日期：2021-06-18
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1 核心提示：0 引言涂料作为最普遍使用的装饰防护材料，已经从最简单的装饰保护用途逐渐向更加广阔的功能性方向发展。节能涂料是近几年发展起
0 引言
涂料作为普遍使用的装饰防护材料，已经从简单的装饰保护用途逐渐向更加广阔的功能性方向发展。节能涂料是近几年发展起来的具有太阳能反射、隔热、红外辐射等多重功能的新型环保产品。传统的工业涂料主要应用于户外机械设备、管路、储罐、承重装置、集装箱、海工设备等钢结构材质表面，起到防腐和装饰的作用。随着“十三五”提出的节约能耗、减少三废排放、提高本质安全的目标，节能和环保是现今工业领域急需解决的重要问题。研究集环保、防腐、节能、自清洁、耐候等多功能于一体的工业涂料将具有很高的社会价值和经济价值。
储罐是工业涂料的主要施工对象，由于长期曝晒在阳光下， 高温环境导致储罐表面和内部温度升高太快，大部分热量集中在液体界面表层，加快了液体的蒸发， 造成危险。用于储罐的传统降温方法有两种：包裹隔热层和水喷淋。这两种方法均有一定的局限性，而采用在外壁涂装涂料的方式不仅施工简单、效果显著，还节约水资源。铝粉漆是早应用于储罐隔热的涂料产品， 其光洁的镜面效果能够反射大部分太阳光，而且价格便宜，成为拥有罐区厂家的首选产品。然而，由于铝粉漆的耐腐蚀性和耐候性均较差，厂区内长年存在腐蚀性气体，往往罐体外表面涂层使用一年就要重新涂刷， 反复施工造成的不便以及应用效果不理想使得该类产品逐渐被淘汰。因此，需要兼具反射隔热和防腐效果， 同时保障施工安全性的产品来取代传统的隔热产品， 而水性节能防腐工业涂料则成为首选。
1 实验部分
1.1 原料与仪器
水性丙烯酸树脂：万华；含氟丙烯酸树脂：东氟化工；钛白粉：杜邦；热反射粉、纳米防锈填料：上海羽唐；防腐填料：Dr. Mao；分散剂123k、增稠剂830W：高泰；分散剂BYK-190、消泡剂BYK-093、润湿剂、防冻剂、pH 调节剂：毕克化学；成膜助剂：伊士曼；流平剂YCK-1110：毅克化学；防霉剂：顺风；固化剂：拜耳；同类型水性节能涂料：市售。
顶置式搅拌器、空气喷涂机、斯托默黏度测试仪、恒温恒湿箱、磁性测厚仪、可见光/近红外手持反射计、辐射率仪、反射率测定仪、耐洗刷测定仪、铅笔硬度测试仪、划格法附着力测试仪、红外热成像仪、耐候性试验箱、耐盐雾性试验箱等。
1.2 配方与制备工艺
水性节能防腐工业涂料配方见表1。
注：A 组份与B 组份配比为4.5~8.5∶1。
浆料的制备：向烧杯中逐步加入去离子水和分散剂，中速搅拌至均匀；加入适量的消泡剂，待气泡显著消除后，继续分散30 min；依次加入反射功能填料、纳米防锈填料、防腐填料等，控制加入速度，保证液面上方不沉积过量粉料，且时刻调整搅拌桨高度，及时清理搅拌桨叶片上的粉料，高速分散1 h；粉料添加完毕后，视起泡程度，分批次补加消泡剂，稳定1 h 后出料。涂料（A 组份）的制备：按比例将含氟丙烯酸乳液和水性丙烯酸乳液依次加入到浆料中并混合，此时将转速适当调低至500 r/min，随后加入其他助剂，继续中速分散1～2 h，出料。
1.3 样板的制备
1.3.1 涂料的制备
A、B 组份需先按比例混合后，搅拌均匀，0.5 h 内完成制板。
1.3.2 样板的制备
参考标准GB/T 9271—2008，将标准钢板表面油污用纸或布擦拭干净，再用干净的布蘸取少量乙醇擦拭表面，干燥。用水砂纸以划圈的方法将表面打磨粗糙，清理金属屑后，待用。将涂料加入空气喷涂机料斗内，均匀喷涂在处理好的钢板上，平放或垂直悬挂，待干燥后，用磁性测厚仪测试漆膜厚度，保证干膜厚度在100 μm 左右。样板制好后，放置在温度（23±2）℃、相对湿度（50±5）%的恒温恒湿箱内，养护48 h后测试各项性能。
1.4 性能测试
涂料和漆膜样板制好后，分别需要检测一系列性能，包括涂料表观状态、漆膜形态、节能性能、耐候性、耐腐蚀性等。性能测试方法参考标准见表2。
2 结果与讨论
2.1 性能测试结果
目前用于工业领域的水性节能涂料相关产品标准还未出台，本文中的性能检测项目参考JG/T 235—2014《建筑反射隔热涂料》、GB/T 9755—2014《合成树脂乳液外墙涂料》以及GB 50393—2008《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》中的部分防腐涂料性能。水性节能防腐工业涂料的性能测试结果见表2。
以上性能测试结果均由第三方权威检测机构提供，自制的水性节能防腐工业涂料性能优异，具有高节能效果和高耐候性。除上表中所测性能外，还对涂料进行了挥发性有机化合物含量（VOC）的检测，结果为39.88 g/L（气相色谱法），较低VOC 排放，在工业防腐蚀领域属于安全环保的涂料产品。
2.2 施工性与应用情况
分别采用喷涂和滚涂法在同一基材表面制备面积相同的样块，对比本产品与市售同类型水性节能涂料（相同用量）的隔热降温能力。从上午8∶30 到下午16∶30，每隔1 h 用红外热成像仪记录4 个样块的温度与图像，见图1、图2；并以时间为X 轴，温度为Y1 轴，对比温差为Y2 轴，作曲线图，见图3、图4。
由图1、图2 热成像图显示， 在同样是16∶17 左右，喷涂法制备的本产品样块比周围没有涂料处大低3.5 ℃， 滚涂法制备的本产品样块比周围没有涂料处大低17.5 ℃，说明有节能涂料处的基材表面温度要远低于没有节能涂料处。由图3、图4 可知，本项目产品的涂层温度比市售同类产品的涂层温度低约1~2℃，所选对标产品在业内属于高口碑产品，本项目产品在隔热降温能力上优于对标产品，故该产品的隔热降温能力达到行业内同类产品的领先水平。
2.3 化工储罐示范工程
使用本项目产品对某化工园区的其中一个容积为200 m3 的储罐进行示范工程施工， 储罐材质为304 不锈钢，表面积约120 m2，采用无气喷涂，施工温度为10～15 ℃，风力4 级，单次施工4 h，两次喷涂间隔24 h。先对罐体表面进行初步清理， 由于经过夏季喷淋装置的使用，喷淋口下方的罐体表面产生了大量水锈，用砂纸进行打磨，尽量去除表面水锈、灰尘和颗粒物。施工分两天进行， 第一天喷涂的漆膜完全干燥后再进行第二道喷涂。
经过几个月的观察，储罐施工的漆膜均匀，未见脱落、开裂等异常现象。夏季对施工后的储罐进行温度跟踪监测，分别对喷涂了节能涂料的储罐和未喷涂节能涂料的储罐进行各个部位的温度对比，对比时外部温度为34.6~36.6 ℃（阴面）、43.8~47 ℃（太阳光照下），结果见表3。
由以上结果可以看出，强烈的阳光照射对储罐温度的影响较大，在阳光强烈的夏季，经过节能涂料涂装的储罐能够反射绝大部分的红外热量，起到较好的降温效果，减少喷淋水的使用，从而很好地起到了节能减排的作用，也间接延长了涂料的使用寿命。
2.4 原料的选择
树脂的选择：丙烯酸树脂具有较好的耐候性，可作为面漆使用。水性涂料的耐水性一般较差，选择疏水性较强的含氟丙烯酸树脂可大大改善漆膜的耐水性；同时含氟涂料的耐腐蚀性较强，选择此类树脂，进而提高了耐盐雾性；其次，F—C 键键能很高，漆膜的耐候性也得到了较大提升。水性丙烯酸树脂和含氟丙烯酸树脂复配使用，优势互补，大大提高了漆膜的性能。
固化剂的选择：针对水性含氟丙烯酸树脂，选择一种适用于水性体系的固化剂，此类水性体系需具有结合稳定性和耐化学品性好的特点。固化剂在水相下，甚至在低剪切力的情况下，易于乳化。一般的亲水性固化剂，尤其是离子型亲水性分散体，混合时可以预先用水或添加少量有机共溶剂以控制黏度升高。涂料成膜后要具有快干、硬化快速的特点，形成的膜要具有耐化学品性的特点。
颜填料的选择：节能涂料要求高反射比，漆膜颜色一般为白色，钛白粉作为涂料常用的颜料，能够起到提高白度和遮盖性的作用； 选择金红石型钛白粉，有助于提高涂料的红外反射比[4]；热阻隔填料的使用降低了夏季户外高温与储罐内的热传导作用，有效降低罐内温度，有助于减少喷淋水的使用；同时，由于化工储罐所在的化工园区空气中带有腐蚀气氛，还需要添加防腐蚀填料，以提高涂料的耐腐蚀性。
助剂的选择：水性涂料助剂的用量虽然在配方中所占比例较低，却能显著提高涂料产品的质量，改善涂料施工性能。针对水性氟碳涂料体系，配方中选择亲水与疏水相结合的助剂体系， 加强填料的分散，促进乳胶粒子弹性形变，使粒子在较低温度时也能够随着水分的挥发产生塑性流动和弹性形变而聚结成膜。尽量选择环保型助剂，以降低涂料的VOC 含量。
3 结语
本文制备的水性节能防腐工业涂料能够兼具热反射隔热和防腐蚀的双重功能，适用于储罐、管路、机械设备、集装箱等工业领域，具有极低的VOC，较高的太阳光反射比、近红外反射比和半球发射率，在炎热的夏季能够有效抑制绝大部分太阳光热量的吸收，并通过热辐射作用起到降温效果。产品本身可作为金属基材底面合一用防腐蚀面漆，也可作为配套水性或油性的防腐底漆、中间漆的面漆使用，与常用的底漆、中间漆品种，例如环氧类、聚氨酯类、聚脲类等，均具有良好的层间附着力。该产品具有优异的耐候性、耐沾污性、耐洗刷性等性能，能够满足较长时间内的使用效果，兼具隔热和耐腐蚀功能，可以免除常规隔热涂料和防腐涂料分别施工的麻烦，减少施工难度，提高施工效率。
该产品作为功能型水性防腐工业涂料，与重防腐等级下使用的防腐蚀涂料产品仍存在一定的差距，未来需在长时效耐盐雾性、耐化学品性、耐溶剂性等方面做出优化和改进， 力争提升产品的防腐蚀级别，扩大使用范围。
