提高反射隔热涂料性能和质量方法探讨

陈中华

(华南理工大学材料科学与工程学院)

摘要:基于国家对节能环保型绿色建材的大力推广,建筑反射隔热涂料的应用越来越广泛,但是目前市场上的反射隔热涂料性能和质量参差不齐,对行业的健康发展造成了很大的负面影响.因此,结合我们的研究成果对影响反射隔热涂料性能和质量的因素进行了总结分析,以期对反射隔热涂料行业的进步有所帮助.

关键词:反射隔热 空心玻璃微珠 纳米ATO

0 前 言

能源的不可再生性使其成为影响世界发展的重要问题,而建筑住房的不断增多使得节能材料在建筑行业的运用日益广泛。尤其是在我国,建筑物大多都是高能耗非节能型建筑,单位建筑面积能耗大概占发达国家单位建筑能耗的3倍左右,这给我国的经济持续健康稳定发展带来很大的制约。因此,2013年国务院发布《绿色建筑行动方案》,要求切实抓好新建建筑节能工作,大力推进既有建筑节能改造,开展城镇供热系统改造,推进可再生能源建筑规模化应用,加强公共建筑节能管理,加快绿色建筑相关技术研发推广,大力发展绿色建材;并且我国在“十二五”绿色建筑和绿色生态城区发展规划中明确提出推动绿色建筑发展,党政机关、大型公共场所2014年起率先执行绿色建筑标准,并引导商业房地产开发企业建设绿色住宅小区,同时加快既有建筑节能改造。建筑反射隔热涂料作为一种使用方便、价格实惠、节能高效的绿色建材,近年来越来越广泛地被运用在绿色节能建筑中。

建筑反射隔热涂料主要通过提高涂膜的太阳光反射比、增大涂层的热阻以及提高涂层的红外辐射率等途径来降低建筑物内外表面及内部的温度,从而减低空调、风扇等制冷设备的使用,节约能耗。因此,理想的建筑反射隔热涂料必须满足以下条件:(1)除隔热性能以外的其他性能满足并优于传统外墙涂料;(2)在200~2 500 nm波长范围内的,对可见光和近红外光有较好的反射比;(3)涂层的导热系数必须较低;(4)在8~13.5 μm远红外波段内具有较高的辐射率。本文主要是对近年来在建筑反射隔热领域的研究成果进行一定的总结,概括出影响反射隔热涂料性能和质量的因素,以期能够对于反射隔热涂料性能和质量的提高有一定的参考价值。 

1 树脂种类对于反射隔热涂料性能影响

对于反射隔热涂料用乳液(树脂),首先必须满足对太阳光的吸收率尽可能小。表1列出了几种涂层的太阳光热吸收率,可以发现,在使用TiO2颜料基础上,各种树脂的吸收率差别不大,并且各种树脂的折光指数都在1.45~1.5,差别很小。因此,我们可以认为树脂的种类对于反射隔热涂料的热反射性能影响很小。

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另一方面,反射隔热涂料作为一种功能性的外墙涂料,其树脂的种类对于涂层的耐候性、耐沾污性、热反射性能的稳定性及涂层的使用寿命存在决定性的影响。在常用树脂中,环氧树脂因它的环基团和环氧基团易致黄变而很少用于外墙涂料,有机硅树脂聚氨酯树脂由于价格较高同样未能成为外墙隔热涂料的最佳选择。因此,在参考文献[1]中选择了4种不同的丙烯酸类树脂,考察了不同丙烯酸类树脂对于涂膜性能的影响,结果如表2所示。

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由表2测试结果可以看出,苯丙乳液B和弹性乳液D制成的涂膜经600 h紫外加速老化仪照射后出现轻微黄变,且弹性乳液D由于柔性链段的存在导致硬度较低,耐沾污性能差;硅丙乳液C由于疏水硅链段存在导致附着力稍差;纯丙乳液A具有较高的硬度和优异的附着力,制成的涂膜耐沾污性能最好。因此,从附着力、硬度、耐洗刷性、耐老化、耐沾污等方面综合考虑,纯丙乳液A作为反射隔热涂料的树脂是最优的选择。 

2 颜填料种类对反射隔热涂料性能影响

颜填料种类对于反射隔热涂料的性能具有很大的影响,尤其是热反射性能,并且颜填料对涂层热反射性能的影响一直是反射隔热涂料领域研究的重点。经过研究发现,高折光颜料是反射隔热涂料配方中不可缺少的颜料,其中,金红石型钛白粉以2.80的高折光指数成为了反射隔热涂料的首选。此外,隔热功能填料在反射隔热涂料配方中也有非常重要的意义。近年来,隔热功能填料取得了很大的进展,从几年前的空心玻璃微珠占统治地位逐渐呈现出各类反射隔热粉、空心玻璃微珠、辐射粉体、纳米粒子等功能填料竞相发展的格局。

2.1 普通隔热功能填料对反射隔热涂料性能影响

2.1.1 空心玻璃微珠种类和用量对反射隔热涂料隔热性能影响

在含空心玻璃微珠的反射隔热体系中,空心玻璃微珠种类对于隔热涂料的隔热效果具有很大的影响,本实验室分别选择了粒径不同的空心玻璃微珠K1和S38,比较了采用二者制备的隔热涂料隔热效果,结果如图1所示。由图1可知,粒径更大的K1制备的隔热涂料隔热效果更好,这是因为单位体积内由粒径更大的空心玻璃微珠制备的涂层具有更多的空气腔,涂层的导热系数更小。

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除了空心玻璃微珠种类对隔热涂料隔热效果有影响外,空心玻璃微珠的用量同样会对隔热涂料隔热效果产生作用,参考文献[2]中对其进行了考察。按照空心微珠占配方总质量分数的3%、5%、8%、10%制备,相应标注为1#~4#,标注涂刷普通外墙涂料的样板为0#。隔热性能测试结果如图2所示。由图2可以看出,随着Kl添加量的增加,涂膜导热系数降低,涂膜的隔热能力获得了较大改善。当Kl为10%(质量分数)时,底板温度为49 ℃,相比0#普通外墙涂料低15 ℃.

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2.1.2 各类隔热功能填料隔热效果比较

在参考文献[1]中比较了热反射粉A、空心玻璃微珠及闭孔珍珠岩三者的隔热效果,结果如表3所示。可以看出热反射隔热粉作为隔热功能填料制备的隔热涂料隔热性能更优,并且该体系制备的涂料施工方便。因此,建议对隔热功能填料的研究逐步转向特种热反射隔热粉的开发和利用。

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2.2 体质颜料对反射隔热涂料性能影响

绢云母广泛应用于涂料工业中,它能够增加涂膜的阻隔性能,能够防止紫外线穿透涂膜。绢云母粉体具有片层结构,具有一定的厚径比,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。因此,绢云母对涂膜的反射隔热能力同样可以产生一定影响,本实验室对该理论进行了实验验证,也比较过超细硫酸钡和绢云母的隔热效果,发现绢云母在一定程度上能够提高提高涂层的隔热性能,并且性能优于超细硫酸钡体质颜料。在仅含TiO2的涂料中将绢云母按照质量分数为9%、11%、13%、15%、17%的比例添加,分别标为1#~5#,标注普通外墙涂料为0#,所得的涂膜隔热能力如图3所示。

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由图3可见,绢云母对涂膜隔热效果有较明显的影响,在绢云母添加量为11%时,涂膜的隔热性能最优,相比普通外墙涂料温差为7 ℃。用量低于11%时,随着绢云母添加量的增加,涂膜隔热性能相比普通外墙涂料有一定提高。但是当绢云母的量超过11%时,涂膜隔热性能反而会存在下降趋势,因为随着绢云母用量增加,单位体积内的钛白粉数量下降,涂膜的太阳光反射能力下降造成隔热性能下降。因此,体质颜料绢云母在隔热涂料中的添加量应该适中,找到在配方中的最佳用量,研制出最优性价比的隔热涂料。
2.3 纳米粒子对反射隔热涂料性能影响

具有屏蔽红外光和紫外线的纳米粒子在反射隔热涂料中具有很好的发展前景,目前已经证明能够提高反射隔热涂料隔热性能的纳米粒子包括纳米氧化、纳米氧化锆、纳米ATO、纳米ITO等。本实验室对这些材料在反射隔热涂料体系中的应用有过较系统的研究,其中纳米ATO的应用最为引人关注。在参考文献[3]中,优选纳米ATO粉体并制备不同质量分数的ATO浆料,并将制备好的纳米ATO浆料添加到涂料中,隔热性能测试结果如图4所示。

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由图4可见,当纳米ATO浆料的质量分数小于10%时,涂层的隔热性能随着纳米ATO浆料添加量的增加而提高,质量分数达到10%时,涂层的隔热性能达到最佳;而ATO粉体本身呈现蓝灰色,当ATO浆料质量分数超过10%时,涂层呈现明显的蓝黑色,对太阳光辐射能量吸收能量增强,涂膜的隔热性能反而下降。因此,ATO粉体自身的近红外光反射能力会与涂层颜色的热辐射吸收能力构成竞争效应,应用ATO粉体时,用量必须控制在合理的范围内,保证在应用ATO粉体时,涂膜对太阳光的反射能力大于涂膜对太阳热辐射的吸收能力。

3 增稠剂体系对反射隔热涂料质量影响

由于空心玻璃微珠为轻质填料,密度较低,以空心玻璃微珠为基础制备的隔热涂料在贮存过程中空心玻璃微珠有一定的上浮,导致空心玻璃微珠在表面累积并产生结皮,贮存稳定性存在问题。在研究过程发现通过提高体系的黏度并不足以保证在以空心玻璃微珠为基础制备的隔热涂料良好的贮存稳定性,反而是不同类型增稠剂的搭配对于涂料的贮存稳定性影响更大。分别选择了中高剪切、低剪切聚氨酯增稠剂A1、A2,与不同种类的防沉剂搭配,考察了它们对以空心玻璃微珠为基础制备的隔热涂料贮存稳定性的影响,结果如表4所示。由表4可以看出,增稠剂的种类和涂料黏度相比,增稠剂的种类对于以空心玻璃微珠为基础制备的隔热涂料贮存稳定性影响更大。其中,低剪切聚氨酯增稠剂对于空心玻璃微珠体系的稳定性具有更加积极的影响,并且该体系的稳定性与防沉剂的种类关系密切。

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4 空心玻璃微珠添加工艺对隔热涂料性能影响

空心玻璃微珠抗压强度较低。在高速分散时随二氧化钛等颜填料加入,会造成微珠的大面积破碎。如果在涂料制备的最后阶段,分次逐步添加,则能够有效地保护微珠,使其在涂膜中形成紧密的排布层。高速分散后的含空心微珠涂膜与后期低速加入微珠形成涂膜的电镜照片如图5、图6所示。同时测定了两种不同添加工艺涂层的隔热效果,结果显示高速分散后的涂层隔热性能大幅度下降。这主要是因为空心玻璃微珠大量破碎,造成涂膜内反射填料的减少;同时破碎的空心玻璃微珠导热系数明显增大,导致涂膜的热阻减小,隔热效果变差。

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5 结 语

(1)反射隔热涂料中树脂的选择至关重要,尽管树脂对于隔热性能影响很小,但是树脂对于涂料的耐候性、耐沾污性、热反射性能的稳定性及涂层的使用寿命存在决定性的影响。

(2)目前市场上反射隔热粉已经非常普遍,因此,对于反射隔热粉的应用研究及开发更多性能更好的反射隔热粉将成为下一阶段反射隔热涂料的研究重点。

(3)在含空心玻璃微珠的反射隔热涂料体系中,空心玻璃微珠的种类、用量、添加工艺及增稠剂体系的选择搭配都对反射隔热涂料的性能和质量具有一定的影响,应多加注意。

(4)对于添加纳米粒子的反射隔热涂料体系,尤其是添加纳米ATO这类蓝灰色的填料,一定要注意纳米粒子的添加量及纳米粒子的充分分散。否则,不仅不能充分发挥纳米粒子的隔热作用,还有可能对涂料的性能造成负面影响。


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