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建筑外墙隔热涂料是一种新型功能性涂料, 它能够有效地削弱热量传递, 增强建筑的保温性能。隔热涂料根据隔热原理的不同可分为添加隔热填料从而降低涂层导热系数的隔热型涂料, 反射太阳光辐射降低墙体温升的反射型涂料, 将吸收太阳光辐射利用红外窗口再次辐射出去的辐射型涂料。由于建筑外墙涂料涂层厚度的限制, 仅改变涂层的单一热量传递性能不能使涂层的隔热性能得到大
的提升, 应用受到极大限制。复合两种以上隔热机理的复合型隔热涂料在多种隔热机理的协同作用下大幅提高建筑外墙隔热保温性能, 使建筑外墙复合隔热涂料应用于工程实际成为可能。目前, 复合隔热建筑外墙涂料的研发已成为建筑节能技术的研究热点。金红石型钛白粉是一种折射系数高, 结构稳定, 耐候性优良的白色颜料。添加到涂料中能有效提高涂层的反射率, 从而提高涂层隔热效果[ 1] 。硬硅钙石一般呈针状或纤维状, 这些纤维互相交生、连生, 相互缠绕形成具有类似鸟窝结构的直径一般为十几到几十个微米的中空二次粒子。将硬硅钙石作为隔热填料制备涂料可以在涂层中引入大量微气孔, 降低涂层的导热系数, 从而提高涂层隔热效果。本文分别研究了金红石型钛白粉作为反射功能填料和超轻硬硅钙石硅酸钙作为隔热填料对建筑外墙苯丙乳胶涂料隔热性能的影响。进一步研究了金红石型钛白粉和超轻硬硅钙石协同提高涂层综合隔热、保温性能的作用。
1- 实验方法
1. 1- 实验原料
实验原料: 硬硅钙石(自制, 动态水热合成法活性料浆) ; 苯丙乳液( SD-800); 钛白粉( R-902) ;润湿剂( SD-200) ; 分散剂( SD-101) ; 成膜助剂( SD-505); 增稠剂: ( SD-301) ; 消泡剂( SD-202) ; 防霉剂( SD-100); 流平剂( KX-2020); 乙二醇(分析纯)。
1. 2- 实验方法
1. 2. 1- 乳胶涂料的制备
将硬硅钙石活性料浆(用量以固体含量计)、钛白粉、滑石粉、轻钙、重钙、润湿剂(配方量的1 /2)、分散剂(配方量的1 /2)和消泡剂于烧杯中混匀, 再经机械分散和超声波分散后制得料浆。将制得的料浆加到苯丙乳液中, 再加入分散剂(配方量的1 /2)、润湿剂(配方量的1 /2)、乙二醇、消泡剂、成膜助剂、防霉剂、流平剂等, 通过机械分散调配漆液, 最后加入适量的增稠剂制得钛白粉与硬硅钙石复合水性外墙乳胶涂料。涂料配方见表1. 涂料的固含量通过调整轻钙、重钙、滑石粉的掺量保持恒定。
1. 2. 2- 涂层隔热性能表征
选取150 mm x70 mm x5 mm 的标准石棉水泥板, 按GB9271(色漆和清漆标准试板) [ 3] 进行表面处理。按GB9755 (合成树脂乳液外墙涂料) [ 4 ]涂刷隔热涂料制得待测试板。参考美国军标M IL-E-46117 [ 5 ] 自制涂层隔热性能测试装置[ 6] (见图1). 每个试板测试窗正上方安置一个275W 红外灯, 模拟日光照射。灯与板之间的距离为300mm.
1. 275W 防爆红外灯2. 试板测试窗3. 聚苯乙烯泡沫4. 温度巡检仪5. 热电阻
图1- 隔热试验装置示意图
将待测试板涂层面朝上, 水平置于试板测试窗, 定时测定四块样板下表面温度, 直至温度基本不变为止(此时的温度为平衡温度k ). 将试板轮换置于其它测试窗, 重复上述测试。以试板分别在四个位置处k 值的算术平均值K 表征涂层隔热性能。K 值越小表明涂层隔热性能越好。
1. 2. 3- 热反射率的测试
按TT-E-489[ 7] 标准, 采用150 mm x75 mmx1 mm铝板, 制备标准黑板和待测试板。采用自制反射率测试装置[ 8- 9](见图2 ), 测试涂层反射率[ 10] 。
于室温T3 为28. 8+- 1 ºc 条件下, 将两块标准黑板涂漆面朝上置于灯的下方, 调节灯的高度, 使试板未涂漆面温度T1 在30分钟内达到88 +- 1 ºc ,保持5分钟, 撤走一块黑板, 换上待测试样板, 定时测定无涂层面温度, 直至此温度稳定不变(即平衡温度T2 ), 涂层热反射率-按下式计算。
2- 实验结果与分析
2. 1- 钛白粉掺量对隔热性能的影响
在不添加硬硅钙石的条件下, 制备不同钛白粉掺量涂层隔热性能测试结果如图3所示。
图3- 钛白粉不同掺量的隔热性能测试图
由图3可以看出, 添加10% 的钛白粉时K 值急剧降低; 继续增加钛白粉掺量, K 值下降程度趋缓; 钛白粉掺量为30% 时, K 值为64. 78 ºc ; 之后,继续增加掺量, K 值反而略有增大。金红石型钛白粉折射系数高, 分散在涂层中,能提高涂层的热反射率, 但钛白粉掺量越大, 钛白粉微粒自发附聚趋势越大, 有效反射表面越小。所以钛白粉掺量小于10% 时, K 值降低比较明显, 涂层隔热性能提高; 之后再增加钛白粉掺量, 粒子自发附集将使涂层有效反射表面增加不多, K 值减小不明显, 涂层热反射能力提高不显著; 钛白粉掺量超过30% 后, 钛白粉粒子自发附聚严重, 有效反射面减少, K 值反而增大, 导致涂层隔热效果下降。可见, 添加适量的金红石型钛白粉能提高涂层隔热性能, 但添加过量的钛白粉不利于涂层隔热性的提高。
2. 2- 硬硅钙石掺量对隔热性能的影响
在不添加金红石型钛白粉的条件下, 制备不同硬硅钙石掺量涂层, 隔热性能测试结果如图4所示。
图4- 硬硅钙石不同掺量的隔热性能测试图
由图4 可以看出: 随着硬硅钙石的添加量增多, K 值降低, 涂层的隔热性能提高, 但添加量越高隔热性能提升程度趋缓。当添加量大于9% 之后,K 值趋近于66 ºc , 涂层的隔热性能趋于稳定。硬硅钙石二次粒子分散在涂料中, 涂料固化后在涂层中形成微气泡, 使得涂层导热系数降低, 隔热性能得以提高。随着硬硅钙石的掺量增加, 引入的微气泡越多, 涂层的隔热性能就越好。硬硅钙石毛栗球状二次粒子具有比表面积大、易自发聚集的特点, 如不断增加硬硅钙石掺量, 但又不能有效地改善分散状态, 毛栗球状二次粒子的自发聚集将导致涂层中微气泡分布不均匀, 使得涂层隔热性能得不到明显提高。可见, 硬硅钙石能够提高涂层隔热性能。随着硬硅钙石的掺量增加, 涂层隔热性能逐步提高, 掺量大于9%时隔热性能趋于稳定。
3. 3- 钛白粉和硬硅钙石协同作用对隔热性能的影响
– – 采用正交试验法研究钛白粉和硬硅钙石协同作用对涂层隔热性能的影响。因数水平的选取见表2, 实验结果及数据处理见表3、表4.
– – 由实验结果显示, 复合添加硬硅钙石和钛白粉的涂层试板K 值普遍低于单一添加时的实验结果, 最低可达60. 3 ºc . 可见, 复合添加硬硅钙石和钛白粉可进一步提高涂层的隔热性能。由方差分析结果可知, 添加金红石型钛白粉对涂层隔热性能的影响较硬硅钙石显著。由极差分析结果可知, 本实验条件下, 复合添加钛白粉和硬硅钙石, 掺量分别为30% 和9%时, 涂层隔热性能最好。金红石型钛白粉能提高涂层热反射性能, 硬硅钙石可增大涂层热阻。太阳光照射到复合涂层表面时, 金红石型钛白粉高折射系数的特性使大部分太阳光辐射被反射, 大大削弱了涂层表面温升, 硬硅钙石二次粒子在涂层中引入的微气泡, 增大了涂层内部热阻, 进一步削弱了热流在涂层中的传递,两者的协同作用使得涂层具有更加优异的隔热性能。按钛白粉的掺量为30% , 硬硅钙石的掺量为9% , 制备复合隔热涂料, 检测涂层热反射率。实验结果为T1 = 88. 575 ºc , T2 = 61. 91 ºc , T3 = 28. 8 ºc .根据热反射率公式计算得出涂层的热反射率为80. 54%, 超过M IL-E -46117标准中热反射率高于75%的要求 。
4- 结论
( 1)添加钛白粉能明显提高涂层的隔热性能,钛白粉的适宜添加量约为30%.
( 2)添加硬硅钙石能明显提高涂层的隔热性能, 硬硅钙石的适宜添加量约为9%.
( 3)复合添加钛白粉和硬硅钙石涂层隔热性能明显优于单一添加钛白粉或硬硅钙石的涂层。
( 4)在本实验条件下, 优化钛白粉的掺量为30%, 硬硅钙石的掺量为9% 时, 涂料的热反射率最高, 可达80. 54% , 超过M IL-E-46117 标准中75%热反射率的要求。
