太阳热反射隔热涂料的研制

0 引 言
反射隔热涂料是近年来发展起来的一种新型节能材料,通过有效地反射、阻隔、辐射太阳光的能量, 能明显降低建筑物外墙、屋顶和室内温度, 降低空调等制冷设备在高温条件下的能耗, 既改善了工作环境又节约了大量的能源[ 1] 。
自20世纪70年代以来, 国外对太阳反射隔热涂料开展了大量的研究工作, 并在军事和民用的许多领域得到了广泛应用, 取得了较好效果[ 2- 4] 。但是由于价格昂贵, 限制了其在国内的使用, 国内也有多家单位对反射隔热涂料进行了一定的研究。目前市场上的反射隔热涂料研究主要局限于颜填料种类及其折射率等因素对太阳光反射效果的影响, 大部分仅采用反射单一隔热方式; 检测方法上绝大多数只参照美国军标,对涂料的反射率和隔热性能区分不够明确[ 5- 7]。另外, 国内反射隔热涂料的成膜物质大部分采用丙烯酸树脂、有机硅改性聚酯树脂、苯丙乳液等, 制备的反射隔热涂料使用寿命短,经不住长时间自然环境的冲刷曝晒, 容易出现粉化开裂等缺陷, 涂膜耐候性较差[ 8] 。因此, 研究高耐候性的太阳热反射隔热涂料, 可以有效提高涂层的隔热性能和基材的使用寿命, 减少物资不必要的损耗, 节约大量制冷用能量, 具有重要的经济意义与社会效益。
本研究选用具有优异耐酸、耐候性能的氟碳树脂作为成膜物质, 系统地研究了颜填料种类、粒径和含量、涂膜的厚度、树脂种类等因素对涂料反射率和隔热效果的影响, 重点考查了T iO2、空心玻璃微珠等新型隔热材料在隔热涂料中的作用,为今后研制反射型隔热涂料提供了依据。

1 实 验
1. 1 实验材料
( 1) 成膜物质: 氟碳树脂( 三爱富公司生产), 固化剂用3390异氰酸酯; ( 2) 颜填料: 金红石型二氧化钛, 空心微珠, 云母粉, 氧化锌, 滑石粉等; ( 3) 溶剂: 环己酮, 二甲苯, 异佛尔酮混合溶剂; ( 4) 助剂: 分散剂, 润湿剂, 消泡剂, 流平剂等。

1. 2 涂料的制备
本实验中的反射隔热涂料是一种可常温固化的双组分涂料,首先将一定量的氟碳树脂、颜填料、溶剂和助剂混合, 在高速搅拌条件下充分分散, 然后加入空心微珠, 降低搅拌速度持续分散均匀, 然后按照一定比例加入固化剂, 制得反射隔热涂料。

1. 3 涂层试样
反射率测试及机械性能测试基材为马口铁片, 尺寸为120 mm*50 mm*0.3 mm; 隔热性能测试采用纤维增强硅酸钙板, 规格为360 mm*360 mm*360 mm; 电化学测试基材为Q235碳钢, 尺寸为150 mm*70 mm*2 mm; 耐化学药品浸泡实验基材为Q235碳钢, 尺寸为150 mm*70 mm*2 mm。

1. 4 涂层反射率测试
以美国军标M IL E 46136为标准, 制作简易太阳热反射测试装置(如图1 ), 分别将黑磁漆和反射隔热涂料涂刷在马口铁片上, 干膜厚度在30~ 40 um 左右, 利用空调将室温调节至( 28 +- 1) ºc , 用500W 的碘钨灯模拟太阳光照射涂层, 通过调整碘钨灯到试板的距离控制黑磁漆板的背面温度在( 87.8 +-1) ºC 范围内, 30 m in后使用表面温度计检测试板背面温度, 通过经验公式[式( 1) ] 测定涂层反射率。


1. 5 涂层隔热性能测试
按照国家住建部标准( JG /T 235 -2008 ), 自搭简易的涂层隔热性能测试装置(如图2)。用30 mm 厚且导热系数不大于0. 03W / ( m# K) 的XPS 板制作一个测温箱, 内腔尺寸为300 mm ! 300 mm ! 300 mm, 将涂有反射隔热涂料的纤维增强硅酸钙板盖在测温箱上面, 用500W 的碘钨灯模拟太阳光照射, 通过侧面的测温口, 使用表面温度计检测硅酸钙板背面和测温箱内部温度, 直观地分析涂料的隔热效果。

1. 6 涂料性能测试
按照GB /T9755- 2001要求检测涂料基本性能, 按照国标GB /T1733- 1993和GB /T1763- 1989检测涂料耐水和耐酸碱性能。
2 结果与讨论
颜填料的选择和用量对反射隔热涂料性能起着决定性的作用。在大量查阅文献和实验室筛选的基础上, 选定金红石型二氧化钛、空心微珠、氧化锌和滑石粉作为反射隔热涂料的颜填料。金红石型二氧化钛折光指数为2.76, 氧化锌的折光指数为2. 3, 均能强烈地散射太阳光用作反射隔热填料; 空心微珠有着很低的热传递系数用作阻隔隔热填料; 滑石粉在8 ~13 um这一大气窗口有着较强的辐射能力, 成本较低的同时能部分替代二氧化钛, 用作辐射隔热填料[ 9] 。

2. 1 二氧化钛对涂料反射隔热性能的影响

表1 4种不同粒径二氧化钛的反射率

结合表1和图3分析可知, 4种二氧化钛配置的涂层反射率由高到低顺序为: C > B > A > D。这是因为C二氧化钛粒径分布最宽, 相应地可散射波长范围也最宽, 反射率最好。B次之, D二氧化钛粒径分布最窄, 集中在0.1~ 0.2 um, 反射率最低。选择反射率较高的C 二氧化钛为颜料, 二氧化钛占树脂质量分数取值10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%依次递增, 按照1. 4测试方法测涂料反射率, 如图4所示。

从图4可知, 随着二氧化钛在涂料中含量的逐渐增加, 涂层反射率逐渐提高。这是由于涂层中二氧化钛颗粒间由树脂构成的空隙不断减小, 从而使热辐射更难透过这些树脂向涂层内部传播, 涂层散射能力不断增强。因此二氧化钛质量分数在35% ~ 45%范围内, 涂层反射效果较好。

2. 2 空心微珠对涂料反射率的影响
空心微珠比表面积较大, 光线照到涂膜表面时能够通过空心微珠产生多次反射, 提高涂膜反射率, 同时空心微珠具有较低的导热系数。然而, 采用单一粒径的空心微珠制备的反射隔热涂层, 固化后涂层内存在大量的间隙, 不利于热量的阻隔, 且抗渗性能较差。采用多种粒径空心微珠复配, 以大粒径的空心微珠为主体, 利用小粒径的空心微珠填充空隙, 可以有效地提高涂层的反射能力[ 11- 12]。实验中采用4 种不同粒径的空心微珠分别为: E ( 40~ 100 um )、F( 20~ 85 um )、G( 20~50 um )、H ( 10~ 30 um ), 氟碳树脂均为10 g, 通过正交实验来寻找其最佳配比, 实验得知当4 种粒径的空心微珠质量比例为2:1:2:3时, 涂层的反射率最好, 达到90%。
采用4种空心微珠混合粉体做填料, 空心微珠占树脂质量分数取值10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80% 依次递增, 按照1. 4测试方法检测涂料反射率, 如图5所示。

从图5 可知, 随着空心微珠用量的增加, 反射率逐步提高, 当质量分数达到60% ~ 70% 时, 涂层反射率最好, 但是随着空心微珠用量的增加, 涂料体系不易分散, 涂膜固化后很脆, 所以综合各项指标, 用量为40% ~ 50%时较为合适。
2. 3 反射隔热涂料配方正交实验
在前期实验的基础上, 选定各因素水平, 设计正交实验,考查各颜填料之间综合作用, 氟碳树脂均为20 g, 按照1. 5测试方法测纤维增强硅酸钙板背面温度T, 涂膜厚度为500 um,考察涂料隔热效果, 结果如表2所示。
表2 涂料配方正交实验结果

通过极差R大小可以看出二氧化钛和空心微珠在反射隔热涂层中起主要作用, 根据实际测量结果, 第6组涂层的硅酸钙板下表面温度为35􀀁 8 􀀂 , 该配方反射隔热性能最好, 即二氧化钛8 g、空心微珠12 g、滑石粉2 g、氧化锌4 g。

2. 4 涂层厚度对反射隔热效果的影响
以正交实验中第6组涂料配方为基础, 改变涂层厚度, 考察厚度对涂料反射隔热性能的影响, 按照1. 5 测试方法检测涂料反射隔热效果, 如表3所示。
表3 厚度对涂层反射隔热效果的影响

从表3可知, 涂层的厚度对涂层反射隔热性能影响很大,如果涂层厚度较薄, 入射光线就有可能透过涂层, 造成热传透效应, 热量被涂层所覆基材吸收, 从而起不到反射隔热的作用; 当涂层厚度超过一定值时, 散射光线在涂层内部的散射光程增长, 加大了涂层对能量的吸收, 反而降低了涂层的反射隔热性能, 综合各因素考虑, 涂层厚度500 um 左右较为合适。

2. 5 氟碳反射隔热涂料与市售涂料反射隔热性能比较
以正交实验中第6组涂料配方为基础, 选择市场上性能较好的丙烯酸反射隔热涂料为参考对象, 比较2 种涂料的反射率和隔热性能, 见表4。由表4可知本研究制备的氟碳涂料反射率和隔热性能均优于市售涂料。
表4 氟碳涂料与市售涂料反射隔热效果对比

2. 6 氟碳涂料红外吸收光谱
将一束红外光打在涂膜上面, 收集并检测各波段内的红外吸收比, 见图6。

从图6中可以看到, 在720~ 2 500 nm波段内, 涂膜的吸收率均小于2%, 说明涂膜在该波段内对红外光的总吸收率小于2%, 透过率和反射率之和大于98%。

2. 7 氟碳反射隔热涂料综合性能
以正交实验中最佳配方为基础制备氟碳反射隔热涂料,市售涂料选择较好的丙烯酸涂料, 按照1. 6 方法测试涂料综合性能, 结果见表5。
表5 氟碳反射隔热涂料综合性能

3 结 语
( 1) 颜填料的粒径对涂料的反射率有很大的影响, 金红石型二氧化钛的粒径在0. 2~ 1 um 范围内的分布越宽, 涂料反射率越好。
( 2) 多种粒径的空心微珠相互填充, 利用大粒径空心微珠较大的中空结构及小粒径空心微珠填充间隙, 能显著提高涂料的反射隔热效果。利用不同粉体之间协同作用, 可制备反射和隔热效果良好的隔热涂层。根据红外测试表明, 该涂层具有较低的吸收率和更好的反射隔热性能。涂层反射率能达到90%以上, 与空白板相比背温相差14. 6ºc 。
( 3)研制的氟碳反射隔热涂料比市售涂料有着更好的耐蚀性能, 能满足建筑屋顶及外墙长期使用的要求。

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