引言
太阳能是人类生存和生活的必备条件，但强烈的辐射也给工业生产和日常生活带来诸多问题和不便。为适应建筑业、石油工业、运输业、兵器工业等迅速发展，自１９７０年以来，英美日等国陆续开发了相关领域的隔热涂料。在国内，隔热涂料的研究也取得了显著进展。隔热涂料是一种通过阻隔、反射、辐射等机理来降低被涂物内部热量的积累，从而达到节能和改善工作环境或安全等目的功能性涂料，主要包括阻隔型隔热涂料、反射型隔热涂料和辐射型隔热涂料。其中，以反射型隔热涂料有实用价值。但是，目前对于反射型隔热涂料的研究仍然存在着诸多问题：金属表面用反射型隔热涂料基本上还是应用溶剂型体系，需要开发用于金属表面的水性体系反射型隔热涂料；用于制备反射型隔热涂料的反射填料价格普遍很高，造成其成本较高；目前关于涂膜反射光和热的性能还没有标准的测试方法；隔热涂料的隔热性能有待进一步的提高等。因此，本研究的目的是研制一种用于金属表面的水性反射型隔热涂料，在提高其隔热性能的前提下降低成本，使其同时满足隔热、耐候及装饰功能，达到节能环保的效果。
１ 实验部分
１.１ 原材料及主要仪器
水性丙烯酸树脂、水性环氧树脂、水性醇酸树脂均购自北京金汇利应用化工制品有限公司；水性丙烯酸乳液，北京东方永宇高分子制品有限公司；聚氨酯，北京百灵清月聚氨酯厂；黑色瓷漆，昊华精细化工总公司北京涂料分公司；云母、立德粉、重钙、金红石型二氧化钛、二氧化硅、硫酸钡，工业级，北京利国伟业超细粉体有限公司；空心微珠，工业级，北京安吉利安电子工程技术有限公司；自来水、助剂等。高度分散用搅拌装置（自制）；隔热性能测试装置（自制）；KHW-１型数字测温仪，德州市科华电子技术研究所；SWK-２型表面温度计，浙江省慈溪市智能仪器厂；NEXUS６７０型傅立叶变换红外光谱仪，美国NICOLET公司；QCJ型耐冲击测试仪、QHQ型涂膜硬度测试仪、QTX-I型漆膜弹性测定器，北方涂料工业研究设计院；电子天平，空调等。
１.２ 涂料配制
由于本实验要求颜料充分混合，所以采用色浆法。隔热涂料的基本配方如表１所示，其它配方均为在基本配方的基础上改变树脂或颜填料。将自来水中加入分散防沉助剂及颜填料后高速搅拌，然后将用水稀释后的树脂加入并搅拌，加入其余助剂后高速搅拌，后加入空心微珠慢速搅拌。值得注意的是，空心微珠因为容易破碎，所以不能对其进行高速搅拌。因此，待颜料浆与树脂混合完全后加入空心微珠，经慢速搅拌后即可。
１.３ 涂料的性能检测
１.３.１
如图１所示，将涂有隔热涂层的碳钢片放置好，用１００W红外灯进行照射。参考红外灯的功率，照射高度设定为２０CM。实验证明此高度下的环境能有效模仿太阳光的直射环境。待温度达到稳定后，记录试片下层箱内的空气温度。
由于测试结果易受室温影响，因此参考美国军方标准和国外相关文献对标准板进行测试。本试验采用处理后的光亮碳钢片作为标准板，具有简单易行且平行样间性能稳定的特点，并且相关文献中已采用未涂涂层的空白试板作为标准板。此外，为了减少误差，每次进行隔热涂层的测量时都进行标准板的测量，并且标准板的测量与隔热涂层的测量在同一时段进行。
此外，依照美国军方标准MIL-E-４６１３６的规定构建了另一套实验装置，制备黑瓷漆标准板，利用空调将室温调节至（２８.８±１）℃，使用表面温度计测定太阳热反射率以作为对隔热性能的评价。热反射率计算公式如式（１）所示：
式中：ρ 为热反射率，T１ 为黑瓷漆标准板温度，T２为样板温度，T３ 为当时的室温，一般固定在２８.８℃。
１.３.２
耐候性能测试参照GB／T９２７６—１９９６，耐冲击测试参照GB／T１７３２—９３，涂膜硬度测试参照GB／T６７３９—１９９６，涂料柔韧性能测定参照GB／T１７３１—９３，涂膜厚度测定参照GB１７６４—７９。
２ 结果与讨论
２ 结果与讨论
２.１ 隔热性能检测方法的确定
对于涂料隔热性能的测试，目前还没有相应标准。一般采用两种方法：一是测定涂层的反射光谱，观察其光谱区域是否有高的反射率；二是直接测定，主要参照了美国军方标准，比较红外灯照射下（或阳光辐射下），反光涂层和其它涂层下表面的温度。直接法被认为更有说服力，也容易实现，所以本实验主要使用直接法对隔热性能进行测试。试样制作方法及试验装置如图１所示。
需要说明的是，采用如图１所示自制设备测试隔热性能虽然具有简单易行的特点，但不能用来测量热反射率，只能起到在本课题范围内快捷地筛选出配方的作用。相比此法，美国军方标准MIL-E-４６１３６虽然操作复杂且对实验条件要求较高，但能测试出具有权威性的热反射率。因此，本文依照美国军方标准的规定构建了另一套实验装置，测定太阳热反射率以作为对隔热性能的评价。
需要说明的是，采用如图１所示自制设备测试隔热性能虽然具有简单易行的特点，但不能用来测量热反射率，只能起到在本课题范围内快捷地筛选出配方的作用。相比此法，美国军方标准MIL-E-４６１３６虽然操作复杂且对实验条件要求较高，但能测试出具有权威性的热反射率。因此，本文依照美国军方标准的规定构建了另一套实验装置，测定太阳热反射率以作为对隔热性能的评价。
２.２ 基料的选择
基料是构成隔热涂料的重要组成部分，其性能与涂料的力学性能、防腐性能及施工应用紧密相关。近几年来，应用于隔热涂料的基料主要有：丙烯酸树脂、环氧树脂、醇酸树脂、丙烯酸乳液、聚氨酯等。实验过程中，将以上不同树脂或乳液配制成的清漆均匀地涂刷在试片上。为了方便对比，这些清漆均采用相同的固含量，并且其它实验条件均相同。经过测试，含不同种基料的涂层间的下层温度相差仅１℃，基料种类的差异对涂料隔热性能的影响较小。其中丙烯酸树脂由于透明性好，折射系数较低，涂层的隔热性能也相应较好。此外，丙烯酸树脂本身因不含吸热基团，具有极好的耐水性、抗渗性、耐候性、柔韧性和与基层的粘接强度；其次，丙烯酸是单组分的，方便施工。被选取的丙烯酸树脂是水性的，能更好适应环保的趋势。综合上述条件，本实验主要采用水性丙烯酸树脂为成膜物。
２.３.１
衡量红外热反射涂层反射红外线的能力用散射率来表示，散射率越高，反射红外线的能力越强，散射率m定义如下：
m＝np／nR（２）
式中，np为颜料的折射系数；nR为基料的折射系数。由式（２）可知，要得到高散射率，必须采用折射系数高的颜料和折射系数低的基料，即颜料和基料的折射系数的差值越大则涂层对太阳光的反射就越强。一般采用基料的折射系数为１.４５～１.５，故基料种类的差异对涂料隔热性能的影响较小。与之相比，颜填料的折射系数存在较大的变化范围。在基料一定的条件下，由于折射系数大，金红石型二氧化钛对红外线的散射率高。另外，根据辐射降温原理，如果物体在“大气窗口”范围内的辐射能力强，就能把物体的热量辐射到外层空间去，从而达到降温的目的。本课题选用的云母粉、滑石粉和沉淀硫酸钡等填料在８～１３μm这一“大气窗口”波段内存在较强辐射散热能力。功能性填料在太阳热反射隔热涂料的制备中具有十分重要的作用，本研究选用空心陶瓷微球作为功能性填料。空心陶瓷微球可在涂层内形成一道由空心微珠组成的真空腔体群，形成有效的热屏障，起到隔热效果。
２.３.２
二氧化钛有三种晶形，即板钛矿型、锐钛矿型和金红石型。三种晶形中，金红石二氧化钛热力学上稳定。涂料体系中常用的为后两者。其中，金红石型二氧化钛具有更高的折光指数，并且对可见光有强烈的反射，所以隔热效果好。不仅如此，二氧化钛还是遮盖力强的颜料之一。由实验数据及经验可得到，钛白粉是热反射涂料中必要的颜料。因此，试验初步选定金红石型二氧化钛为颜料之一。以水性丙烯酸树脂为成膜物，分别加入不量的金红石型二氧化钛制成涂料。将其分别涂于试片上并待实干后进行隔热性能测试。测试结果如图２所示。可以看出，随着二氧化钛在涂料中含量的逐渐增加，涂层隔热性能逐渐提高。当添加量达到４０％后，下层温度降低程度有所变缓。考虑到经济因素，４０％的添加量被认为是较为适合的。
２.３.３
配方中选用的空心陶瓷微球由二氧化硅和三氧化二铝组成，中空，内含氮和二氧化碳等惰性气体，与陶瓷的组成相类似。所用空心微球除了可组成的真空腔体群，起到隔热效果外，还具有耐酸碱、抗辐射、阻燃、绝缘、吸油率低、无毒以及填充率高和流动性好等优点。以水性丙烯酸树脂为成膜物，分别加入不同量的空心陶瓷微球制成涂料。将其分别涂于试片上并待实干后进行隔热性能测试。测试结果如图３所示。可以看出，随着空心陶瓷微球在涂料中含量的逐渐增加，涂层隔热性能逐渐下降。由于空心陶瓷微球本身呈灰色，所以随着其加入量的增加涂层颜色迅速加深而吸收大量热量。因此，要充分发挥空心微球的隔热效果，必须将其与遮盖力强的白色颜料搭配使用。
２.３.４
由实验数据及经验可得到，钛白粉是热反射涂料中必要的颜料。因此，试验初步选定金红石型二氧化钛为颜料之一。以水性丙烯酸树脂为成膜物，分别以不同的填料与二氧化钛配比制成涂料。将其分别涂于试片上并待实干后进行隔热性能测试。测试结果如图４所示。
