高性能氟碳外墙保温节能乳胶涂料的研制

高性能氟碳外墙保温节能乳胶涂料的研制

李建涛, 蔡会武, 夏宝宣, 曹香朝, 陈 敏 (西安科技大学化学与化工学院, 西安710054)

0 引 言
随着科技的发展, 人类对能源需求量的日益增长, 能源问题业已成为制约人类社会进步的严重障碍。据相关报道, 建筑能耗占全部总能耗的30% ~ 40%, 且大多是采暖和空调的能耗, 而现今的建筑保温节能材料和方法还不能很好地达到节能降耗所要求的目标[ 1]。建筑节能意义重大。目前, 我国外墙保温体系得到应用的有4种, 但都存在各自的缺点和不足[ 2] 。因此, 研制开发新型、薄层、环保、高性能、复合型的多功能涂料和简捷方便的涂装方法是外墙保温节能的发展方向。本研究选用性能优良的氟碳乳液作为成膜基料, 氟碳乳液因其特殊的内部结构而具有光、热稳定性、化学稳定性和超强耐候性[ 3] 。从传热的3种基本方式: 热传导、热对流及热辐射入手, 选用低导热系数、高反射率空心微珠、高反射率金红石型二氧化钛以及高发射率红外辐射粉(自制) 为功能填料,硅酸铝纤维为增强材料, 辅以其他填料及助剂, 以期研制出一种多种隔热机理同时起作用的复合型薄层保温节能涂料[ 4- 6] 。

1 实验部分
1. 1 实验材料
1. 1. 1 实验原料
氟碳乳液: 北京宝威乳液有限公司。填料: 空心玻璃微珠( 500目): 四川天行健微珠纳米材料有限公司; 金红石型二氧化钛R- 111( 325目): 中外合资上海江沪钛白化工制品有限公司; 超细硅酸铝纤维( 800 目): 山西省河津市恒泰化工有限公司; 膨润土( 325 目): 河南省信阳扬帆膨润土厂。助剂: 成膜助剂( Texano l) OE300: 美国伊士曼化学公司; 分散剂5040、润湿剂EC- 4500、消泡剂XBE2000、增稠剂ASE – 60: 北京金源恒泰精细化工有限公司。堇青石( 400目): 佛山市南海区罗村胜业耐火材料有限公司; 三氧化二铁、二氧化锰、氧化铜、三氧化二钴: 分析纯, 市售。

1. 1. 2 实验设备
精密增力电动搅拌器: 上海标本模型厂; 电热恒温水浴锅: 上海金桥科析仪器厂; 电热鼓风干燥箱: 河南亚邦电子科技有限公司; 电子控温高温电阻炉: 郑州南北仪器设备有限公司; 电子天平: 浙江省慈溪市天平衡器厂; 反射率测试装置: 自制; DRM – 1型导热系数测定仪: 湘潭仪器仪表厂; 302远红外线发射率测试仪: 台湾固纬电子实业有限公司; 行星球磨机:湘潭仪器仪表厂; 325目筛: 浙江省上虞市大亨桥化验仪器厂。

1. 2 配方设计
1. 2. 1 红外辐射粉配方设计
为了有效减少试验次数, 采用L16 ( 45 )正交表进行正交试验设计。具体设计中不考虑各因素间的交互影响。因素- 水平的设置见表1。
表1 五因素四水平正交数据表

1. 2. 2 涂料配方设计
( I )底漆的制备: 以纯丙乳液为基料, 空心玻璃微珠为功能填料, 辅以其他颜填料及助剂。空心玻璃微珠的添加量从10. 00~ 37.00 g, 每隔3 00 g 取1个试验点, 由单因素试验确定空心玻璃微珠的最佳加入量, 以导热系数最小, 涂料其他基本性能以合乎GB /T 9755 2001 要求为依据。配方设计见表2。
表2 底漆配方

(II )面漆的制备: 以高性能氟碳乳液为基料, 空心玻璃微珠、金红石型二氧化钛R- 111、红外辐射粉( 自制) 为功能填料, 辅以其他颜填料及助剂。
(1) 由全面试验法, 确定空心玻璃微珠和金红石型二氧化钛的最佳加入量, 此时红外辐射粉的加入量确定在15. 00 ~20. 00 g之间。以涂料反射率最高, 涂料其他基本性能合乎要求为依据。面漆基本配方见表3, 全面试验法用量见表4。
表3 面漆配方

表4 空心玻珠与二氧化钛的用量

(2) 由单因素实验确定红外辐射粉的最佳加入量, 配方中空心玻珠和二氧化钛的加入量按步骤(1) 中确定量固定。红外辐射粉的加入量从10.00~ 26.00 g, 每隔2.00 g作为1个试验点, 以涂料在8~ 13.5 um 波段的发射率最高, 涂料其他基本性能合乎要求为依据。基本配方见表3。
1. 3 制备方法
1. 3. 1 红外辐射粉的制备方法
按正交试验表1 配料(堇青石除外), 在行星磨上湿混12 h, 烘干, 研细, 过325目筛; 所得粉料放入高铝陶瓷坩埚, 置于高温试验电阻炉中, 在1 350 ºc 下保温3 h。制备的红外辐射材料经粉碎、研磨、过325目筛, 再按配方比例加入堇青石,混合均匀, 得红外辐射粉。
1. 3. 2 氟碳乳胶涂料的制备方法
先将水、润湿剂、分散剂、1 /4消泡剂加入反应器, 低速搅拌0.5 h, 使之均匀; 然后按涂料配方加入空心玻珠、二氧化钛、红外辐射粉、硅酸铝纤维、膨润土等颜填料和成膜助剂, 高速搅拌1 0 h, 得到均匀料浆; 再将乳液、剩余3 /4 消泡剂加入混合料浆中, 低速搅拌0 5 h, 加入增稠剂, 低速搅拌2.0 h; 加氨水调pH 至8~ 9即得涂料产品。

1. 4 测试方法
1. 4. 1 红外辐射粉发射率的测定
采用302远红外线发射率测试仪, 温度为26ºc , 测试波长范围为8~ 1.35 um 波段红外辐射粉的发射率。

1. 4. 2 涂料导热系数的测定
用DRM – 1型导热系数测定仪测定其导热系数。
1. 4. 3 涂料反射率测定
图1是测定涂料反射率的装置 。

将涂料涂在150 mm X 70 mm X 0.5 mm 的钢板上, 置于烘箱中, 于( 105 +-5) ºc 恒温下烘烤2~ 3 h。调节室温为28.8 ºc ;将2块喷涂黑磁漆的样板相距50 mm 平行放在聚苯乙烯泡沫上, 涂漆的一面朝上, 其中心放在灯泡下; 调节灯泡和样板之间的距离, 使2块样板在30 m in内达到平衡温度87. 8 ºc ; 然后立即撤走一块黑样板, 换上一块待测热反射的漆板; 15 m in后, 记录平衡时反射漆样板的温度, 然后按式( 1) 计算涂料的热反射率:

式中: þ 热反射率; t室温 室温, 一般固定为28. 8 ºc ;t黑板 标准黑板温度, 一般为87.8 ºc ; tx 实测的试板的温度。

1. 4. 4 涂料其他基本性能的测试
参照GB 9755 2001 合成树脂外墙乳液涂料及相关国家标准进行检测。

2 结果与讨论
2. 1 红外辐射粉配方设计正交试验结果分析
红外辐射粉配方设计正交试验结果分析见表5。
表5 正交结果极差分析表

由表5可知, 各因素对红外辐射粉发射率影响主次顺序为: 三氧化二铁> 三氧化二钴> 二氧化锰> 氧化铜> 堇青石粉。三氧化二铁的加入量为70. 00 g 时, 产品发射率最高; 二氧化锰的加入量为11. 00 g 时, 产品的发射率最高; 氧化铜的加入量为11. 00 g时, 产品的发射率最高; 三氧化二钴的加入量为10. 00 g时, 产品的发射率最高; 堇青石的加入量110.00g和120.00 g时, 产品的发射率最高, 为了考虑红外辐射粉的白度及成本, 以120. 00 g 为佳。所以红外辐射粉的配方暂定为: 三氧化二铁70.00 g, 二氧化锰11.00 g, 氧化铜11. 00 g, 三氧化二钴10. 00 g, 堇青石粉120.00 g。以此配方, 按1 3 1方法制备红外辐射粉, 测得其反射率为94. 260, 较试验过的配方略高, 说明此正交试验结果得到的是较优配方。

2. 2 空心微珠用量对涂料导热系数的影响
随着空心玻璃微珠用量的增加, 涂料的导热系数呈迅速减小的趋势(如图2所示) 。

由图2可知, 玻璃微珠加入量到达27.00 g时, 导热系数最小为0.058 6W / ( m• K), 之后再增加空心玻珠的量, 涂料的导热系数不降反增。这可能是由于空心玻珠和水的表面张力较大, 当空心玻珠用量过多时, 涂料各组成部分之间互相融合性降低, 故导致涂料性能下降。
2. 3 空心玻璃微珠及金红石型二氧化钛用量对涂料反射率的影响
图3为空心玻珠及二氧化钛的用量对涂料反射率影响柱状图。

由图3可知, 在以试验配方为基准, 其他成分的含量固定不变的前提下, 当空心玻珠的加入量为14.00 g, 同时二氧化钛的加入量为16.00 g 时, 涂料的反射率最高达到82.32%。由于此配比二氧化钛的加入量是本试验的最大量, 根据全面试验法的操作原则, 本研究以空心玻珠14.00 g, 二氧化钛的加入量分别取1800 g和2000 g, 其他工艺条件不变, 做了比较验证试验, 结果表明涂料的反射率增加微弱。结合涂料其他性能的需要, 以空心玻珠14.00 g和二氧化钛16.00 g为最佳用量。

2. 4 红外辐射粉用量对涂料发射率的影响
图4为红外辐射粉加入量对涂料的发射率的影响。

由图4可知, 随红外辐射粉加入量增加, 涂料发射率也逐渐增大, 当加入量为22.00 g左右时, 达最大值72.81%, 继续增大红外粉的加入量, 涂料发射率变化不大。另外, 红外辐射粉的颜色为灰色, 加入量过多不利于涂料调色, 考虑到涂料其他组分协调性的原因, 本研究确定红外辐射粉的最佳加入量为22. 00 g。

2. 5 涂料基本性能测试结果
涂料基本性能检测结果如表6和表7所示。
表6 底漆基本性能

表7 面漆基本性能

3 结 语
( 1)通过正交试验, 确定了红外辐射粉的最佳配方为: 三氧化二铁70. 00 g; 二氧化锰11. 00 g; 氧化铜11.00 g; 三氧化二钴10. 00 g; 堇青石粉120. 00 g。此时材料在8~ 13.5 um波段的发射率为94.260%, 是性能优异的红外发射材料。
( 2)通过单因素试验, 确定了底漆中空心玻珠的最佳加入量为27. 00 g, 此时底漆的导热系数为0.058 6W / ( m• K), 隔热性能优良。
( 3)通过全面试验法, 确定了空心玻璃微珠、金红石型二氧化钛R- 111的最佳加入量分别为14.00 g 及16. 00 g, 此时涂料的反射率为82.32%; 经单因素试验, 确定了红外粉的最佳加入量为22.00 g, 此时涂料的发射率为72.81%。
( 4)通过对制得的底漆及面漆基本性能的测试表明, 该配套使用的复合型涂料具有良好的隔热节能效果和施工、使用性能, 应用前景十分广阔。