新型环保隔热涂料的研究

杜红波,张琳萍,毛志平,徐　红
　(东华大学生态纺织教育部重点实验室,上海201620)

0　引　言
在纺织印染行业的能源消耗中,热损耗占相当大的比重。因此,研究开发隔热保温涂料,对纺织印染装备进行保温处理意义重大,根据隔热机理和隔热方式的不同,隔热涂料分为阻隔性隔热涂料、反射隔热涂料及辐射隔热涂料三类。阻隔性隔热涂料是通过对热传递的显著阻抗性来达到隔热目的,是目前使用最广的一种隔热涂料[ 1 ]。本文以水性丙烯酸树脂为粘结剂,廉价的无机黏土为主要隔热骨料,配以其他助剂制备了一种阻隔型隔热涂料。该涂料综合了涂料及隔热保温材料的双重特性,与传统保温材料相比,具有导热系数低、保温效果显著、绿色环保、成本低、施工相对简单等优点,特别适用于异型设备如阀门、球体、锥体、旋转体等管道附件和印染设备的保温[ 2 ]。

1　实验部分
1. 1　主要原料
无机黏土;有机硅改性丙烯酸树脂;固化剂;分散剂;水性润湿剂(W – 18 ) ; 水性消泡剂(W – 0506 ) ; 硅烷偶联剂(KH550) 。

1. 2　主要仪器
机械搅拌器;电热恒温鼓风干燥箱;激光粒度分析仪;热重分析仪;扫描电子显微镜;导热系数测试仪;表面热电偶;钢板(9 cm ×9 cm ×0.8 cm)
1. 3　性能测试

1. 3. 1　导热系数
将制备好的涂料涂覆于聚四氟乙烯板表面,低温固化,干燥后将其取下,制备成规定尺寸的薄圆片试样(直径30 mm,厚度1 mm) 。测试前,将试样置于105 ℃鼓风烘箱中处理4.5 h,然后放在干燥器中冷却至室温。参照GB 10295—1988 (绝热材料稳态热阻及有关特性的测定———热流计法) ,采用DRL – Ⅱ型导热系数仪测定试样的导热系数。

1. 3. 2　隔热性能
将涂覆好的钢板试样待完全干燥后,按照图1进行测试。

1—表面热电偶温度计; 2—支撑物; 3—试样; 4—磁力搅拌器;5—磁力搅拌子; 6—油浴; 7—精密控温加热仪
图1　隔热效果测试装置示意图
测试装置体系温度稳定后,将待测试样放于指定位置开始计时,分别在1 min、3 min、5 min、10 min、30 min、60min时记录待测样表面温度(每个数据测6次,取平均值) 。以油浴温度作为钢板内侧温度,涂料外表面温度越低涂料隔热性能越好。

1. 3. 3　热重分析
采用德国耐驰仪器制造有限公司的TG209F1型热重分析仪,对固化后的涂料进行热分析。氮气气氛, 室温扫描至800 ℃,升温速率10 ℃/min。测试前,将样品置于105 ℃鼓风烘箱处理415 h,然后于干燥器中冷却至室温。

2　结果与讨论
2. 1　粘结剂的选择
本文采用水性丙烯酸树脂为涂料粘结剂,减少了使用过程中VOC的排放。另外,普通隔热涂料使用的耐热树脂大多以有机硅树脂为主,涂覆后通常都需要一定的高温固化,限制了涂料的使用范围,并且价格较高。本文采用经有机硅改性的水溶性丙烯酸树脂,不仅可以实现常温固化, 而且降低了成本。这种涂料既具有有机硅树脂的耐高温性、耐紫外性、耐氧化降解性、表面能低、透气性好等优点;同时,又具有丙烯酸类树脂的柔韧性、保光性、高附着性[ 3 ]。

2. 2　隔热骨料的选择
所谓隔热就是最大限度地阻止热量的传递。因此,要求隔热材料应具有较小的导热系数,或由隔热材料组成的保温层具有较高的热阻值。采用低导热系数的隔热骨料是阻隔型绝热材料研制的基本方式。由于常温下静止空气的导热系数为0.023W / (m·K) ,远远低于其他固体的导热系数,所以在材料中引入导热系数极低的无对流空气成为研究的主要方向,这也是阻隔性隔热涂料研制的基本依据[ 4 ] 。本实验选用3种低导热系数的无机黏土为隔热骨料,采用相同的工艺制得3种隔热涂料,其导热系数见表1。
表1　不同涂料的导热系数

　　衡量材料保温隔热程度的参数是热阻R, R = d / λ,其中: d—保温材料厚度,λ—材料的导热系数[ 5 ]。厚度相同的情况下,材料导热系数是其隔热性能的决定因素:导热系数越小,材料的热阻越大,隔热性能就越好;反之,导热系数越大,材料的热阻越小,隔热性越差。从表1可以看出:3#骨料制得的涂料导热系数最小,是最理想的隔热骨料。
2. 3　骨料含量对隔热效果的影响
涂料的隔热保温性能主要由隔热骨料决定,因此涂层固化物中骨料含量对隔热效果有很大影响。本文骨料添加量选定为40%、50%、60% (以涂层固化物中骨料的质量分数计) ,按照相应的制备及涂膜工艺,将涂料涂覆于钢板表面,干膜厚度为3 mm。完全干燥后,测得不同温度下的隔热性能如图2所示。

由图2可以看出,加热时间越长,试样表面温度越高;试样受热60 min后体系的传热过程基本达到平衡,试样表面温度基本稳定。从平衡温度来看,涂料的隔热效果随骨料用量的增加有明显提高。一方面,选用的隔热骨料本身具有隔热空气层,导热系数低;另一方面,涂料在固化成膜过程中,层状隔热骨料进行多级组合排列,形成一层热缓冲层,阻隔了热量的传递[ 6 ]。因此,随着隔热骨料添加量的增加,隔热性能提高。然而隔热骨料的添加量也不是越高越好,添加量过多,骨料之间不能被粉料和基料很好的填充,彼此之间形成较多连通的空隙,造成高温时辐射传热加剧,导致对热量的屏蔽作用减弱[ 7 ]。另外骨料添加量过多会导致涂料机械性能下降,进而影响涂料的隔热性能[ 8 – 9 ]。结合有关文献综合考虑,选定骨料的最佳用量为60%。

2. 4　骨料粒径对隔热效果的影响
固定涂层固化物中骨料含量为60% ,分别选用平均粒径为38μm、17μm、8μm、1μm的骨料按照相应工艺制备涂料。将所得涂料涂覆于钢板表面,干膜厚度3 mm。完全干燥后,测得各涂料的隔热性能如图3所示。

由图3可知,热源温度为50 ℃时,骨料粒径对涂料隔热性能的影响不明显,平衡时最大温差只有2 ℃。随着热源温度的升高,粒径的影响越来越明显。当热源温度为150 ℃时,平衡状态下不同粒径涂料之间的的最大温差达10 ℃。在3种不同的热源温度下,均以添加平均粒径为17 μm的骨料时涂料隔热效果最佳。这是因为,骨料在干燥条件下导热系数与容重的关系,满足式(1) 。
λ = (01039 + 01000 11γ ) ±0101 式(1)
式中:λ—导热系数, kcal/ (m·h·℃) ;γ—容重;
　　1 kcal/ (m·h·℃) = 1116W / (m·K) 。
式(1)表明:干燥条件下,骨料的导热系数与其容重成正比关系。一般来讲,随着粒径的增加,体系的容重减小,由式(1)可知,其导热系数也随之减小,隔热效果增强。但是,当骨料的粒径为38μm时,体系的隔热性反而变差。这主要是因为骨料粒径为38μm时,涂层过于疏松,内部出现相互连通的气孔,如图4所示。流动空气的热对流作用明显增强,导热系数升高,最终导致体系的隔热性变差。

2. 5　最佳涂料配方及其性能
2. 5. 1　最佳配方
通过上述单因子实验,讨论了不同因素对隔热涂料隔热性能的影响规律,得到最佳的隔热涂料配方,见表2。
表2　最佳隔热涂料配方

2. 5. 2　涂料的隔热性能
按照涂料最佳配方重新制备涂料,将所得涂料涂覆于0.8 mm厚钢板表面,涂覆分多次进行,直至涂层干膜厚度为3 mm。低温固化,待涂料完全干燥后,通过自制的隔热装置测试涂料的隔热性能;另取相同规格的空白钢板作为空白样。不同温度下,涂料隔热性能如图5所示。

图5　最佳配方下涂料的隔热性能
　从图5可以看出,内侧温度分别为50 ℃、100 ℃、150 ℃时,涂覆隔热涂料钢板的内外表面温差分别为10 ℃、30 ℃、50 ℃,与空白样之间的温差分别为4 ℃、15 ℃、30 ℃,随着钢板内侧温度的升高,涂料的隔热性能显著提高。热源温度为150 ℃时,隔热效果非常明显。

2. 5. 3　热重分析
采用热重分析仪对隔热涂料进行热重分析试验,结果见图6。

图6　隔热涂料热重分析曲线
从图6分析可知: 180 ℃时,固化涂层的失质量很小,仅为0.98%。这说明温度低于180 ℃时,涂料的热稳定性能优异。由于纺织印染设备的使用温度一般不超过180 ℃,因此,该涂料适用于印染设备的保温。

2. 5. 4　涂料其他性能
按照最佳配方制作涂料,根据相应的国家标准对涂料其他性能进行检测,结果如表3。
表3　涂料的性能测试结果

3　结　语
(1)通过对骨料类型、含量及粒径等因素的讨论,得到最佳的隔热涂料配方。平均温度70 ℃时, 涂料的导热系数0.067W / (m·K) ;在钢板上涂覆3 mm该涂料,可使钢板内外温差达50 ℃,隔热效果显著。
(2)热重分析及耐热性试验表明,该涂料在180 ℃以下具有非常好的热稳定性。此外,该涂料施工相对简单,整体性强,特别适用于印染设备和其他异型设备的保温。
(3)该涂料以水性丙烯酸树脂为粘结剂、以廉价质轻的无机黏土为主要隔热骨料,具有环保、成本低等优点。