水性隔热保温节能涂料的制备研究

1 引言
节能降耗、提高经济效益是我国经济可持续发展的重要条件,20 世纪70 年代后,世界气候变暖,地球能源日趋紧张,开发推广使用隔热保温涂料,特别是建筑隔热保温涂料具有很大的现实意义。我国从2006 年起,对新住宅规定需要采取隔热保温措施。建筑隔热材料中建筑隔热涂料因其经济、使用方便和隔热效果好等优点而越来越受到人们的青睐,前景光明[1-6]。本文研制的性能优良、价格低廉的热反射型建筑隔热涂料,具有环保、高效的特点。

2 隔热保温涂料的制备工艺
2.1 试验原料
丙烯酸弹性乳液(自制)、醇酯-12、丙二醇、分散剂、消泡剂、三乙胺、硅烷偶联剂、氧化铜、二氧化锰、铝粉、氧化铁红、钛白粉、云母、工业级空心微珠。空心微珠的来源见表1。

2.2 试验配方
隔热保温涂料配方见表2。

2.3 制备工艺
先将颜填料、部分弹性乳液和助剂等混合均匀,用锥形磨研磨至合适的细度,制成色浆,然后加入剩余乳液和助剂,搅拌分散后在低速搅拌下加入空心微珠,搅拌均匀。为保证空心微珠与涂料成分的均匀混合和牢固结合,空心微珠预先用硅烷偶联剂进行处理。

2.4 试验方法
对配制的涂料进行隔热保温效果检测,检测方法有高压汞灯法、红外灯法和日光照射法。

3 结果与讨论
3.1 隔热保温涂料的原理
太阳辐射是建筑物外部的主要热源。太阳辐射的波长范围很广,但绝大部分能量集中在0.14 ~ 4.00 μm波段,该波段占太阳辐射总能量的99%,其中可见光区占50%,红外线区占43%,紫外线区占7%。辐射能量最大的波长为0.475 μm。隔热保温涂料的隔热原理是通过涂料中的颜填料粒子将太阳热辐射反射或将吸收的热能辐射到外部空间,从而降低被覆物表面乃至内部的温度,同时还可降低涂膜的光热老化作用,延长其使用寿命[6-7]。空心微珠填充的聚合物复合材料所具有的优良隔热性能,与空心微珠的特殊结构有着密切的关系。尽管其中热传递机理非常复杂,影响的因素很多,但可以根据热的对流、传导和辐射传递的理论进行分析[8-9]。⑴空心玻璃微珠目数越大,其导热系数越小;⑵由于空心玻璃微珠的填充限制,其热导率与本身的特性和聚合物基体复合特性密切相关;⑶较低温度下空心玻璃微珠的热导率降低,它的保温隔热性能较好。

3.2 隔热保温涂料基料的选择
材料反射太阳光的强弱主要用物质的折光指数来表征,合成树脂的折光指数为1.45 ~ 1.50,这意味着选择不同的合成树脂对涂层的太阳热反射效果不会有显著的影响。因此可选择透明度高、不含或少含吸热基团、对可见光和近红外光吸收小的合成树脂为基料。从能否形成耐久性、防水性优良的弹性涂膜考虑,要求作为成膜材料的高聚物的Tg 较低,使其在使用温度范围内处于橡胶态。但Tg 太低的树脂会引起涂膜发黏和耐沾污性差,通过采用核壳型弹性乳液等方法解决涂料的耐久性和耐沾污性等问题[10-11]。

3.3 隔热保温涂料性能测定
目前我国尚无评价隔热保温涂料性能的国家标准,国内一些研究单位参照美国军标规定的方法进行测试。在此基础上建立的隔热保温涂料隔热性能试验装置见图1。

根据添加剂的不同制备9 种隔热保温涂料,即1~9号样品。为模拟在太阳光照射下弹性隔热涂料的隔热效果,制作了4 个空腔尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的不锈钢铁盒,将弹性隔热涂料在6 个面上各涂刷3道。测试在高压汞灯、红外灯、太阳照射下盒子表面及盒子内空气温度之差。对这9 种涂料在高压汞灯和红外灯光照下进行保温隔热测试,数据见表3 和表4。

从表3 和表4 可以看出,1 号和8 号空心玻璃微珠制备的涂料隔热效果较好。将1 号隔热保温涂料中的玻璃微珠用无机填料替换,分别掺入相同质量的氧化铜、二氧化锰、铝粉、氧化铁,研磨后配制成4 种涂料,将这4 种涂料在高压汞灯照射和日光下进行测试,试验结果见表5 和表6。

表5 和表6 试验结果表明,掺加氧化铜、二氧化锰、铝粉、氧化铁后的涂料具有一定的隔热保温效果,与文献的报道相符合,以氧化铜的效果最好,但不如添加空心玻璃微珠的1 号涂料隔热保温效果好。对所研制的1 号涂料与某进口隔热涂料、市售优质外墙涂料、铝粉漆以及未涂涂料的空白试件进行了高压汞灯照射下隔热性能的对比试验,结果见表7。

表7 结果表明,1 号空心玻璃微珠制备的隔热保温涂料,其隔热保温效果优于反光铝粉涂料和某进口涂料,具有质优价廉的特性。

4 结语
通过优选隔热保温填料和涂料复配工艺,制备了隔热保温性能优良、环境友好的建筑用隔热保温功能涂料。通过对该隔热保温涂料涂层隔热原理分析、性能检测和功能无机填料选择的研究,得到如下结论:
⑴采用丙烯酸核壳弹性乳液,以空心微珠、金红石型钛白粉、云母及空心硼硅酸盐等为颜填料制备的隔热保温涂料性能稳定、热反射功能强,耐老化、耐沾污性强;
⑵涂料性能检测结果表明,该涂料隔热效果优于某进口隔热涂料、铝粉涂料、外墙涂料。作为一种夏热冬冷地区建筑物隔热保温的重要措施,是一种有效的节能方法。

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