多功能水性纳米复合建筑隔热涂料的制备
李小兵１ 周顺清２ 余桂英１ 甘 强２ 张幸福１ 田建文２（１．南昌大学机电工程学院，南昌３３００３１；２．南昌大学理学院，南昌３３００３１）
目前，我国建筑物绝大多数还是高能耗非节能型建筑。建筑物在使用期间，采暖、空调、通风、热水供应等方面消耗了大量的能源，约占人类能源消耗的３０％～４０％。因此，建筑节能已成为国内外建设节约型社会和循环经济的重要内容。隔热涂料用于建筑物表面以达到降低建筑物内部温度，达到减少能源消耗目的。
目前建筑隔热涂料按作用机理分为阻隔型、反射型和辐射型隔热涂料等三种类型。而理想的隔热涂料是具有３种隔热机理协同作用的隔热涂料，使之成为一个完整的隔热体系，以获得良好的隔热效果。此外，随着纳米材料制备技术的发展和高性能纳米材料的不断涌现，在涂料中添加适量的纳米材料，可使涂料综合性能得到很大的提升。二氧化钛纳米晶与空心玻璃微珠复合涂料反射率高于８５％。水性聚氨酯涂料将聚氨酯涂膜的硬度高、附着力强、耐腐蚀、耐溶剂好等优点与水性涂料的低ＶＯＣ含量相结合。本研究以水性聚氨酯为成膜剂，以分散良好滑石粉为填料，高反射的金红石型二氧化钛、空心玻璃微珠为隔热功能颜填料，加上高辐射性能的绢云母，经高速分散提高纳米填料在涂料中的分散性，制备具有三种隔热机理协同作用的多功能水性纳米复合保温隔热涂料。
１ 实验部分
１．１ 原材料
聚氨酯，泰兴中纺助剂厂；分散剂，深圳海川化工科技有限公司；消泡剂、润湿剂，国药集团化学试剂有限公司；ｐＨ 剂，南昌鑫光精细化工厂；防腐剂，江西核工业实验化工厂；空心玻璃微珠，中钢集团；成膜助剂，广州宣宁化工科技有限公司；增稠剂，天津市福晨化学试剂厂；超细滑石粉，南昌白云药业有限公司；纳米金红石型二氧化钛（６０ｎｍ），阿拉丁试剂上海有限公司。
１．２ 仪器
ＧＳ２８－Ｂ电子恒速搅拌器，线棒涂布器，隔热膜温度测试仪，Ｑｕａｎｔａ２００Ｆ扫描电子显微镜，反射率测定装置。
１．３ 隔热涂料的制备
按比例加入蒸馏水、超细滑石粉、分散剂、润湿剂、消泡剂和防腐剂等助剂，然后添加绢云母、金红石二氧化钛后，采用电子恒速高速分散仪转速２８００ｒ／ｍｉｎ对其进行高速分散０．５ｈ，然后降低转速到５００ｒ／ｍｉｎ，再添加聚氨酯、成膜助剂和空心玻璃微珠，ｐＨ值调节至８～９，增稠剂调节黏度至合适，继续搅拌１０ｍｉｎ后，静置３０ｍｉｎ，备用。实验中所用原料与配方比例见表１。
１．４ 施工工艺
（１）玻璃基材的处理：首先清除玻璃表面灰尘及污垢，在１０％ＮａｏＨ溶液中浸泡２ｈ，取出用清水洗净，烘干，备用。（２）涂料涂刷：将制备好的涂料用线棒涂布器涂刷在指定规格的玻璃基材上，涂刷完毕后，室温下放置干燥保证涂膜中水分和有机添加剂充分挥发，再放入烘箱固化。
１．５ 测试与表征
涂料隔热性能测试，用２０ｃｍ×１６ｃｍ×０．４ｃｍ 规格玻璃，采用隔热膜温度测试仪，按照国标ＧＢ／Ｔ９７５５－２００１进行测试，通过涂膜玻璃和未涂膜玻璃进行对照，隔热相对温差作为涂料隔热效果的衡量标准。用环境扫描电子显微镜观察纳米填料在涂料中的分散情况。
２ 结果与分析
２．１ 绢云母含量对涂料性能的影响
绢云母作为功能性填料（体质填料）可以增加涂膜的丰满度，能够防止紫外线穿透而改变涂膜的耐候性及耐热性。绢云母易于成有序定向排列，易产生消光效应，可以阻挡可见光，也能屏蔽紫外线和红外辐射，理论上还可以阻挡微波。由于绢云母良好的光学性能，因此它对涂膜的反射隔热能力同样可以产生一定影响。表２所示为绢云母按含量质量分数８％、９％、１０％、１１％和１２％的比例制备涂料涂膜的隔热性能。
由表２可知，绢云母对涂料隔热性能有明显影响。随着绢云母含量的增加，涂膜隔热性能逐步提高，涂刷效果也越来越理想。但当绢云母含量达到１０％左右时，随着绢云母添加量的增加，涂膜隔热性能没有得到相应的提高，逐步稳定在一定的水平，涂刷效果也变得不理想。综合考虑，绢云母佳含量为１０％（质量分数，下同）。
２．２ 绢云母与空心玻璃微珠复合涂料性能分析
隔热型颜填料目前使用多的是空心玻璃或陶瓷微珠。空心玻璃微珠除了具有反射光和热辐射的效果之外，还能利用其中空、质轻、热导率低的特点，起到阻隔热量的目的，提高涂膜隔热性能。此外，空心玻璃微珠具有导热系数小、堆积密度小等优点，用少量空心微珠即可达到良好的隔热效果；表面积小，大量添加而黏度保持在可接受的范围；耐久性、耐候性和耐腐蚀性优良。空心玻璃微珠是细微粉末在高温气流中悬浮熔融或者熔体在高压气流中雾化后，由于自身的表面张力凝聚形成的微珠，具有隔音、隔热和绝缘的特性。实验中选择空心玻璃微珠（粒径约为５０μｍ）为反射隔热填料。在绢云母１０％优添加量的基础上，改变空心玻璃微珠的含量（质量分数）分别取为３％、４％、５％、６％和７％，制备对比样品的涂料隔热性能见表３。
由表３可知，涂料隔热性能随着空心玻璃微珠含量的增大而增大，在４％到５％的范围内隔热差增大明显，之后隔热性能变化不大，且涂刷效果也是５％较为理想。这是因为随着空心微珠添加量的增加，涂膜比重逐渐减小，隔热性能提高；然而空心微珠添加量必须适量，过多会导致涂料成膜能力降低，对微珠不能充分包覆，涂料流平性能降低，涂层光滑度受影响，涂层机械性能也下降。所以，综合经济效率和隔热效果，空心玻璃微珠佳含量为５％。
２．３ 绢云母、空心玻璃微珠与二氧化钛复合涂料性能分析
金红石型二氧化钛的折射率为２．７６，是所有白色颜料中折射率大的一种，遮盖力也佳，可以达到２３．６ｍ２／ｋｇ。在绢云母（１０％）和空心玻璃微珠（５％）的佳添加量情况下，改变金红石型二氧化钛的质量分数分别为４％、５％、６％、７％和８％，制备对比样品，其隔热性能对比如表４所示。从表４可以看出，随着金红石二氧化钛含量的增加涂膜隔热率提高，但当达到６％ 之后，不再提高，此时隔热温差可以达到１４．０℃，隔热率接近９４％。因此综合涂刷效果和经济性，金红石型二氧化钛佳含量为６％。
２．４ 涂膜厚度对涂料性能的影响
为使隔热涂料达到理想的隔热效果，必须使涂膜具有一定厚度。国内外的各种涂料基本上都要求厚度在３００μｍ 以上，厚度不仅会对隔热性能产生重大影响，对施工工序及成本控制也会带来一定问题。为确定涂料施工膜的佳厚度，分别涂刷了２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍ 和６００μｍ 厚度的涂膜，测试其隔热性能见图１。从图１ 可以看出，涂膜厚度４００μｍ之前，随着涂膜厚度的增加其隔热性能提高，若继续增加涂膜厚度，涂膜隔热性能不再提高，这是因为在涂膜厚度很小时，热导率随涂抹厚度的增加而迅速降低，当涂膜达到一定厚度时，增加涂膜厚度对涂料隔热效果没有改善。由此可见，通过增加涂膜厚度来达到增强涂料隔热性能目的，只能再涂膜厚度相对小的情况下实现。因此，为了达到佳隔热效果且经济，涂膜厚度为４００μｍ理想。
２．５ 涂膜表面微观结构
２．５ 涂膜表面微观结构
通过环境扫描电子显微镜观察涂膜表面，如图２。从图２中可以看到，绢云母成片状分布在涂膜中，不仅可以发挥遮盖力和反射隔热效果，还可以将颗粒表面凹凸处填平，改善涂膜表面形貌，提高涂层耐水性。空心玻璃微珠分散在涂膜中，二氧化钛包覆在空心玻璃微珠表面，空心玻璃微珠的反射太阳光、阻隔热量和二氧化钛的折射太阳光、遮盖力，两者隔热效果有机结合进一步增强了涂膜的隔热性能。
２．６ 涂层隔热性能对比
对所研制的含绢云母、空心微珠、二氧化钛复合型水性纳米隔热涂料与某进口隔热涂料、某市场售外墙涂料、反光铝粉涂料进行隔热性能对比试验，结果见表５。
表５结果表明，所研制的含绢云母、空心微珠、二氧化钛复合型水性纳米隔热涂料的隔热保温性能优于反光铝粉涂料、优质外墙涂料以及某进口涂料，具有优质价廉的特性。
３ 结论
（１）绢云母具有较高的辐射隔热效果，其佳用量（质量分数）为１０％；空心微珠为高反射隔热填料，随着空心微珠添加量的增加，隔热性能提高，而过多空心微珠会导致涂料机械性能下降，其佳用量为５％；金红石型二氧化钛是性能好的反射填料，其佳用量为６％。
（２）该含绢云母、空心微珠和二氧化钛复合型水性纳米隔热涂料佳涂刷厚度为４００μｍ，隔热温差可以达到１４．０℃，涂料优隔热率达到９４％以上，要远高于单一绢云母涂层隔热率７４％和绢云母和空心微珠复合型涂层隔热率８６％。
（３）绢云母／空心微珠／二氧化钛复合型水性聚氨酯涂料的隔热性能优于国内同类产品，具有很好的应用价值和市场开发前景。
（３）绢云母／空心微珠／二氧化钛复合型水性聚氨酯涂料的隔热性能优于国内同类产品，具有很好的应用价值和市场开发前景。
