热反射隔热涂料的制备与隔热性能
廖翌滏, 曾碧榕, 陈 珉, 林苏娟, 邓胡军, 吴锦添, 许一婷, 戴李宗
( 福建省防火阻燃材料重点实验室, 福建省固体表面涂层材料技术开发基地,厦门大学化学化工学院, 厦门大学材料学院, 福建厦门361005)
热反射隔热涂料是近几年发展起来的一种新型节能材料[ 1, 2], 它通过有效反射太阳光的能量而降低物体表面对太阳辐射能量的吸收[ 3, 4] , 从而起到隔热保温的效果。太阳光热量中可见光占43% , 近红外光占52% , 紫外光占5%[ 5], 含有空心玻璃微珠热反射隔热涂料对可见光与近红外热具有很高的反射率, 并且具有良好的物理性能, 成本低, 施工方便[ 6~ 8] , 因而, 这种新型涂料的相关研究成为建筑节能材料研究的热点之一[ 9] 。本文系统研究了成膜基料、颜填料含量、空心玻璃微珠、涂层厚度等因素对热反射隔热涂料性能的影响及作用规律, 为热反射隔热涂料的研制提供相关依据。
1 实验部分
1. 1 原材料及主要仪器
乳液: 广州巴德富实业有限公司; 金红石型二氧化钛: 北京利国伟业超细粉体有限公司; 空心玻璃微珠:上海外电国际贸易有限公司; 氟硅憎水剂: 四川成都兆江化工科技有限公司; 自来水、助剂等。
砂磨分散搅拌多用机: SFJ-400, 山东佳贝尔仪器有限公司; 线棒涂布器( 100Lm) : 奥斯技贸易有限公司; 扫描电镜: XL-30, Philips 公司, 荷兰; 紫外-可见-近红外分光光度计: CARY5000, Varian 公司, 美国;JC2000A 接触角测试仪: 上海中晨公司; 隔热性能测试装置: 根据JG/ T235- 20085建筑反射隔热涂料6行业标准中规定的隔热温差标准方法进行组装。
1. 2 涂料制备
热反射隔热涂料的基本配比如T ab. 1 所示, 采用色浆法将各种颜填料充分混合。在自来水中加入分散剂、润湿剂、消泡剂及颜填料后高速搅拌, 随后加入乳液搅拌, 再加入其余助剂, 1200r/ min 高速搅拌, 最后加入空心玻璃微珠。由于空心微珠容易破碎, 只能对其进行400r/ min 慢速搅拌。
Tab. 1 Formulation of the Ref lection Insulating Coating
1. 3 涂料的性能检测
1. 3. 1 隔热性能与太阳光反射比及半球发射率的测定: 根据JG/ T235- 20085建筑反射隔热涂料6行业标准进行测试。
1. 3. 2 可见光反射率测定: 将一束光射向热反射隔热涂料的涂膜表面, 收集并检测被涂膜反射回的可见光各波段内损耗的百分比。损耗掉的百分比即为吸收率a, 则反射率p = 1- a。
1. 3. 3 涂层接触角的测试: 将配制好的涂料在25.4mm x 76.2 mm 的载玻片上均匀涂膜, 干燥, 测试。每个样品选取5 个不同的点测量, 取其平均值为固体表面的接触角。
1. 3. 4 涂层耐玷污性能测试: 根据GB/ T9755- 2001中的方法测试隔热涂层的耐玷污性。其中有涂耐玷污透明清漆的耐玷污性定义为A , 未涂有耐玷污透明清漆的耐玷污性定义为B, 耐玷污提高率定义为E , 则E = ( B - A ) / B 。
2 结果与讨论
2. 1 基料的选择
用于热反射隔热涂料的树脂要求对可见光和近红外光吸收率低, 因此树脂应满足透明度高, 结构上尽量少含醚基、羰基和羟基等基团。常用的乳液有: 纯丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、硅丙乳液、环氧乳液等。在其它实验条件均相同情况下, 分别选择不同乳液品种配制固含量为50%的清漆, 将这些清漆分别均匀地涂刷在试片上。经过测试, 不同种类清漆涂层间的下表面温度相差仅1 e 左右, 可见基料树脂种类的差异对涂料隔热性能的影响较小。但是丙烯酸酯乳液具有极好的耐水性、耐候性、柔韧性和粘接强度, 所以本文采用水性丙烯酸酯乳液作为成膜物质, 其相关指标如Tab. 2 所示。
Tab. 2 Performance Index of Acrylic Emulsion
2. 2 二氧化钛用量的影响
金红石型二氧化钛具有很好的热力学稳定性与较高的折光系数, 对可见光有强烈的反射作用, 同时还是遮盖力最强的颜料。本研究以丙烯酸酯乳液为成膜物, 分别加入不同质量分数的金红石型二氧化钛制成涂料。用线棒涂布器制备厚度为300Lm 的涂层, 待实干后进行隔热性能测试, 测试结果如Fig . 1 所示。可以看出, 随着二氧化钛含量的逐渐增加, 涂层隔热性能逐渐提高, 这是因为涂层白度的增加有助于提高对光线的反射率。当二氧化钛的质量分数达到20% 后涂层白度达到饱和, 涂层下表面温度降低程度变缓。考虑到经济因素和涂层综合的物理性能, 20% 的添加量较为适合。
2. 3 空心玻璃微珠对隔热性能和可见光反射率的影响
空心玻璃微珠的有效成分为硼硅酸盐, 具有较大的折光指数, 同时由于具有中空结构, 内含惰性气体,其导热系数为0.03 W/ ( m•K) ~ 0.05 W/ ( m•K) 。当光线照射到涂膜表面时, 能够通过空心玻璃微珠表面,并在内壁进行多次反射, 从而提高了涂膜对光的反射效率。本文选用的空心玻璃微珠平均粒径为30 Lm,粒径分布为16 Lm~ 60 Lm, 分别在其质量分数为5%、6%、7%、8% 、9% 、10% 、11% 、12%, 膜厚为300Lm 的情况下, 测定涂膜的隔热性能和可见光反射率。
Fig. 1 The Influence of TiO2 Weight Concentration on the Propertiesof Therma-l Insulation
Fig. 2 The Influence of HollowGlass Microspheres Weight Concentrationon the Properties of Therma-l Insulation
从Fig. 2 可以看出, 当玻璃微珠含量为5%时, 涂层下表面温度为48.4 ºc , 相比于普通涂料( 54 ºc) 降低了5.6 ºc , 说明当空心玻璃微珠含量较少时已经具备了一定的隔热效果。增加空心玻璃微珠的含量到8%时, 涂层下表面温度降低到46.5 ºc。继续增加空心玻璃微珠的含量, 涂层下表面温度持续下降, 直至增加到11% 时, 达到最低值43ºc 。继续增加空心玻璃微珠的含量到12%时, 涂层的表面温度不再有明显的变化。此种温度变化趋势可能是由于空心玻璃微珠在涂料中的分布情况不同引起的。当空心玻璃微珠含量为5% 时, 虽然有一定的反射效果, 但是由于含量较低, 在涂层中排布稀疏( Fig.3a) , 无法形成致密的反射层, 光线能够透射穿过涂层直达基底, 因此反射隔热效果有限。随着空心玻璃微珠含量的增加, 玻璃微珠在膜中的排列逐渐致密, 光线通过涂层中致密的空心玻璃微珠层时, 经过多次反射回去, 隔热效果得到显著提高。当含量达到11% 时,玻璃微珠在涂层表面的分布致密程度达到饱和( Fig.3b) , 此时对太阳光的反射率达到最大。继续增加玻璃微珠的含量, 只能增加玻璃微珠在涂层中的厚度, 而对涂层表面的分布不产生影响( Fig . 3c) , 因此涂层的反射隔热效果没有产生明显变化。
