热反射隔热涂料自然暴露后反射性能试验研究
陈东平1,2,汪文均1,曾洵1 ( 1. 四川省建筑科学研究院,成都610081; 2. 四川省建筑节能与绿色建筑工程技术研究中心,成都610081)
目前,针对热反射隔热涂料的大量研究主要集中在产品配方设计、原料选择、制备方面,而针对热反射隔热涂料长期自然老化及老化后的热工性能和隔热效果鲜有报道,在室外,热反射隔热涂料遭受风雨侵蚀、阳光暴晒、大气环境污染等综合作用会使涂层组分降解、表面积灰,从而使热反射功能减弱,进而影响涂料的使用寿命和节能效果。环境污染和自然老化对热反射隔热涂料的隔热性能的影响非常关键,因此,开展热反射隔热涂料的老化研究是非常必要的。采用人工加速老化的方法仅仅模拟自然气候中的一部分因素,如阳光、温度、湿度、降雨等,无法模拟实际自然老化空气中SO2、CO、NOx、颗粒物等对涂层表面的影响,而这些因素对指导涂料产品应用特别是热反射隔热涂料隔热效果的节能设计是非常重要的。本文以成都市为夏热冬冷地区代表,选取市区某屋面作为自然暴露场,对5 种热反射隔热涂料样品开展了2 a 的研究工作,统计并分析了不同月份自然老化后的涂层热工性能及其影响因素,为今后热反射隔热涂料在墙体和屋面的建筑节能设计和应用提供借鉴。
1 实验部分
1. 1 原料配方及仪器
热反射隔热涂料原材料均为市售,根据主要功能组分和颜色的不同,有A、B、C、D、E 5 种样品,主要配方如表1 所示。
主要分析测试仪器有: 紫外-可见-近红外分光光度计( Lambda950,美国PerkinElmer 公司) 、辐射率仪( AE1,美国D&S 公司) 、精密色差仪( NR110,深圳市三恩时科技有限公司) 、涂层测厚仪( TT260,北京时代山峰科技有限公司) 。
1. 2 样品制备
砂浆板基材( 100 mm×100 mm×10 mm) 应预先用砂纸表面打磨平整,然后用水擦净,等干燥后先涂刷1 道底漆,然后再辊涂3 道热反射隔热涂料,使涂料的干膜厚度达到0. 15 ~ 0. 25 mm; 铝合金板基材( 100 mm×100 mm×2 mm) 应预先用砂纸将表面打磨处理,然后用酒精擦净,等干燥后先涂刷1 道底漆,然后再辊涂3 道热反射隔热涂料,使涂料的干膜厚度达到0. 20~0. 30 mm。选择一种角度,样品水平放置在试样架上自然暴露,每季度每种样品选取3 块样板,每个样块板中再选取2 ~ 3 个点进行检测,数据取平均值作为该样品在该时间点的测试值。取样时间为每个季度最后一周取样,并要求取样时间前一周天气晴好,无明显降雨,如有降雨,顺延一周取样。
热反射隔热涂料样品自然暴露场位于夏热冬冷地区,经度104. 05°,纬度30. 70°的成都市区四川省建筑科学研究院建筑节能所材料检测试验室平屋顶上,场地面积约200 m2,四周无遮挡,外界干扰小,如图1 所示。
1. 3 性能测试
按JG/T 235—2014 测定不同热反射隔热涂料样品的太阳光反射比、近红外反射比、半球发射率; 按GB/T11186. 2—1989 测定不同热反射隔热涂料样品的明度。
2 结果与讨论
2. 1 涂料样品初始性能
5 种热反射隔热涂料的初始性能见表2。
由表2 可见,分别成型在砂浆板和铝合金板的同一热反射隔热涂料样品热工性能基本一致,说明热反射隔热涂料的热工性能与基材种类无关。不同热反射隔热涂料样品的明度越高,太阳光反射比和近红外反射比就越高。太阳辐射光谱中,紫外区( 波长280~380 nm) 和可见光区( 波长380 ~ 780 nm) 具有较高的能量,热量很小,而近红外区( 780 ~ 2 500 nm) 具有较高的热量,能量很小,因此,提高热反射隔热涂料的太阳光反射比和近红外反射比,墙体或屋面吸收太阳辐射的热量就越少,夏季建筑围护结构的隔热效果就越明显。上述不同热反射隔热涂料样品的半球发射率值很接近,基本在0. 8~0. 9 之间。
5 种热反射隔热涂料的初始太阳光反射比变化见图2,因同类型热反射隔热涂料的砂浆板与铝合金板初始太阳光反射比曲线相似,故以砂浆板初始太阳反射比进行绘制。
由图2 可以看出,随着波长的增大,不同颜色体系反射隔热涂料产品的太阳光反射比呈现先增大后减小的趋势。同时,在接近500 ~ 750 nm 波长范围,5种热反射隔热涂料产品的太阳光反射比出现峰值。
不同颜色对太阳光的吸收和反射能力也不同,结合表1 可以看出,白色热反射隔热涂料E 明度93. 92,太阳光反射比最大,平均值达到90. 5%,而黄色热反射隔热涂料D 明度88. 04,太阳光反射比最小,仅为75. 2%。热反射隔热涂料颜色明度是决定太阳辐射反射隔热性能的重要因素,明度越低,太阳光反射比越低,反射隔热涂料的隔热效果越弱。
2. 2 自然暴露后涂层表面变化
热反射隔热涂料暴露于自然环境中时,由于样板表面受外界自然环境污染,特别是大气中SO2、CO、NOx、颗粒物以及雨、雾等污染物的的浸蚀,以及太阳的热辐射,使热反射隔热涂料的涂层质量和外观、太阳光反射比、近红外反射比、半球发射率、明度等性能发生改变,进而影响涂料的耐久性和隔热性能。5 种热反射隔热涂料在砂浆板和铝合金板上不同龄期代表性试样的外观变化如图3 所示,明度变化如图4 所示。
由图3 可以看出,经过24 个月的曝晒后,不同热反射隔热涂料的颜色差异明显,样板表面不同程度地积累了大量灰黑色污染物,随着自然暴露龄期的增加,颜色逐渐变浅、变黑,且砂浆试板和铝合金试板上的B、C 样品出现不同程度涂层龟裂现象,这可能是该产品配方设计中由于空心微珠为轻质材料,同样质量下其体积更大,粒径小,加量过大,颜料体系浓度( PVC) 过高,乳液过少无法完全包裹空心微珠,在自然老化的过程中更容易出现开裂的现象。
由图4 可以看出,随着自然暴露周期的增加,5种热反射隔热涂料的明度都呈减小趋势,变化基本一致。比较同一样品的明度衰减情况,可以发现,相同产品类型的热反射隔热涂料成型在不同基材上时,1 a后、2 a 后的明度衰减变化基本一致,其中A 样品的明度衰减变化最大,2a 后平均衰减达到28%,C 样品的明度衰减变化最小,2 a 后平均衰减为17%,这可能是由于C 样品原材料配比中含有的空心微珠对涂膜的耐候性要比以A 样品中含有的金红石型钛白粉具有显著优越性。
2. 3 自然暴露后涂层厚度变化
热反射隔热涂料自然暴露后,铝合金板样品涂层厚度变化见图5。
由图5 可以看出,随着自然暴露周期的增加,5 种热反射隔热涂料样品的涂层厚度呈增加趋势,变化基本一致。由于A、D、E 样品颜料主要成分为金红石型钛白粉,成型后样品涂层表面光滑,大气污染物质在样品表面吸附现象较弱,因此,涂层厚度的增长变化率较小。B、C 样品颜料主要成分为空心微珠,成型后样品涂层表面手指触摸有粗糙感,乳液包裹的空心微珠颗粒之间存在微小空隙,大气污染物容易吸附在样品空隙处,导致涂层厚度增加。同时,由于B、C 样品在自然暴露的早期即出现开裂现象,裂纹间隙处更容易吸附灰尘和有机物,进一步加剧了涂层厚度的增加,因此B、C 样品要比A、D、E 样品的涂层厚度变化大。
2. 4 自然暴露后半球发射率变化
5 种热反射隔热涂料的样品在不同龄期的半球发射率测试结果如图6 所示。
由图6 可以看出,同一样品在不同龄期的半球发射率基本保持不变,并且与基材类型关系不大,相同热反射隔热涂料样品的半球发射率基本在0. 8~0. 9 之间。
2. 5 自然暴露后太阳光反射比变化
结合以上分析可知,砂浆板和铝合金板基材对热反射隔热涂料热工性能影响不大,故以砂浆板基材为基础,对5 种不同类型热反射隔热涂料样品在不同季度的太阳光反射比性能进行测试,其结果如图7 ~ 11所示。
由图7~11 可知,随着自然暴露龄期的增加,5种热反射隔热涂料的太阳光反射比峰值整体呈减小趋势,特别是在500 ~ 2 250 nm波段变化较为明显,由于暴露龄期的增加,样品表面的污染物逐渐累积,进一步削弱了涂层表面的太阳光反射能力,因而太阳光反射比逐渐降低。但在实际试验中,经过长期规律性测试发现,当取样测试时间靠近降雨过后的几天内,由于雨水对样品表面的清洗作用,减少了表面灰尘颗粒物的积存,太阳光反射比的数值较之前季度的测试结果会略有上升。总体来看,A、C、D、E 4 种热反射隔热涂料在第1 个季度的太阳光反射比下降最大,即第1 个季度的污染最严重,B 样品在第1 个季度太阳光反射比的变化不大,可能是由于B 样品颜色为浅黄色,颜填料对涂层太阳光反射比的变化起到了“遮盖”的作用。
2. 6 自然老化衰减变化
以砂浆板基材为基础,对5 种不同类型热反射隔热涂料样品在2016 年1 月5 日~ 2018 年1 月22 日期间,不同季度的太阳光反射比性能进行测试,并以典型样品的测试值作为代表进行太阳光反射比计算分析。结果如图12 所示。
由图12 可以看出,样品的太阳光反射比随着自然暴露周期的增加,开始逐渐衰减,这主要是由于大气污染物的长期累积、紫外线辐射、昼夜温差变化等导致涂层表面发生变化,降低了热反射隔热涂料的反射性能,5种热反射隔热涂料的太阳光反射比经过24个月的自然暴露后,太阳光反射比的衰减都在35%以上,其中A 和E 样品的衰减在45%以上。同时,由于成都地区降雨频繁,当取样测试时间靠近降雨过后的几天内时,样品太阳光反射比的测试值较之前季度的测试结果略有上升。但由于长期自然老化作用,涂层太阳光反射比整体变化规律是随自然老化周期的增加呈现逐渐降低趋势。
3 结语
通过对5 种热反射隔热涂料在自然暴露24 个月的热工性能进行测试,实验数据和分析表明:
( 1) 随着自然暴露周期的增加,由于大气中SO2、CO、NOx、颗粒物等污染物以及雨水和太阳辐射综合作用,样品涂层表面不同程度地积累了大量灰黑色污染物,涂料样品的明度逐渐衰减,其中A 样品的明度衰减变化最大,2
a 后平均衰减达到28%,C 样品的明度值衰减变化最小,2 a 后平均衰减达到17%,从而可以看出,空心微珠要比以金红石型钛白粉为主要功能的热反射隔热涂料具有更好的保色性。
( 2) 分别成型在砂浆板和铝合金板的同一涂料样品太阳光反射比变化基本一致,热反射隔热涂料自然老化前后的热工性能与基材种类无关,自然老化后,样品半球发射率变化不大,相同热反射隔热涂料样品的半球发射率基本在0. 8~0. 9 之间。
( 3) 5 种热反射隔热涂料的太阳光反射比经过24 个月的自然暴露后,太阳光反射比的衰减都在30%以上,这一变化规律为今后热反射隔热涂料在建筑节能热工设计取值选择提供了技术参考依据。