耐候型反射隔热涂料的制备及性能

耐候型反射隔热涂料的制备及性能
韩立丹 1, *，陈炳耀1，陈明毅1，陈亮2，罗智斌2
（1.广东三和化工科技有限公司，广东中山 528429；2.广东顺德三和化工有限公司，广东佛山 528325）

由于能源危机和环境问题日益严重，节能减排已迫在眉睫。我国长江以南地区在夏季依靠空调制冷，耗电量大，而使用建筑反射隔热涂料在具有装饰和保护作用的同时可主动反射太阳光的能量，降低建筑物表面及内部的温度，进而减少墙面的热量积累，最终从根本上减少空调的使用，节约能源。
目前国内对反射隔热材料的研究比较成熟。随着国民环保意识增强，涂料由最初的溶剂型转变成水性，但众所周知，水性涂料的耐污性和耐候性不好，加之随着生活水平的提高，人们对涂料色彩的需求呈现多样化，因此如何提高水性隔热涂料的耐候性、耐污性以及色彩的多样化是亟待解决的问题。中国疆域辽阔，气候差异大，耐候性是关乎涂料性能好坏的主要指标，可使其在寒冷、夏热冬冷、温和等多种气候地区都有较好的适用性。耐候性与很多因素有关，如颜料、色浆、基础漆配方等。
本文制备了一系列耐候型反射隔热涂料，采用乳液、色浆、功能性填料三者相结合，通过反射可见光和近红外光来达到隔热目的。添加的填料和色浆在反射隔热的同时也提高了漆膜的耐候性。考察了反射隔热填料、功能性填料和色浆对涂层性能的影响。

1 实验
1. 1 主要原料
丙二醇、杀菌剂、分散剂COATEX PE908，海恩科化工；消泡剂SF-208、增稠剂THIXOL 53L，法国高帝斯；pH 调节剂APM-95，陶氏化学；羟乙基纤维素，亚什兰；舒热盾SP-105C，科德丽化工；近红外反射二氧化钛IR-1000，山东东佳；空心玻璃微珠，3M 公司；纯丙烯酸酯类共聚乳液，陶氏化学；色浆铁红、铁黄、酞青蓝、三原黑，科莱恩公司；水，自制。
1. 2 仪器
小型多功能研磨分散机，莱州银江机械有限公司；SDC-168 STM-IV(B)斯托默黏度计，上海普舜机电科技有限公司；QSP 型ISO 刮板细度计，上海现代环境工程技术有限公司；V-570 分光光谱仪，日本Jasco公司；TMC-FS3 半球发射率测试装置及仪表，东莞绿光新能源科技有限公司。
自制隔热温差测试装置：用硅酸钙板当空白试板，将涂膜模具固定在空白试板上，将涂料倒入模具中搅拌，混合均匀后用钢刮板把表面刮平，一段时间后脱模，在适宜的条件下所得涂膜表面光滑平整，无气泡或裂痕。然后用图1 所示方法测试样板背面的温度，其中灯泡为135 W 碘钨灯，距离30 cm。

1. 3 涂料的制备
称取 20.00%(占涂料总质量的质量分数，后同)去离子水放入反应釜，在300 ~ 600 r/min 下依次投入0.20% ~ 0.50%纤维素、0.15%润湿剂、0.70%分散剂和适量消泡剂；调高转速至600 ~ 1 000 r/min，再依次投入5.00% ~ 25.00%功能性填料和10.00% ~ 20.00%反射隔热材料，继续调高转速到1 200 ~ 1 500 r/min，高速分散10 ~ 20 min。当细度≤40 μm 后降低转速至100 ~ 400 r/min，依次投入0.15% pH 调节剂、0.20%杀菌剂、1.20%成膜助剂、1.50%防冻剂乙二醇、15.00% ~ 25.00%乳液和0.12%增稠剂，分散5 ~ 10 min后即得白色反射隔热涂料。在此基础上加入适量色浆，得到彩色反射隔热涂料。
1. 4 涂层的制备
基材采用符合GB/T 3880.1–2012《一般工业用铝及铝合金板、带材》要求的铝合金板，其表面没有阳极氧化层或着色层。将涂料刮涂在铝合金板表面，干膜厚为0.15 mm，在23 °C 左右，相对湿度50%的条件下养护168 h。
1. 5 表征与性能测试
按照 JG/T 235–2014《建筑反射隔热涂料》中WQ 型测定涂层的太阳光反射比和半球发射率。按照GB/T 9780–2013《建筑涂料涂层耐沾污性试验方法》用粉煤灰污染涂层，然后测试污染后涂层的反射率。
依照GB/T 11186.2–1989《涂膜颜色的测量方法第二部分：颜色测量》测量涂层的L*。按GB/T 1865–1997《色漆和清漆人工气候老化和人工辐射暴露》进行氙灯老化试验，时间250 h，测试人工老化后涂层的总太阳光反射比(TSR)和近红外反射比(NTR)。耐候性和耐光性是指涂层在长时间的户外曝晒、风化后其颜色变化及老化程度，通过测定色差(ΔE)来表征，试验为时12 个月，依照GB/T 1766–1995《色漆和清漆涂层老化的评级方法》评定色差。

2 结果与讨论
2. 1 反射隔热材料对涂层隔热效果的影响
选用近红外反射二氧化钛IR-1000、新型反射隔热材料舒热盾和空心玻璃微珠，探究了这3 种材料对涂层太阳光反射比、半球发射率和隔热温差的影响，结果见表1。

从表1 可知，随着反射隔热材料含量增加，3 种涂层的各指标均呈现上升趋势。随着含量增多，舒热盾和IR-1000 所制涂层的太阳光反射比逐渐达到平衡，当两者在含量较小时，已经具有较好的反射隔热效果，但因含量较低时，反射材料排列不够密集，不足以完全覆盖表面，故反射隔热效果还能进一步提高。含量继续增加，在涂膜表面舒热盾和IR-1000 两种颗粒物逐渐密集，涂膜的隔热效果明显变好，太阳光反射比接近90%。在相同含量下，相比传统的空心玻璃微珠，新型反射隔热材料舒热盾和IR-1000 所制涂层的效果更好，尤其是隔热温差(可看作是太阳光反射比和半球发射率二者叠加后实际隔热性能的表征)。舒热盾是一种新型高分子发射隔热材料，对可见光和红外光具有优异的反射能力，而这两种光占据了太阳光的主要热能，因此其所制涂层的隔热效果好。IR-1000 通过提高在太阳光线光谱红外区的反射强度来降低基材对热量的吸收，能很好地降低物体表面的温度。舒热盾的隔热效果虽略好于IR-1000，但其成本较高，因此在对反射隔热性能要求较高，涂层面积不大的情况下可以选择舒热盾材料。
半球发射率是指热辐射体在半球方向上的辐射出射度与处于相同温度的全辐射体的辐射出射度的比值，其越大越有利于涂层隔热。舒热盾含量为15%时所制涂层的隔热性能已经很好，再增加其含量效果提升不明显。考虑到经济因素，将舒热盾的含量取为15%。
另外，当舒热盾、近红外反射二氧化钛IR-1000 和空心玻璃微珠的含量同取15%时，只有前二者所制涂层的隔热性能符合JG/T 235–2014 中太阳光反射比≥0.8，半球发射率≥0.8，隔热温差>10 °C 的要求，因此在实际生产中可考虑同时加入舒热盾和IR-1000 以提高涂料的反射隔热效果。
3 种涂膜的反射率光谱如图2 所示，可见使用舒热盾和IR-1000 的涂层的反射率明显高于使用空心玻璃微珠的涂层，隔热效果更优异，与上述试验结果一致。

2. 2 填料对涂膜隔热效果的影响
2. 2. 1 填料种类及其用量对涂层反射隔热效果的影响
选取陶瓷微球、硫酸钡、云母粉和高岭土为填料，考察了它们在单独使用时对涂层反射隔热性能的影响。试验条件为：颜料体积浓度(PVC)为45%，填料的粒径为600 目。结果见图3。

由图3 可知，高岭土并不影响试板的平衡温度，其他3 种填料的用量增加，涂层的反射隔热效果逐渐增强。相同含量下，陶瓷微球的效果优于其他3 种，而云母粉又好于硫酸钡。这可能是由填料本身的性质差异所致，具体机理有待进一步研究。
涂料试板背面的温度随陶瓷微球含量增多而降低，但下降趋势慢慢变缓。当其含量为25%时，平衡温度变化趋缓。这是因为陶瓷微球的含量增多，其反射作用随之增强，增加到一定程度时达到饱和，此时反射效果最佳，再增加含量会导致分散性变差。陶瓷微球的添加量以10% ~ 15%为宜。
2. 2. 2 填料粒径对涂层反射隔热效果的影响
影响涂层反射作用的主要因素之一是填料的比表面积，它和填料的粒径息息相关。保持PVC 为45%，填料的质量占涂料总质量的10%，研究了填料粒径对平衡温度的影响，结果列于表2。可见随填料粒径减小，平衡温度呈现先下降后上升的趋势，粒径在600 目时，平衡温度最低，效果最好。这说明粒径过大或者过小都会影响涂层的隔热效果，主要是因为：当粒径过小时，颗粒之间容易形成团聚，起反射作用的颗粒相对减少；当粒径过大时，由于其比表面积减小，单位体积的颗粒就越少，反射隔热效果变差。所以最佳的粒径为600 目。

2. 2. 3 陶瓷微球、云母粉、硫酸钡、高岭土复合使用时对涂层反射隔热性能的影响
采用四因素三水平正交试验L9(34)考察了各种填料复合使用时对平衡温度的影响，结果见表3。由表3 可知，影响程度由大到小排列依次为陶瓷微球、云母粉、硫酸钡和高岭土。得出复合填料的最佳配方为A3B3C1D3，即陶瓷微球16%、云母粉8%、硫酸钡4%、高岭土10%。经试验，采用此配方所得涂层的平衡温度为45.2°C，隔热效果确实比正交试验所有实验组都好。

2. 3 色浆对涂层耐候性和隔热效果的影响
2. 3. 1 调色的基础漆配方
综合考虑以上的试验结果和经济因素，在基础配方(详见1.3)中加入15%舒热盾、16%陶瓷微球、8%云母粉、4%硫酸钡和10%高岭土。
2. 3. 2 色浆的反射隔热性能、耐候性及耐光性
尽管白色涂层的太阳热反射性能较好，但是它不能满足色彩多样性的要求。彩色颜料的可见光反射率限制了其本身的使用范围，应选择红外反射颜料，以增加涂层在红外部分的反射率[3]。表4 列出了具体的调色方案以及涂层性能的测试结果，并将其与表5 列出的JG/T 235–2014 的要求进行比较。

可见所有测试结果均达到JG/T 235–2014 的要求，而色差、变色、粉化等性能符合GB/T 9755–2014《合成树脂乳液外墙涂料》的要求。

3 结论
探究了 3 种反射隔热材料对涂层太阳光反射比、半球发射率、隔热温差等指标的影响，舒热盾和IR-1000 的效果好于传统材料空心玻璃微珠，当二者含量为15%时所得涂层的性能均达到标准要求。
功能性填料的类型以及粒径会影响涂层的热反射性能。其中陶瓷微球的影响最大，高岭土对平衡温度几乎无影响，云母粉和硫酸钡的影响较小，当陶瓷微球含量为16%，云母粉含量为8%，硫酸钡含量为4%，高岭土含量为10%时，涂层的隔热性能最好，为实际生产提供了依据。
用三原色色浆调出了不同明度的黑色、绿色和灰色的涂层，其对应的总太阳光反射比、污染后总太阳反射比变化率、人工老化后的总太阳反射比变化率以及近红外反射率均满足标准要求。