一种新型隔热涂料的制备及性能研究

0 引言
隔热涂料是运用阻隔、反射、辐射等机理将太阳辐射中大部分热量反射或辐射回去, 以降低物体表面的温度, 阻止热传导, 降低物体内部的热量积累, 从而达到节能的一种功能性涂料[ 1, 2] 。隔热涂料因其经济性、使用方便和绝热效果可靠等优势已经成为一种新兴的建筑节能措施。据资料报道, 截止到2009 年, 美国和欧洲一些国家在军事和民用的许多领域为研制隔热涂料分别投资了240 亿美元和260 亿美元, 而国内尚处于起步阶段, 研制建筑隔热涂料对我国的建筑节能具有十分重要的意义。
1954 年麦克劳林[3] 首先提出了使用玻璃制造单孔中空微珠的技术, 使中空玻璃微珠作为一种优良的隔热材料广泛应用于隔热涂料中。中空玻璃微珠是由含硅、铝等元素的氧化物材料经特殊工艺制成的薄壁、封闭的微小球体, 球体内部包裹一定量的气体, 具有低密度、低导热、热稳定性好等优点[4] , 且有较好的红外光反射性及红外发射率。成膜干燥后, 玻璃微珠会紧密排列形成一层对热量具有阻隔效果的封闭型的中空气体层, 阻断 热桥 , 从而使涂层具有良好的隔热效果。但由于中空玻璃微珠质轻且为无机填料, 常常与隔热涂料中的基料发生分离漂浮现象, 极大地影响了隔热涂料的均匀性以及隔热性能。本实验采用硅烷偶联剂预处理中空玻璃微珠的方法使无机功能填料和有机乳液均匀混在一起制备新型隔热涂料, 并研究了所制备的隔热涂料的性能。

1  实验
1. 1  原材料
T J-103 苯丙乳液, 北京通海工贸有限公司; QH 系列中空玻璃微珠, 容重为0. 11~ 0. 13g/ cm3, 其化学组成见表1( 质量分数) 。其它助剂包括硅烷偶联剂、乙醇( 分析纯) 、润湿剂、分散剂、成膜剂、消泡剂、增稠剂( 工业级) 等。
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1. 2   透明隔热涂料的制备工艺
取一定量的乙醇与硅烷偶联剂充分混合均匀, 再加入到中空玻璃微珠中预处理2h, 搅拌均匀后在水浴温度为85~90oc 的水浴槽中放置2h, 将处理后的中空玻璃微珠放入TJ-103 苯丙乳液中, 加入适量的消泡剂、成膜剂等助剂慢慢搅拌3h, 混合均匀后得到透明隔热涂料, 记为A。

1. 3  实验方法
采用日本JSM-5610LV 型扫描电子显微镜分析经硅烷偶联剂处理前后中空玻璃微珠的微观形貌; 涂膜附着力参考涂膜附着力测试标准GB/ T 9286-1998; 采用JTRG-3 建筑材料热流计式导热仪测定涂层导热系数; 采用QT G-A 型( 框式) 涂膜涂布器涂不同厚度的涂层。
目前我国尚无隔热涂料隔热性能的测定标准, 因此采用美国军方标准MIL-E-46136 的实验方法进行模拟测试, 实验
采用太阳热反射模拟实验装置, 通过测定平衡温度来评价其隔热性能[ 5] , 见图1。
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2  结果与讨论
2. 1 硅烷偶联剂处理前后中空玻璃微珠的微观形貌
图2 为未处理中空玻璃微珠的SEM 形貌, 图3 为经过乙醇和硅烷偶联剂预处理2h 的中空玻璃珠微珠的SEM 形貌。由图2、图3 可见, 未处理过的玻璃微珠颗粒表面光滑,处理后的玻璃微珠表面附有偶联剂。通过硅烷偶联剂处理玻璃微珠, 硅烷偶联剂的一端可与有机组分产生物理或化学作用, 而另一端可与无机组分的前驱体进行水解和缩聚反应。硅烷偶联剂的桥梁作用使无机组分与有机组分之间以化学键相连, 提高了无机组分与有机组分之间的结合程度,弱化了界面, 防止了相分离, 减少了有机相界面与无机相界面的差异, 增强了有机成膜苯丙乳液和无机填料中空玻璃微珠的相容性。按照涂膜附着力测试标准GB/ T9286-1998 测得处理过的隔热涂料的附着力等级从2 级升到1 级。

2. 2 中空玻璃微珠的粒径对涂料导热系数的影响
分别选用6 种不同粒径的中空玻璃微珠制成6 种不同的隔热涂料A 1- A6, 将涂料在样板上涂刷相同厚度, 测量涂层的导热系数, 如表2 所示。
表2  中空玻璃微珠的粒径对涂料导热系数的影响

由表2 可以看出, 当中空玻璃微珠的粒径为2. 6~ 58um时, 涂层导热系数随中空玻璃微珠直径的增加而减小, 由于中空玻璃微珠粒径较小时内部气体体积小, 所以暂不考虑气体的热对流对中空玻璃微珠的导热系数的贡献[ 7] 。当中空玻璃微珠的粒径为58um 时, 涂料导热系数为0. 205W/ ( m•K) ; 当玻璃微珠的粒径为120um 时, 涂料导热系数为0. 219W/ ( m• K) ; 当中空玻璃微珠的粒径为58~ 500um 时, 随粒径的增大, 导热系数也相应增大。主要原因是当中空玻璃微珠的粒径过大时中空玻璃微珠之间不能完全被基体所填充,形成了空隙, 由于空隙的互相连通或部分呈封闭气孔, 造成空气对流传热, 传热加快, 从而使大粒径空心微珠涂料的隔热性能不佳。另外, 由于中空玻璃微珠的粒径过大, 中空玻璃微珠内部气体也会存在热对流, 此时中空玻璃微珠的导热系数来自自身导热系数和热对流2 个方面, 由此造成当中空玻璃微珠的粒径为58~ 500um 时, 随着粒径的增大, 导热系数增大。分析所测试的中空玻璃微珠粒径对涂料导热系数的影响可知, 当中空玻璃微珠的粒径为58􀀁m 左右时, 隔热涂料的导热系数最小, 比其它粒径的中空玻璃微珠隔热涂料的导热系数低6%~ 28%。

2. 3  涂膜厚度对涂料隔热性能的影响
涂膜厚度对热量的传导有阻碍作用, 图4 为涂刷不同厚度涂料铁板隔热性能的比较结果。

由图4 可知, 随着涂膜厚度的增加, 试板表面温度降低。当涂膜厚度从0. 1mm 增加到0. 2mm 时, 隔热效果显著提高, 在测试的10min 内, 试板表面温度较涂膜厚度为0. 1mm时降低约10 ºc ; 当涂膜厚度增加到0. 3mm 时, 试板表面温度较涂膜厚度为0. 2mm 时降低约4 ºc ; 当涂膜厚度继续增加时, 隔热效果几乎不再提高, 即涂层厚度对热量的阻碍已不明显, 已经达到饱和。当采用同一填料的中空玻璃微珠且达到一定厚度时, 单纯提高隔热涂料的厚度并不能改变其隔热效果[ 8] 。从涂膜厚度对涂料隔热性能的影响和经济因素考虑, 涂膜厚度为0. 3mm 较合适。

2. 4  中空玻璃微珠掺量对涂料热反射率的影响
中空玻璃微珠掺量对涂料的热反射率同样有影响, 图5为隔热涂料中中空玻璃微珠含量不同时涂刷相同厚度的涂层测得的结果。由图5 可知, 当中空玻璃微珠含量低于10% 时, 热反射率随中空玻璃微珠含量的增加显著增加; 当中空玻璃微珠含量达到10% 以后, 涂料热反射率的增加速率减缓; 当中空玻璃微珠含量达到12%时, 涂料的热反射率值最高; 继续增加中空玻璃微珠的含量, 热反射率几乎不再增加。

图5  不同中空玻璃微珠掺量对涂层隔热效果的影响
对于掺入中空玻璃微珠的隔热涂料, 由傅里叶传热定律可知, 一方面中空玻璃微珠的导热系数低, 当热流遇到中空玻璃微珠时将会出现分流, 热流在隔热涂料中的传递路径变长并且复杂化, 导致隔热涂料的传热性能降低; 另一方面, 涂料在固化成膜过程中, 中空玻璃微珠将进行多级组合排列,形成一层热缓冲层来进一步阻隔热量传递。因此, 刚开始随着中空玻璃微珠含量的增加, 隔热性能提高, 但中空玻璃微珠含量并不是越高越好, 当其含量为12% 时隔热性能达到饱和, 再增加中空玻璃微珠含量, 涂料的隔热效果不会明显增加, 并且会影响隔热涂料的流动度以及降低涂料的力学性能。从上述试验结果分析可知, 当中空玻璃微珠含量为10% ~ 12%时, 隔热涂料具有最佳的热反射率。

3  结论
( 1) 采用硅烷偶联剂预处理的隔热涂料, 其附着力增加1个等级, 由处理前的2 级上升为1 级。
( 2) 当中空玻璃微珠的粒径为58um 左右时, 隔热涂料具有适宜的导热系数, 比其它粒径的中空玻璃微珠隔热涂料的导热系数低6% ~ 28% 。
( 3) 当涂膜厚度从0. 1mm 增加到0. 2mm 时, 隔热效果显著提高; 当涂膜厚度增加到0. 3mm 时, 隔热效果提高不明显; 涂膜厚度再增加, 隔热效果几乎不再提高。从涂膜厚度对涂料隔热性能的影响和经济因素考虑, 涂膜厚度为0. 3mm较合适。
( 4) 当中空玻璃微珠含量低于10% 时, 热反射率随中空玻璃微珠含量的增加而显著增加; 当中空玻璃微珠含量达到10% 以后, 涂料热反射率的增加速率减缓, 当中空玻璃微球含量达到12% 时, 涂料的热反射率值最高, 继续增加涂料中玻璃微珠的含量, 热反射率几乎不再增加。故中空玻璃微珠含量为10%~ 12% 时, 涂料具有最佳的热反射率。

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