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灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料的研制,以純丙彈性乳液與改性硅溶膠復配為基料,以特種功能型熱反射粉
2020年02月21日    閱讀量:541    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 前言

節約資源、節能減排、生態環保、低碳循環經濟發展模式是我國的基本國策。我國是建筑能耗大國,單位面積采暖能耗相當于氣候條件相近國家的2~3倍,建筑能耗已占社會總能耗的1/3,建筑節能任重道遠。依據住建部制定的建筑節能總體規劃,未來幾年,全國城鎮新建筑節能達到50%,北方和沿海經濟發達地區實現建筑節能65%中國建材網cnprofit.com


目前,EPS板、XPS板、PU硬質泡沫等有機保溫材料占據了我國外墻保溫市場的80%以上。雖然有機保溫材料具有導熱系數小、保溫性能好的特點,但是其防火性能差。


針對近年來我國連續發生外保溫工程火災事故,公安部、住建部聯合發文,明確規定民用建筑外保溫材料采用燃燒性能為A級產品。一般有機保溫材料的燃燒性能是B2級以下,經科技人員努力研發,目前能達到B1級。


采用B1級有機保溫材料做外保溫層時,必須做好包括抗裂抹面砂漿、外墻膩子及飾面涂料組成的不燃保護層,以便達到保溫裝飾一體化系統的整體不燃防火要求。作為EPS、XPS板、PU發泡材料的外墻保溫系統的飾面涂料,除應具有高裝飾性、高耐候性、高耐沾污性、低污染性外,還應具有柔韌抗裂性、熱反射隔熱性、防火阻燃性等功能。太陽熱反射隔熱外墻涂料可有效反射太陽光熱,降低建筑物表面溫度,減少太陽輻射熱向室內傳導,節省空調制冷耗電量。


目前,市場上應用的太陽光反射隔熱涂料80%以上為白色,且氧指數低于27,阻燃防火性能差。本文研制的灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料,可滿足民用建筑實現不同彩色裝飾性、保溫節能性和安全防火性三兼顧的要求。

 

1 試驗部分

1.1 原材料

表面紫外光固化彈性純丙烯酸乳液,進口;改性硅溶膠,自制;改性聚磷酸銨,杭州捷爾思;ALTIRIS紅外反射顏料,亨斯邁;黑色顏料,自配;助劑,市售。

1.2 基礎配方

灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料的基礎配方,見表1。

灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料基礎配方

灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料的研制,以純丙彈性乳液與改性硅溶膠復配為基料,以特種功能型熱反射粉 中國建材網,cnprofit.com

1.3 制備工藝

(1)制備復配黑色水性色漿;水+分散潤濕劑+消泡劑+復配黑色顏料,分散、研磨。

(2)將一定量去離子水加入分散罐內,中速攪拌下加入各種助劑進行預分散,再加入紅外反射顏料及阻燃劑改性聚磷酸銨,高速分散30 min,經砂磨機研磨細度至40 μm成漿料,將研磨漿打入調漆罐內,中低速攪拌下加入彈性乳液、改性硅溶膠、余量消泡劑、增稠劑、黑色漿攪拌20 min,過濾,包裝。


1.4 主要性能檢測

(1)常規性能指標按JG/T 172—2005《彈性外墻涂料》標準進行檢測;

(2)太陽熱反射隔熱性能按照JG/T 1040—2007《建筑外表面用熱反射隔熱涂料》的技術要求檢測;

(3)耐燃性能按照GB 12441—2005《飾面型防火涂料》通用技術條件進行檢測。

(4)氧指數測定:將涂層裁成200 mm×20 mm×1mm試片,利用JF-3氧指數測定儀,調節氧氣和氮氣的濃度,將涂層試片點火,觀察涂層持續燃燒時氧氣的濃度。

 

2 結果與討論

2.1 基料樹脂的選擇

基料樹脂是構成涂料的主要成膜物,是決定涂膜理化性能優劣的關鍵材料。本研究的外墻涂料,其基本特性要求是彈性、隔熱、阻燃,因此所選用的樹脂必須符合下述性能:(1)具有優異的彈性;(2)涂膜透明度高,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,丙烯酸乳液符合上述要求;(3)盡可能高的氧指數,以便對涂料體系涂層的耐燃性能減少負面影響。


本研究灰色彈性涂料的設計目標,其主要性能為:拉伸強度≥1.5 MPa;延伸率≥150%;陽光反射率≥70%;半球發射率≥85%;氧指數≥32。根據上述要求,選擇了表面紫外光固化彈性丙烯酸乳液,這是一款具有固含量高、成膜溫度低、表面紫外光固化、廣泛溫度下優異的彈性、高耐候性、高耐沾污性和機械穩定性等特點的乳液,并且涂膜還具有高透明性、透氣“呼吸”功能、低吸熱性能。


由于該乳液涂膜的氧指數較低(<22),屬于可燃性材料,且在配方中用量(35%~45%)較大,勢必會削弱涂料的阻燃性能,故此,又選擇了無機不燃的硅溶膠與之復配作基料。


為了解決二者直接復配存在的貯存不穩定性問題,本試驗對硅溶膠進行了改性處理,從而提高了有機-無機復合基料的相容性和貯存穩定性。在基礎配方中其他因素不變的條件下,只改變彈性乳液與改性硅溶膠的質量配比,分別制備成涂料,按照設計目標性能,檢驗涂膜的抗拉強度、延伸率、氧指數,結果見表2。

灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料的研制,以純丙彈性乳液與改性硅溶膠復配為基料,以特種功能型熱反射粉 中國建材網,cnprofit.com

彈性乳液/硅溶膠比例對涂膜性能的影響

注:氧指數<22屬易燃材料,22~27屬可燃材料,>27為難燃材料。

由表2可知,在基料用量一定的條件下,隨著改性硅溶膠用量的增加,涂膜的抗拉強度相應提高、氧指數增大,而延伸率相應降低。當m(彈性乳液)∶m(改性硅溶膠)=4∶0.5時,涂膜的抗拉強度、延伸率和氧指數均達到設計目標要求。


2.2 顏料的選擇

彈性隔熱阻燃外墻涂料作為有機發泡外保溫系統的飾面涂料有三大優點:(1)彈性涂膜可有效遮蔽保溫防護層的溫變裂紋;(2)熱反射涂層可反射和輻射太陽光熱,降低墻面溫度,減少輻射熱向墻體內部傳導;(3)高氧指數涂膜可有效提高保溫系統的整體防火安全性。

2.2.1 白色顏料的選擇

為了提高涂料的太陽熱反射隔熱性能,選用的顏料應有盡可能高的光散射性能,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輻射熱通過大氣窗口(8~13.5)發射出去,還要選擇有較高發射率的顏填料配合使用[1]。


一般隔熱涂料選用金紅石型鈦白粉、空心玻璃微珠、紅外粉、礦物粉搭配作顏填料,且顏色單一,95%以上為白色[2]。為了制備對總太陽能具有高反射率的不同色調的彩色外墻涂料,本試驗選用ALTIRIS紅外反射顏料作白色顏料,以反射率較高的有機、無機彩色顏料復配作著色顏料,無論選擇哪種顏色,ALTIRIS顏料都可提供高太陽能反射率。


ALTIRIS紅外反射顏料是一種經過精心設計和改性的二氧化鈦高反射率顏料,以反射紅外波原理加工成的,是由近紅外線反射顏料、白色填料、超細熱紅外線反射顏料組成顏料體系,該顏料既有對太陽光的高反射功能,又有對吸收熱的高發射功能,同時還有超強的耐用性和弱電性,可有效降低涂層的電荷積累,減少帶電污染物附著。在常用的彩色外墻涂料中,在不加或少加鈦白粉條件下,添加紅外反射顏料可大幅度提高涂膜的太陽能反射率。


根據所需要的色調和顏色選擇合適的ALTIRIS顏料類型(550、880)。固定灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料基礎配方中其他因素不變,根據涂膜涂刷厚度選擇ALTIRIS顏料的添加量。見表3。

灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料的研制,以純丙彈性乳液與改性硅溶膠復配為基料,以特種功能型熱反射粉 中國建材網,cnprofit.com

有色涂膜最終膜厚與ALTIRIS顏料標準體積函數關系


2.2.2 黑色顏料的選擇

白色和淺色太陽熱反射涂料反射效率最高,隨著涂料色相的變深,其涂膜對光熱反射率降低、吸熱率增加,為了提高灰色涂料涂膜的隔熱降溫性能,必須選用一種低紅外吸收率的黑色顏料。常用的炭黑、鐵黑、銅鉻黑紅外吸收率都很高,而由紅和青或黃和紫組成的消光黑色對波長380~780 nm的可見光無反射,對780 nm以上的近紅外卻具有高的反射率。不同黑色顏料太陽熱反射率見表4。

黑色顏料一般太陽熱反射率

灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料的研制,以純丙彈性乳液與改性硅溶膠復配為基料,以特種功能型熱反射粉 中國建材網,cnprofit.com

在黑色顏料中炭黑的反射率最只有2%~3%,而由鐵紅、鈦鉻黃、酞菁藍復配成的黑色顏料反射率達到55%。圖1是2種不同黑色顏料制備的深灰色涂料紅外線反射比較,涂膜厚度為25 μm。

2種不同黑色顏料制備的深灰色涂料紅外線反射比較

當采用不同黑色顏料制備成深灰色涂料時,炭黑調色涂料的紅外線反射率只有3%左右,而復合黑顏料調色涂料的紅外線反射率卻達到68.5%,紅外反射差為65.5%。在基礎配方中其他因素不變的條件下,不同黑色顏料調配的灰色涂料對太陽能反射率的影響見表5。

黑色顏料對涂料反射率的影響

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由表5可知,在灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料的干膜中,當配方因素不變且ALTIRIS紅外反射顏料的體積濃度相同的條件下,自制的復配黑色顏料比炭黑調配的涂料總太陽能反射率高66.4%。


2.3 阻燃劑的選擇

含鹵聚合物或含鹵阻燃劑具有優良的阻燃性,曾被廣泛采用。但是因其在火災發生時會產生大量煙霧和有毒的腐蝕性鹵化氫氣體,造成二次危害,因此在歐盟限制使用。我國制訂的建筑材料及制品燃燒性能等級標準中,同樣限定了阻燃材料的生煙性及燃燒產物的腐蝕性和毒性等。因此無鹵阻燃劑磷系化合物、金屬氧化物、硅系阻燃劑、氮系阻燃劑等將成為阻燃劑的主流產品。


蜜胺樹脂改性聚磷酸銨(APP)是一種無鹵無毒磷氮系阻燃劑。其在290 ℃左右發生分解,放出氨氣和聚磷酸,氨氣可稀釋氣相中的氧氣濃度,起阻燃作用;聚磷酸是一種強脫水劑,可使聚合物脫水碳化形成碳化層,隔絕氧氣與基層的接觸,在固相起阻燃作用。


蜜胺樹脂改性聚磷酸銨,是一種用胺類物質包覆處理的高聚合度結晶Ⅱ型APP粉末產品,含磷量P>31%,含氮量N>14%,聚合度n≥1 500,細度1 000目,熱分解溫度285 ℃,水溶性≤0.25 g/100 cm3水。與普通APP相比具有水溶性低、結構純度高、熱穩定性好、磷氮元素含量高、粒徑小且均勻、阻燃效果好等優點。


由于粉體流動性好,與基料樹脂和顏填料相容性好,且白度值較高,不會影響外墻涂料貯存穩定性及著色性能,因此選擇蜜胺樹脂改性聚磷酸銨作阻燃劑,在基礎配方其他因素不變的條件下,改性APP的用量對涂料阻燃性能的影響見表6。

灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料的研制,以純丙彈性乳液與改性硅溶膠復配為基料,以特種功能型熱反射粉 中國建材網,cnprofit.com

表6 改性APP對涂膜阻燃性的影響

 改性APP對涂膜阻燃性的影響

由表6可知,隨著改性聚磷酸銨用量的增加,氧指數隨之上升,質量損失相應降低。當改性APP在配方中的用量>20%以上時,阻燃性能上升趨緩,考慮到涂料的成本因素,選取20%的添加量為宜。


2.4 技術性能

灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料的技術性能見表7。

灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料的性能指標

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3 結語

本試驗研制的灰色彈性隔熱阻燃外墻涂料,其涂膜除具有高裝飾性、高耐候性、高耐沾污性和低污染性以外,還具有彈性、太陽光反射隔熱性、耐火阻燃性等功效。

(1)基料樹脂由表面紫外光固化彈性丙烯酸乳液與改性硅溶膠復配而成,當按m(彈性乳液)∶m(改性硅溶膠)=8∶1制備成涂料,其涂膜的物理性能、光學性能、阻燃性能較好。

(2)顏料由ALTIRIS紅外反射顏料及自配黑色顏料組成。當涂料調配成中灰色時,其涂膜的總太陽能反射率達到71.5%。

(3)阻燃劑選擇無鹵阻燃劑——蜜胺樹脂改性聚磷酸銨,當其用量在涂料配方中占20%左右時,涂膜的氧指數可達33,質量損失8%,煙氣毒性達到安全1級。


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