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水性熱反射隔熱防水涂料的研制,選用自交聯彈性丙烯酸乳液為成膜物質
2020年02月21日    閱讀量:527    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

1 引言
目前,我國在建筑工程上使用的防水涂料中,傳統的瀝青防水涂料因性能低劣而淡出市場,PU防水涂料、橡膠改性瀝青防水涂料、水性丙烯酸防水涂料得到廣泛應用


然而,前2種防水涂料均不易單獨用于戶外防水,因為,以TDI、MDI和聚醚組成的PU防水涂料,其涂膜的耐候性差,在紫外線照射下極易氧化而變黃、粉化,且涂料中游離單體的毒性大,會對人身造成侵害,對環境形成污染;在橡膠改性瀝青防水涂料中,溶劑型防水涂料因對環境造成污染而逐漸被淘汰,水乳型防水涂料在力學性能、防水性能、耐候耐久性能方面均欠佳,不能用于高等級建筑防水工程;


且上述2種涂膜顏色黑暗,對太陽輻射熱的吸熱量大,涂層溫度高,熱能通過傳導、對流、輻射引發周圍環境產生熱島效應和建筑物內部的升溫現象。水性丙烯酸防水涂料(單組分或雙組分)的涂膜具有彈性好、延伸率高、對基層變形適應力強、對氣溫變化適應范圍廣、耐老化、無毒環保、顏色淺等特點,可廣泛適用于屋面、外墻防水裝飾工程中國建材網cnprofit.com

據報道,美國的熱島集團曾對全國1 1座大城市的建筑物采用淺色屋頂涂料的節能潛力進行測算,估計每年可為美國節能7.5億美元。據佛羅里達太陽能中心研究,發現采用淺色屋頂涂料要比深色的節能40%。


上海同濟大學材料學與工程學院曾對熱反射涂料進行模擬房屋現場測試,使用的是反射率為40% ~60%的熱反射涂料,結果表明:其夏季節電率可達16.8% ,而冬季節電率可達15.0%。筆者研制的耐沾污彈性太陽熱反射隔熱乳膠漆 的光熱反射率達87% ,涂刷該涂料的建筑物與涂普通涂料者對照,外表溫度降低15~20℃ ,室內溫度降低5℃。“


創建以節約資源、節能降耗、生態環保為中心的經濟發展模式,走可持續發展之路”是我國的基本國策。我國的建筑能耗約占全國能耗的35% ,建筑節能已列人“十一五”期間國家十大節能工程之一。


目前我國對新建筑采取了強制性隔熱保溫措施,在面對各種保溫隔熱材料的選擇中,通過實踐考驗、案例分析、權衡利弊,運用隔熱保溫涂料對建筑物的屋頂、外墻進行涂裝是目前各國重點推廣的節能方法之一,也是我國夏熱冬暖、夏熱冬冷地區的明智選擇。


目前,我國用于建筑屋頂、外墻的防水涂料的功能單一、綜合性能較低,不能滿足建筑節能的要求。本研究是在JS防水涂料的基礎上,通過添加各種功能材料,制備成一種具有防水性能好、隔熱效果優、耐沾污、耐老化的多功能外墻、屋面用涂料。

2 試驗部分
2.1 原材料
原材料:自交聯型苯丙彈性防水乳液,國產;分散劑,羅門哈斯;高效消泡劑,海川;偶聯劑,南京曙光;納米耐沾污劑,北京首創;空心玻璃微珠,進口;白水泥、滑石粉、重鈣粉、市售;硅灰,貴州海天。
2.2 基本配方
水性熱反射隔熱防水涂料的基本配方見表1
水性熱反射隔熱防水涂料的研制,選用自交聯彈性丙烯酸乳液為成膜物質 中國建材網,cnprofit.com
2.3 制備工藝
(1)液料:在中速攪拌下的防水乳液中依次緩慢加入分散劑、消泡劑、偶聯劑、耐沾污劑,攪拌混合20min,裝桶。
(2)粉料:將粉料依次加入混合機內,基本混合均勻后再加入空心玻璃微珠,混合均勻后裝袋。
2.4 性能測試
2.4.1 涂膜的常規性能測試
參照JS防水涂料標準JC/T 894-2001進行檢測。
2.4.2 涂膜隔熱性能測試
(1)試板的制備:將液料和粉料按1:1攪拌均勻制得的涂料涂刷在15c m x 15cm x 6 mm的不銹鋼板上,涂層厚度為0.5 mm(試板1號),干燥后待用;在同樣規格的不銹鋼板上涂刷普通Js防水涂料,涂層厚0.5 mm(試板2號),干燥后待用。
(2)自制反射隔熱效果測定裝置口 結構見圖1。
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(3)測試方法:將Ps泡沫密封箱(30 cm×50 cm x20 cm,壁厚2 cm)的上部鏤空,將試板涂膜朝上放在鏤空處,在涂層上和涂層背面鋼板上各安裝數顯測溫表,在Ps密封箱內距鋼板10 cm處安裝玻璃溫度計,將250 W紅外燈置于試板上方20 cm處,在室溫25℃條件下照射30 min,涂層表面達到穩定熱平衡狀態,此時測定涂膜表面溫度、鋼板背面溫度和箱體內部環境溫度。將涂刷Js防水涂料的試板2號替換試板1號,用同樣的測試方法測定2號試板涂膜表面溫度、鋼板背面溫度、箱內溫度。
(4)反射率計算
在室溫為25℃ 條件下,測得1號試板反射隔熱涂層溫度為59.1℃ ,根據反射率公式:
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其中: 為黑板溫度,一般固定T1=88℃ ; 為反射試板溫度,測得T2 =59.1℃ ;T3為室溫, 已知T3=25℃ ,根據公式可以算出反射率P=85% 。
2.5 產品性能指標
水性熱反射隔熱防水涂料的性能指標見表2
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3 結果與討論
3.1 聚合物乳液的選擇
聚合物的種類、性能及用量對防水涂膜的性能起決定作用。水性熱反射隔熱防水涂料是一種多功能型聚合物水泥防水涂料,它是在JS防水涂料的基礎上添加了納米材料和隔熱材料,使涂膜不但具有優異的防水性能,而且又有隔熱降溫、節能降耗、耐候抗沾污等功能。


因此,對聚合物乳液的選用更為嚴格。彈性好、透明度高、抗紫外線、耐老化的丙烯酸乳液當為首選。選用不同廠家的2種丙烯酸彈性乳液,分別與粉料按l:l混合后制膜,其涂膜性能對比見表3。
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由表3可知,在基本配方中其它因素不變的前提下,自交聯彈性苯丙乳液比普通彈性苯丙乳液制得的涂膜各項性能均有顯著提高。


因為丙烯酸共聚物結構中存在一C00R,通過交聯改性后可使原來的線性結構在成膜過程中形成立體網狀交織結構,分子的鍵能增強,形成的大分子結構的力學性能好,抗拉強度和延伸率均有不同程度地提高,耐水性、抗老化性明顯增強,吸水率降低,減少了水分子進入高分子鏈間而造成的涂膜溶脹。


因此,從提高涂膜性能的角度出發,選用交聯型丙烯酸乳液為好。如果再采用適當的改性處理,就可進一步提高聚合物一水泥體系的耐水和耐候性。


3.2 偶聯劑的選用及作用
偶聯劑具有2種不同性質的反應基團。親無機基團可與無機物表面的化學基團反應,形成強固的化學鍵合;親有機基團可與有機分子反應或物理纏繞,從而使有機與無機材料界面實現化學鍵接。不同品種偶聯劑,在相同用量情況下對水性熱反射隔熱防水涂料的性能影響見表4。
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由表4可知,在基本配方各因素相同的情況下,只改變偶聯劑的品種制得的涂膜,其耐水性和抗拉強度按強弱順序排列為:硅烷偶聯劑>復合偶聯劑>酞酸酯偶聯劑;斷裂伸長率按高低順序排列為:鈦酸酯偶聯劑>復合偶聯劑>硅烷偶聯劑;3種偶聯劑對潮濕基面的黏結強度影響不太明顯;


與對照樣品相比,每種偶聯劑的加入,各項性能均比對照樣有明顯提高。其機理是:當含有偶聯劑的液料與粉料以一定比例混合均勻并施工后,鈦酸酯偶聯劑中的烷氧基和硅烷偶聯劑中的環氧基硅烷經水解生成硅醇基,硅醇基與活性無機礦粉表面的活性基團形成氫鍵或縮合而成一Si0一M共價鍵,同時硅烷分子間的硅醇基互相縮合、齊聚形成網絡結構,增強了硅烷與無機材料間的界面鍵能。


偶聯劑中的親有機分子鏈段與乳膠粒子或是水化后的高分子膜通過氫鍵、范德華力纏繞結合,使整個聚合物水泥界面由無機膠凝層、偶聯劑“分子橋”及偶聯劑的高分子鏈段與乳膠粒子纏繞構成,偶聯劑起到“分子橋”作用。


另外,硅烷對惰性顏填料顆粒進行包覆,使其取得R(不能水解的反應性官能團)朝外取向的表面改性,從而易被有機基料潤濕和分散,使涂料降低黏度、增強流動性和流平性。總之,偶聯劑可以將2種性質不同的有機與無機材料橋接起來形成網絡結構,從而提高了聚合物水泥復合防水涂膜的力學性能和耐水性能。


3.3 無機膠凝材料的選擇
水泥是構成聚合物水泥防水涂料中無機膠凝材料的主要成分,對提高涂膜的耐水性、耐候性、抗拉強度、黏結強度具有至關重要的作用。在熱反射隔熱防水涂料中,白水泥比普硅水泥對提高涂膜的耐水性和反射率貢獻更大,因為白水泥一般為高鋁水泥,而普硅水泥為低價金屬鹽,當水泥水化后,高價金屬鹽同聚合物的活性基團產生的交聯作用要大于低價金屬鹽,因此用白水泥時的涂膜耐水性和力學性能更好。


由太陽熱反射隔熱涂膜的光學屬性(反射、散射)所限,該涂料的顏色必然是白色或淺色,因為白色顏料對太陽光的反射系數大于吸收系數,而深色顏料(如炭黑)則相反。因此,從提高涂膜的光熱反射角度出發,應選用白度高的白水泥為主要無機膠凝材料。


硅灰,又叫活性二氧化硅,SiO 含量大于90% ,細度約7 000目,比表面積是水泥的80~100倍,水化產物效應相當于水泥的5倍。在反射隔熱防水涂料中添加適當的硅灰,可明顯提高涂膜的力學性能。另外亞微米級的硅灰細粒子還有極佳的滲透力,可有效地填充和堵塞基層的毛細孔和涂膜中的孔隙,提高涂膜的致密度,增強其黏結強度、耐水抗滲性能。
硅灰的用量對涂膜的性能影響見表5。
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由表5可知,在基本配方中,隨著硅灰用量的增加,涂膜的耐水性提高、吸水率降低、抗拉強度逐漸提高、斷裂伸長率先增后降、潮濕基面黏結強度略有增長。其機理是:當液料與粉料混合后聚合物與白水泥、硅灰之間發生了一系列反應;


丙烯酸乳液結構中的一COOR等活性官能團可與水泥的水化產物Ca¨、Ca(OH):發生化學反應,聚合物與水泥的水化產物之間產生化學鍵合,增強了復合材料的力學性能,水化產物Ca(OH):又可與硅灰發生如下反應:XCa(OH):+SiO +(n一1)H:O=XCaO·SiO ·n H O,其反應生成水化硅酸鈣,在填料粒子表面形成薄層c—si—H凝膠,在偶聯劑的橋接作用下,與有機聚合物構成有機一無機三維網絡結構,提高了涂膜的力學性能和耐水、耐候性能。


3.4 功能填料的選擇
地球所獲得的能量主要來自于太陽。太陽對地球傳播熱的形式是輻射,建筑物接受輻射后升溫,然后形成相互之間的對流和傳導,由此使建筑物外表及內部溫度升高,同時引發城市熱島效應。


為了維持生活環境的舒適度,必然增加了空調制冷的用電量,由此帶來的后果是CO:排放量和霧氣的增多。據統計,在酷熱的下午,每天最高氣溫升高1 oC,要求用電量上升2%,CO2發生量為0.387 kg/(kW ·h),霧氣相應增加10%。為了有效降低建筑物對太陽光中紅外和可見光的吸收,降低電能消耗,涂刷太陽熱反射隔熱涂料是一種行之有效的方法。太陽熱反射涂膜是通過反射外部太陽光的能量,并通過大氣窗口(波長8~13 m)將物體表面的能量輻射到外層空間,從而使物體降溫。


隔熱降溫涂料的設計應具備2個基本條件:①提高涂層的光熱反射率;②提高涂層的熱輻射率。只有如此,在夏季才能既降低涂層中太陽輻射的熱積累,又使墻體本身的輻射熱向外傳播,從而達到隔熱降溫、節約制冷能耗之目的;在冬季采暖季節,涂層隔絕了室內熱量向外傳導散發,將熱能反射回室內,又起到保溫節能作用。

要使涂膜達到高反射率,就必須選用高折光系數的顏填料,另外顏色要淺;要達到高輻射率,就必須選用具有紅外輻射功效的材料。空心玻璃微珠呈半透明性、中空結構,光反射率達80% ~88%,導熱系數為0.07 W/(m·k),涂料中加入適量的空心玻璃微珠后,當太陽光照射到涂膜表面后,光線能通過排布緊密的空心玻璃微珠產生多次反射,從而提高了涂膜的反射率。


試驗證明,空心玻璃微珠的粒徑與光入射波長之比為0.1—10.0較合適,一般選用270~600目的較好。
在基本配方中添加不同質量份的空心玻璃微珠制得涂料,當涂膜厚度為0.5 mm時,其反射隔熱性能變化見表6。
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由表6可見,在聚合物水泥防水涂料中,隨著空心玻璃微珠添加量的增加,試驗條件下測得的涂膜表面溫度呈逐漸下降趨勢,當空心玻璃微珠添加量達到20%時,涂膜表面溫度下降了14.2 cI=,當添加量達到30%時溫度下降了16℃ ,再繼續增加空心玻璃微珠的用量,降溫效果不顯著。另外,空心玻璃微珠的加入還會對涂料產生如下功效:①提高涂膜的抗紫外線、耐老化作用;②提高涂料的流動性、流平性、表面硬度、耐磨劃性;③提高涂膜的耐沾污性、防腐蝕性和耐黃變性。


輻射降溫的原理在于:當輻射體的散熱大于吸收時,才會出現降溫現象。如果涂層對大氣窗口波段的吸熱率很高,而對其它波段的反射率很高,就會獲得優異的散熱效果,紅外輻射粉就是一種具有這種效果的填料。


具有反尖晶石結構的摻雜金屬氧化物,如Fe2O3,、MnO2、Co2O3,、CaO等和納米級氧化銦鐋(ITO)、氧化鐋銻(ATO)、氧化鋅鋁(AZO)都是優良的紅外輻射材料。在廉價的礦粉中,滑石粉、云母粉、硫酸鋇、硅藻土及以SiO 為主要成分的硅灰粉等均可作為紅外粉的替代品使用。據報道,在硅酸鹽結晶相中,加入AI O,、TiO:等金屬氧化物也能制備出紅外輻射涂料,在5~15 m波段內輻射紅外線的能力在85%以上。


本研究正是利用了白水泥和硅灰水化產物形成的硫鋁酸鈣及鈣釩石(3CaO·A1zO3·3CaSO ·32HzO)這種不溶于水的晶體相,配合少量的滑石粉和硅灰作為紅外輻射復合材料,取得了滿意的輻射降溫效果。


3.5 納米耐沾污劑的作用
常規聚合物水泥防水涂料的涂膜耐沾污性差,其原因是:①使用的彈性乳液Tg 低,涂膜在使用溫度下容易變軟或返黏,極易黏附灰塵而形成污染;②在填料中,由于使用了粒度較粗的石英砂,因此形成的涂膜粗糙、多孔,極易吸附或滲入污物而成永久性污染。如果熱反射隔熱防水涂膜一旦被污染,勢必會降低其光熱反射率和輻射率,影響涂膜的隔熱性能,因此,必須保證其具有優異的耐沾污性、自潔性。將水性納米耐沾污劑添加在乳液中,可以顯著提高熱反射隔熱防水涂料的耐沾污性。


其作用機理是:納米粒子經過表面處理劑包覆、接枝后,處理劑中的一個官能團與納米粒子表面的羥基反應,在成膜過程中另一個朝外取向的官能團與有機聚合物大分子反應、接枝,納米粒子成為活性交聯中心,形成立體網狀結構,增強了涂膜的交聯密度和表面強度;納米細粒子填充了較粗填料粒子之間的空隙,使涂膜更加致密、平整、光滑。上述涂膜特點正是獲得耐沾污涂膜的基本因素,而關鍵因素則是:納米粒子表面的親水基團賦于涂膜表面親水性。


親水基團具有低帶電性,與帶電的浮游顆粒之間的靜電引力小,使其難以附著在涂層表面;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,容易被風吹走或被雨水沖洗掉,從而保持涂膜自潔。試驗證明,當納米疏水劑的添加量達到0.8% ~1.O%時,可使涂膜的耐沾污性由26%降低到12%。

4 結語
(1)本研究制備的聚合物水泥涂料,其涂膜兼具熱反射隔熱降溫功能、防水功能、耐污自潔功能,可單獨或與其它材料復合應用于建筑物屋面及外墻的涂裝。
(2)自交聯型彈性丙烯酸乳液,通過偶聯劑及納米耐沾污劑改性后,明顯提高了涂膜的交聯密度和強度,使涂膜平整光滑、致密,按JC/T 894-2001標準檢驗,各項物理性能均明顯超過標準要求,耐沾污性由對照的26%下降至12% 。
(3)空心玻璃微珠具有中空結構,表現出很強的反射能力,具有極佳的隔熱性能,對提高涂膜的光熱反射率有突出貢獻;硅灰主要成分為SiO ,具有紅外輻射功能,與滑石粉配合作為紅外輻射材料,對提高涂膜的紅外輻射率有一定作用。制備的涂料在試驗條件下其涂膜反射率達85% ,隔熱性(溫差):表面溫差為15℃ ,內部溫差4 oC,具有顯著的隔熱降溫功效,尤其適于我國夏熱冬暖、夏熱冬冷地區應用。

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