建筑保温隔热是节约能源、提高房屋居住和使用功能的一个重要方面。建筑能耗在整个能源消耗中所占比例一般在30%~ 40% , 且绝大多数是取暖和降温的能耗。节约能源、降低能耗、提高经济效益是科学研究和技术开发的基本目标之一, 涂料也不例外[ 1] 。节能涂料是一种功能性涂料, 主要应用于建筑屋顶和外墙, 它在可见光区和近红外光区具有高反射率, 因而能对太阳辐射起到阻隔效应, 延缓热能的传递[ 2] 。节能涂料的组分中起主要作用的是成膜物质和颜填料, 其中颜填料尤为重要[ 3] 。要达到高的热反射率, 必须选用高折光系数的颜料。白色颜料中应用广、效果好的是金红石型钛白粉, 它能耐光、耐热、耐稀酸和碱, 在白漆和浅色漆制造中必不可少。然而, 颜料这种以原级粒子、附聚体和聚集体等方式混合存在的体系对涂料配方有很大影响。初级粒子的聚集状态不同, 涂料的使用性能和反射隔热性能也随之改变[ 4] 。由于国内建筑隔热涂料的开发还处于起步阶段, 针对涂料中颜料粒子的聚集和分散对其性能影响的研究与报道相对较少。而且, 不同厂商生产的钛白粉颜料, 其生产方式和工艺控制方面存在差异, 使得钛白粉在粒径分布及表面活性上有所不同。因此, 在隔热涂料制备过程中, 本方法分别采用了不同来源的钛白粉颜料, 考察涂料细度与终干膜性能的关系。
1 实验部分
1. 1 原材料
基料选择德国巴斯夫有限公司生产的Acr onal PS 405 ap丙烯酸乳液。颜料主要有上海煦江实业有限公司生产的水性涂料专用金红石型钛白粉XJ R777 和美国亨斯曼公司生产的多用途的金红石型钛白粉T R 92。填料主要有空心玻璃微珠、轻钙和滑石粉等。助剂主要有润湿分散剂、消泡剂、增塑剂和成膜助剂等。
1. 2 涂料制备
按表1 配方称取各种物料, 在低速搅拌下依次加入蒸馏水、润湿分散剂、适量消泡剂和成膜助剂等充分混合均匀, 然后添加钛白粉等颜填料, 高速分散研磨一定时间, 使粉体粒子细化并达到分散稳定状态。接着将调制好的颜填料色浆缓慢加入到乳液中, 再低速搅拌30~ 40min。为了避免过高的转速破坏微珠的空心结构, 使其失去隔热反射能力, 空心玻璃微珠后在低速状态下加入到分散液中, 搅拌过程中滴加剩余消泡剂, 并调到合适的黏度, 过滤, 出料。
1. 3 仪器
SDF-400 型调速分散研磨机; QXD-25 刮板细度计; C84-III 反射率测定仪; JTX-II 型涂料耐洗刷仪; DXLL-10000 电子拉力机, 拉伸性能按GB/ T 16777-1997<建筑防水涂料试验方法>中规定进行。隔热温差检测根据JG/ T 235-2008<建筑反射隔热涂料>要求配置, 其中测温箱是由3cm 厚导热系数不大于0 030W/ ( m -K) 的XPS 板构成的五面体, 内腔尺寸为30cm* 30cm *30cm; 测温仪测量精度为0. 1 ℃; 加热灯为全辐射通量135W 的红外灯。
2 结果与讨论
2. 1 TiO2 含量对反射率的影响
反射率定义为从物体表面反射射出的波长的光通量与入射于物体表面上的波长的光通量之比。为降低建筑物内部温度而使用的太阳热反射外墙涂料, 应满足对可见光和近红外光的高反射。反射率主要取决于颜填料与树脂的折光系数的比值。在树脂的折光系数( 1 45~ 1 5) 一定的情况下, 其热反射率主要取决于颜填料的折光系数[ 5] 。因此, T iO2 作为高折光系数的颜料, 被用来制备反射隔热涂料并考察涂层反射率的变化( 见图1) 。
由图1 可知, 随着T iO2 含量的增加, 白色涂层的反射率不断上升。选用T R TiO2 为颜料制备的反射隔热涂料在TiO2 含量为12%左右达到高值, 选用XJ TiO2 为颜料制备的反射隔热涂料在TiO2 含量为14%时达到高值, 之后它们随着TiO2 含量的增加, 反射率反而有所下降。其原因可能如下: 当T iO2 开始逐渐添加时, 涂膜内颜料的相对密度增多, 起反射作用的颜料粒子数增多, 故反射率呈上升趋势。但是当TiO2 含量到达一定值以后, 随着用量的进一步增加, 由于颜料粒子的聚集, 使散射的比表面积减少, 散射效率降低, 导致反射率下降[6] 。所以, 对T iO2 用量, 无论是从实验角度还是从实用成本来讲, 含量并不是越大越好, 而是有一个极限范围, 本实验以12%~ 14%为佳。
2. 2 研磨时间对涂料细度的影响
涂料生产中所指的颜料分散泛指颜料以稳定状态均匀地分散于特定介质中。颜料润湿后, 在分散设备的帮助下打开颜料的聚集体。颜料解聚的成功与否主要取决于分散设备对颜料的高速剪切、碰撞和研磨能否使涂料达到佳的分散状态。图2 考察了分散研磨过程中涂料的细度变化。由图2 可知, 使用磨介对涂料进行分散研磨时, 在开始的60min 内, 以XJ T iO2 为颜料的涂料细度下降较快。之后随着研磨时间的延长, 涂料细度下降缓慢。研磨90min 后, 无论以XJ T iO2 还是以TR TiO2 为颜料制备的反射隔热涂料, 颗粒都有重新团聚的趋势。这是由于在研磨初始阶段, 颗粒中存在着微小裂纹, 这些裂纹又是应力比较集中的地方, 这些团聚颗粒的强度远小于晶体强度。在高速剪切撞击下, 涂料中的微粒子聚集体被不断解聚。随着研磨时间延长, 颗粒越来越小, 其结构缺陷越来越少, 本体强度不断提高, 粉碎难度也急剧增大[ 7] 。此外随着时间的延长, 能量由动能转变为物料的表面能, 表面能升高, 导致粉体更容易团聚成为大的颗粒。过度的延长分散时间, 细小粉体又会发生重新团聚现象, 因而在粉体的超细粉碎中存在着粉碎- 团聚平衡, 原因是粉体越细,其表面能越高, 粉体间团聚以降低表面能的趋势越大, 涂料的细度变化取决于这两种作用的综合效果。本研究中以60min左右为较好的研磨时间。
