军绿色隔热降温涂料的研究

军绿色隔热降温涂料的研究

杨万国1, 董秀彩2, 李少香2, 张 波1
( 1. 青岛海洋腐蚀研究所, 山东青岛266071; 2. 青岛科技大学, 山东青岛266042)

0  引  言
太阳的强烈辐射使物体表面温度升高, 给工业生产和日常生活带来了诸多问题和不便。据研究夏季在太阳光的照射下, 金属板的表面温度可达70~ 80度 [1] 。城市大量的市政建设导致热岛效应越来越明显, 由此导致城市市区温度高于周边环境温度3~ 5 度[2] 。建筑物屋顶和外墙表面温度升高使周围环境和室内的温度过高, 降低了生活环境的舒适度, 增加了空调制冷用电量。
隔热降温涂料是近年来在民用领域迅速发展起来的一种特种功能涂料, 它主要通过提高涂层表面的红外发射率和反射率来实现降低被涂覆物体内部的辐射温度, 达到减少空调能源消耗、节约能源的目的[ 3] 。目前国内对浅色降温涂料的研究较多, 对深色涂料的研究较少。本研究测试了多种颜料的红外反射率, 优选出反射率较高的颜料, 通过复合配色方法制备了军绿色隔热降温涂料, 该涂料作为深色降温涂料具有较高的太阳热反射率和热发射率。

1  实验部分
1. 1  原材料
羟基丙烯酸树脂2050: 德谦(上海)化学有限公司; 空心玻璃微珠5020: 美国波特公司; 二氧化钛( R930 ): 日本石原; 纳米陶瓷材料: 淄博蓝景纳米材料有限公司; 气相二氧化硅: 卡博特蓝星化学; 氧化铬绿: 美国安格公司; 酞菁绿、钛绿、钛铬黄、钛镍黄、铁铬黑: 美国薛特颜料公司; 铁蓝、铁黄、铁红、中铬黄, 青岛德臣化工有限公司。

1. 2  仪器设备
高速搅拌机( QSD)、锥形磨( QZM – 1): 天津市建筑仪器试验机公司; 涂料快速分散机(快手): 上海现代环境工程技术有限公司; 反射率测试装置: 自制; 红外光谱仪( BRUKER TEN-SOR 27): 德国布鲁克公司; 场发射扫描电子显微镜( JEOL JS- 6700F): 日本电子公司; 远红外热发射率测试仪( 302) : 深圳市万仪通仪器仪表商行。

1. 3  隔热降温涂料的制备
采用图1所示的工艺路线进行隔热降温涂料的制备。

1. 4  隔热降温涂料的性能测试
隔热降温涂料的性能测试包括两方面: 一方面是常规性能的测试, 另一方面是光学性能的测试。常规性能的测试主要是涂料黏度、干燥时间、涂膜附着力、遮盖力、柔韧性、耐候性等; 光学性能的测试包括反射率和发射率的测试, 使用自制反射率测试装置和紫外- 可见光- 近红外分光光度计测试涂层的反射率, 使用302远红外热发射率测试仪测试涂层的发射率。自制反射率测试装置的示意图如图2所示。


2  结果与讨论
2. 1 成膜树脂的选择
用于隔热降温涂料的树脂, 要求对可见光和近红外光吸收率越低越好; 树脂的透明度高(高达80% 以上); 太阳能的吸收率低, 树脂中应少含C- O- C, C= O、- OH等吸热基团。选用丙烯酸树脂作为军绿色降温涂料的成膜树脂。

2. 2  颜填料的选用
隔热降温涂料的目的是降低物体的表面和内部温度, 所以颜填料对可见光和近红外光的反射越大越好, 同时涂层可以将吸收的太阳能量以红外辐射的形式发射出去, 因此也要求填料中有发射率较高的物质。众多研究表明, 二氧化钛在可见光区和近红外区具有极高的热反射率, 金红石型二氧化钛的反射率远大于锐钛型二氧化钛的反射率, 所以本文选用金红石型二氧化钛作为反射材料。除了使用金红石型二氧化钛外, 还使用了空心玻璃微珠、纳米陶瓷材料、气相二氧化硅等材料。

2. 3  深色颜料的选择
由于制备的隔热降温涂料为军绿色, 因此需要选择太阳反射率高的深色颜料。通过查阅资料得到部分颜料的热反射性能[ 4] 。炭黑的太阳热反射率最低, 几乎完全吸收, 因此不选用炭黑作为降温涂料的颜料。对部分着色颜料及其复配体系进行了反射率的研究, 按照成膜树脂50%、颜料30%、溶剂20%的配方制备后, 研磨分散到细度20 􀀂m 以下, 喷涂在铝合金样板上, 涂层厚度为50~60um, 用自制反射率测试装置进行测试并计算反射率。结果如表1所示。

从表1可以看出, 酞菁绿、钛铬黄和棕黑在各自的颜色系列中反射率较高, 所以通过它们之间的复配来调制军绿色隔热降温涂料, 调色时在保证色相的基础上尽量少使用黑色颜料。
2. 4  空心玻璃微珠用量对涂层反射率的影响
对深色隔热降温涂层来说, 二氧化钛用量不能太多, 否则颜色太浅, 不能实现目标颜色, 因此将二氧化钛的用量定为10%。在二氧化钛的用量为10%、二氧化硅的用量为6%、纳米陶瓷材料的用量为7%的条件下, 改变空心玻璃微珠的用量, 研究了空心玻璃微珠的用量与涂层反射率的关系, 结果如图3所示。从图3可以看出, 随着空心玻璃微珠用量的增加, 涂层的反射率先增加后下降, 当含量为14.2%时涂层的反射率为91%, 此后随着空心微珠含量的增加涂层的反射率变化不大。

2. 5  纳米陶瓷材料对涂层热性能的影响
在试验过程中选择了2 种纳米陶瓷材料, 将涂料配方中的二氧化钛组分含量固定, 分别加入等量的纳米陶瓷材料A和B制成涂料后喷涂2个样板, 使用自制反射率测试装置测试其反射率, 使用纳米陶瓷材料A 的涂层的反射率为88.29%, 使用纳米陶瓷材料B的涂层的反射率为92.5%。本研究选择使用纳米陶瓷材料B。并对不同用量纳米陶瓷材料B的涂层的反射率和发射率进行了研究(二氧化钛材
料的含量不变), 结果如图4所示。

从图4可以看出, 随着纳米陶瓷材料用量的增加, 涂层的反射率呈现先上升后下降的趋势, 而涂层的发射率是一直增大的。

2. 6  颜料的粒径对涂层反射率的影响
涂层中的颜料粒子是涂层中的反射材料, 它构成了材料中光学性能不均匀结构的性能, 对反射涂料的最终光学性能产生决定性的作用, 颜料的品种确定以后, 涂层的反射率在很大程度上取决于颜料的粒径和粒径分布。
将涂料配方中除了空心玻璃微珠以外的其他颜填料和树脂使用锥形磨和涂料快速分散机反复研磨, 将涂料研磨到10 um左右制备了2个试样, 进行粒径分布分析测试, 如图5、图6所示。

从图5和图6可以看出, 试样A的颜料粒子粒径在0. 2~1. 24um的累积小于配方B。将试样A和试样B 喷涂样板用红外光谱仪测试其反射率, 如图7所示。由图7可以看出, 试样A 的反射率比试样B 低。这说明颜料的粒径在0.2~ 1. 24um的范围内分布多时, 其涂层的反射率高, 粒径分布对涂层的反射率影响比较显著。

2. 7 涂层表面状态对反射性能的影响
为了研究涂层表面状态对涂层反射性能的影响, 设计了2个不同的白色涂料配方, 其中一个添加空心玻璃微珠, 另外一个添加二氧化钛, 其余材料(树脂、纳米陶瓷材料) 用量相同。制备的降温涂料要求是低光泽的, 玻璃微珠除具有较好的隔热和热反射性能外, 还具有很好的消光作用, 因此不需要额外添加消光剂; 而添加二氧化钛的涂料配方中需加入少量气相二氧化硅进行消光。图8是2种涂料的扫描电镜图, 图9是红外反射图。


从图9可以看出, 使用空心玻璃微珠的涂层的反射效果好一些, 原因可能是无论是含空心微珠的涂层还是不含空心微珠的涂层表面都不是一个理想的镜面, 表面都由凹凸不平的颗粒组成, 每一个颗粒可看成是理想的光滑表面(特别是玻璃微珠表面更光滑), 颗粒大镜面大, 光波的散射次数少, 从而被涂层吸收得少, 因此反射率高。而对小粒径而言, 光波的散射次数多, 被涂层吸收得多, 因此反射率低。

2. 8  军绿色隔热降温涂料的热学性能
采用自制反射率测试装置和302远红外热发射率测试仪装置测试了军绿色降温涂料的反射率和发射率, 该涂料的反射率为72.4%, 发射率为0.931。使用紫外- 可见光- 近红外分光光度计测试了该涂料的全波段反射率, 如图10所示。从图10可以看出, 在900~ 2 100 nm的波长范围内, 军绿色降温涂料的反射率大约为70%。

3  结  语
( 1) 将涂料配方中二氧化钛材料用量固定, 改变空心玻璃微珠的用量, 在一定的用量范围内, 涂层的反射率随空心玻璃微珠用量的增加呈现出先增大后减小的趋势。
( 2) 将涂料配方中二氧化钛材料用量固定, 改变纳米陶瓷材料的用量, 增大纳米陶瓷材料的用量, 涂层的反射率先增大后减小, 而发射率是一直增大的。
( 3) 通过对多种着色颜料及其复配体系反射率的研究,优选出反射率较好的几种颜料, 使用它们调制出的军绿色降温涂料作为深色降温涂料具有较高的反射率。

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