1 引言
隔热涂料广泛应用于建筑、油罐、船舶工业等领域,是一种降低内部环境温度的功能性涂料,根据隔热机理的不同,隔热涂料可分成三类:反射型、阻隔性和辐射型。反射型隔热涂料,顾名思义,就是通过将太阳光反射出
去,从而达到隔热效果。太阳光辐射能量分布主要为[2]:红外区(2.5~0.72μm)约占50% ,可见光区(0.72~0.4μm)约占45%,紫外区(0.4~0.2μm)约占5%,其中,红外区的主要能量分布在近红外区。因此,太阳光的辐射能量主要集中在近红外区和可见光区,也就是说,涂层对可见光和近红外光的反射率越高,涂层的隔热效果越好[3]。目前,根据隔热机理的不同,功能性隔热颜填料主要有空心陶瓷微珠、空心玻璃微珠、二氧化钛、纳米ATO、过渡金属氧化物等。本文以纯丙乳液为成膜物质,以二氧化钛为主要反射隔热颜料,制备一种性能优良的热反射隔热涂料,以太阳光反射比为主要考察指标,研究涂层耐候性对涂层反射隔热性能的影响。
2 实验
2.1 主要原料
纯丙乳液A,巴德富实业有限公司;纯丙乳液B,巴斯夫(中国)有限公司;苯丙乳液C,巴德富实业有限公司;硅丙乳液D,巴德富实业有限公司;钛白粉,科美基颜料有限公司;碳酸钙,广西贺州科隆粉体有限公司;湿润剂、分散剂,美国罗门哈斯公司;消泡剂,迪高化学;成膜助剂、pH 调节剂,陶氏化学公司;增稠剂、防霉剂,美国罗门哈斯公司;水,实验室自制。
2.2 主要仪器
高速分散机,广州标格达实验室仪器用品有限公司;QHQ 涂膜铅笔划痕硬度仪,天津市科联材料试验机厂;氙灯气候老化仪,Atlas;Lambda750S 型分光光度计,PerkinElmer 公司;RD1 型辐射率仪,美国ACH 公司。
2.3 反射隔热涂料及涂膜的制备
反射隔热涂料的基本配方如表1。
按照配方中的量,依次在水中加入湿润剂、分散剂、部分消泡剂,搅拌均匀后缓慢加入颜填料,高速分散20~30min 左右,然后在低速搅拌下加入乳液、成膜助剂、剩余消泡剂、PH 调节剂、防霉剂,增稠剂,调节涂料至合适粘度,过滤,即得反射隔热涂料成品。
将制得的涂料按照GB/T9755-2014《合成树脂乳液外墙涂料》的要求制备漆膜,然后在(23±2)℃,(50±5)%的条件下养护7d。
2.4 测试与表征
2.4.1 太阳光反射比
采用紫外- 可见光- 红外分光光度计测定涂膜的太阳光反射比,测试用样板为100×100×0.8mm 的铝板,涂膜厚度约为60~100μm,涂膜成型后,常温干燥7d 后进行测试。
2.4.2 半球辐射率
采用半球辐射率测定仪测试涂膜的半球辐射率,测试用样板为100×100×0.8mm 的铝板,涂膜厚度约为60~100μm,涂膜成型后,常温干燥7d 后进行测试。
2.4.3 外墙涂料常规性能测试
常规性能测试按GB/T9755-2014 进行,测试样板为无石棉水泥板,规格为150×70×5mm,测量耐人工气候老化前后的太阳光反射比和半球辐射率用100×100×0.8mm 的铝板。
3 结果与讨论
3.1 树脂的选择
成膜树脂是涂料的主要成分之一,树脂对涂膜的最终性能有较大影响,因此,开发一种涂料产品首先应选择一种合适的树脂。对于建筑反射隔热涂料,成膜树脂的选择主要从以下几方面考虑:
⑴具备良好的耐候性,建筑反射隔热涂料主要用于建筑外墙,长时间经受风吹日晒雨淋,因此涂料应具有良好的耐候、耐沾污等性能。
⑵树脂具有较高的透明度,透光率在80%以上,以减少对可见光和近红外光的吸收。
⑶对太阳辐射能的吸收率低,分子结构中尽量少含-C-O-C、-OH、C=O 等吸能基团。本文选择几种市售丙烯酸类树脂乳液,根据基础配方制备涂料成品,并测试其性能,结果如表2。
由表2 的实验结果可以看出,纯丙B 和苯丙C 在600 小时的人工气候老化试验后出现轻微黄变,而硅丙D 的附着力稍差,纯丙A 的各项性能较好,尽管硅丙乳液在耐候性等方面可能会比纯丙乳液占优,综合考虑价格等因素,本文选择纯丙乳液A 作为建筑反射隔热涂料的成膜树脂。
3.2 反射隔热颜料的选择及用量确定
相比其他颜色,白色对太阳光具有较好的反射性能,用于涂料中常见的白色颜料有钛白粉、锌钡白、氧化锌等,而锌钡白、氧化锌的遮盖力远不如钛白粉,钛白粉是目前普遍使用的白色颜料,是制备白色热发射隔热涂料的理想选择。钛白粉分为金红石型钛白粉和锐钛型钛白粉,相比锐钛型钛白粉,金红石型钛白粉具有较好的遮盖力和紫外线吸收能力,能为成膜树脂分担更多的紫外辐射,从而提高涂膜的耐紫外老化性能。本文选用金红石型钛白粉为反射颜料,制备反射隔热涂料,不同钛白粉添加量的隔热涂料热反射性能如表3,钛白粉对隔热涂料的热反射性能影响趋势见图1。
从表3 可以看出,空白样的太阳光反射比为0.64,半球辐射率为0.87,随着钛白粉含量的增加,涂膜太阳光反射比增长明显,说明涂膜反射太阳光的能力得到增强,从图1 可以看出钛白粉添加5%时,涂膜太阳光反射比即有明显增长,而进一步增加钛白粉添加量时,涂膜的太阳光反射比增长缓慢。对于白色涂料,当钛白粉添加量为5%~10%时,涂膜有较好的热反射性能,钛白粉对涂膜的半球辐射率影响不明显。
3.3 人工气候老化对涂膜热反射性能的影响
对不同钛白粉添加量的涂膜进行1000h 的人工气候老化试验,试验后漆膜的性能如表4。
从表4 可以看出,空白样的太阳光反射比下降明显,钛白粉添加量5%的涂膜太阳光反射比也出现下降。漆膜的外观性能基本没有明显变化,空白样涂膜肉眼可见轻微变色粉化。当钛白粉添加量为10%~15%时,涂膜具有较好的耐老化性能,人工气候老化试验1000h 后涂膜热反射性能基本不变。
图 2 为涂膜人工气候老化前后的太阳光反射比,从图2 可以直观发现,老化前,5%的钛白粉即可使涂膜有较好的太阳光反射比,老化后,该涂膜太阳光反射比下降明显,这可能是因为:当钛白粉添加量为5%时,钛白粉没有在涂膜中形成连续的致密结构,树脂在老化试验中受到一定程度的破坏,从而使涂膜老化后的太阳光反射比下降;当钛白粉添加量为10%时,钛白粉在涂膜中分布均匀致密,有效保护树脂,使得涂膜老化前后太阳光反射比基本不变,涂膜外观无明显变化。
4 结论
⑴优选一种高性能的纯丙乳液,以二氧化钛为热反射隔热功能颜料,制备一种反射隔热性能优异,高性价比的热反射隔热涂料,并通过人工气候老化研究二氧化钛对涂层热反射性能耐久性的影响。
⑵结果表明,当二氧化钛添加量为5%时,涂层具备较好的热反射性能,太阳光反射比可以达到0.85,但其耐久性稍差,老化试验1000h 后太阳光反射比为0.79;当二氧化钛添加量为15%时,涂层具备优异的热反射性能及耐久性,太阳光反射比达到0.87,1000h 老化试验后为0.86,基本保持不变。