料確定后,顏填料的折光指數越高,涂料的遮蓋力越強,反射系數越高。涂料遮蓋力的大小取決于顏填料和基料折光指數之差,見式(1)。

反射系數

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式中,F——反射系數;np——顏填料折光指數;

nr——基料折光指數。

幾種常見的顏填料的折光指數見表2。

顏填料的折光指數

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2.2.1 白色顏料的選擇

金紅石型鈦白粉是折射率最高(> 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,當PVC 為24.5% 時,反射率為82.6%,當PVC 為22% 時,反射率達到84.0%。因此,在著色隔熱涂料中,金紅石型鈦白粉是首選的白色顏料。為了將光熱反射涂料調至目標顏色,金紅石型鈦白粉的用量會受到限制,一般而言調淺色涂料其用量為15% 左右,調中色涂料其用量為10% 左右,調深色涂料其用量為5% 左右。


2.2.2 彩色顏料的選擇

在配制彩色隔熱防腐涂料時,需選擇對太陽熱反射率高的著色顏料。各色顏料的反射率見表3。

各色顏料的反射率

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由表3 可見:對太陽光反射率較高的著色顏料是:綠色顏料中的酞菁綠,黃色顏料中的鈦鉻黃,藍色顏料中的酞菁藍,黑色顏料中的棕黑(鐵紅+ 中黃+鐵藍復配),紅色顏料中的鐵紅。由反射率高的單色顏料復配成的復色顏料,其反射率也高。


2.2.3 紅外輻射填料的選擇

太陽熱反射隔熱涂料隨色相逐漸加深,其涂膜對光熱的反射率逐漸降低、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紅外輻射填料。以SiO2、Al2O3 為基料,以Fe2O3、CuO、MnO 等為添加劑,經高溫燒結、粉碎磨細的陶瓷粉、納米Fe2O3、納米MnO、SiO2 及納米ATO、ITO 等,都是優良的紅外輻射填料,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,填料的發射率與其產生的電子、空穴的濃度呈正相關。


熱反射粉803ZW 是以反射紅外波原理加工成的高折射率白色填料,由近紅外線反射填料、白色填料、超細無機熱紅外線反射填料組成,它既有對太陽光的高反射功能,也有對吸收熱的發射功能,同時還有弱導電性,對降低涂層的電荷積累有一定幫助。熱反射粉在涂料中的添加量對涂膜光學性能的影響見表4。

表4 熱反射粉用量對涂料光學性能的影響

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表4 熱反射粉用量對涂料光學性能的影響

2.2.4 空心玻璃微珠的選擇

空心玻璃微珠是一種銀白色光澤的球體,中空,有堅硬的外殼,殼內為N2 或CO2 惰性氣體,壁厚為直徑的8%~10%,導熱系數0.07 W/(m·K)左右,光散射率80%~88%,具有導熱系數小、折光指數高、隔熱性好、環保無毒、耐高溫、耐腐蝕、耐候、耐沾污、流平性好等特點,選用超細空心玻璃微珠作填料,制備的隔熱涂料其涂膜具有獨特的微孔結構,對太陽輻射熱具有優異的阻隔絕熱性能和反射性能。當其添加量達到5%~8% 時,所得涂料的綜合性能較好。


2.2.5 防銹顏料的選擇

為了提高金屬用涂料的防銹、防腐性能,必須添加適量防銹顏料,如氧化鐵紅、磷酸鋅、磷酸鋁、鐵鈦粉等。磷酸鋁鋅是磷酸鋅改性后的第2 代防銹顏料,兼有磷酸鋅和磷酸鋁雙重特性,其在電化學防腐性能、與漆膜的相容性、漆膜的屏蔽作用、漆膜與基料的附著力等方面都有改進。磷酸鋁鋅遇水容易離解和水解,產生第2 代磷酸鹽離子,磷酸根與鐵銹離子反應,生成難溶且緊密的磷酸附著層,引起陽極極化;


而鋅、鋁離子與陰極區的OH- 反應,生成難溶物而引起陰極極化,具有緩蝕、鈍化作用。另外,磷酸鋁鋅也有良好的光學性能,對太陽光熱有較高的反射率和遠紅外發射率,其用量達到8%~12% 時,涂膜的光學性能和防腐性能均較好。


2.3 PVC 對涂膜性能的影響

在水性隔熱防腐涂料配方設計中,顏填料體積濃度(即PVC)對涂膜的理化性能和隔熱性能影響較大,一般PVC ≤ CPVC(臨界顏料體積濃度)時涂膜的綜合性能較好。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,光熱反射率和發射率較低,涂料物化性能較差;當PVC 大于CPVC 時,涂膜中的基料不足以完全浸潤和包覆所有的顏填料粒子,形成的涂膜孔隙率大、粗糙,物化性能下降。不同PVC 對隔熱防腐涂料性能的影響見表5。

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PVC 對涂膜性能的影響(灰白色)

由表5 可見:在水性隔熱防腐涂料中,當PVC較小時,涂膜的物化性能較好,但光學性能較差,反射率和發射率均較低;當PVC 較大時,涂膜的物化性能較差,反射率和發射率較高。當PVC 為25% 左右時,涂膜的物化性能和光學性能均較優。


2.4 納米SiO2 對涂料性能的影響

納米SiO2 表面積大、表面能高,表面存在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。納米SiO2 分散在涂料中,與水和乳液發生界面反應,形成強大的相互作用力,從而改善涂料的流變性和懸浮性;


納米細粒子填充于顏填料較粗粒子之間和顏填料與成膜物之間的空隙中,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、柔韌性、附著力、耐水性及耐化學品性。納米SiO2 為無定型結構,具有極強的紫外光吸收、紅外光反射性能,對波長小于4 μm 的紫外光吸收率達70% 以上,不但能顯著降低由于紫外光照射而造成涂膜老化的速度,提高耐候耐久性,而且由于其紅外輻射性能好,能將物體吸收的熱能有效地發射出去,使物體降溫。納米SiO2 粒子表面具有親水性,在成膜過程中能與含有親水性官能團的乳液反應,交聯成網狀親水涂膜,對提高涂膜的耐沾污性有顯著貢獻。試驗結果表明,納米SiO2 的用量為2% 時,涂膜的物化性能及光學性能最好。


2.5 產品性能

按標準制備灰白色水性隔熱防腐涂料樣板,干膜厚度250 μm,依照相應標準進行檢測,結果見表6。

灰白色水性隔熱防腐涂料的性能指標

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灰白色水性隔熱防腐涂料的性能指標

3 結語

(1) 研制的灰白色水性隔熱防腐涂料具有底面合一特性,涂層集阻隔型、反射型、輻射型保溫隔熱功能于一體,集隔熱降溫、防腐防銹于一身,具有優良的物化性能和光學性能。

(2) 基料選用防銹乳液HG-86,當其用量為45% 時,涂料的綜合性能較好。

(3) 顏填料選用光反射率高的鈦白粉和著色顏料,紅外輻射填料選用熱反射粉、填料選用空心玻璃微珠、防銹顏料選用磷酸鋁鋅,當PVC 達25% 時,涂膜綜合性能較好。

(4) 納米SiO2 的加入,不但能提高涂膜的理化性能,還能提高涂膜的紫外線吸收率和對紅外輻射熱的發射率。


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