颜料对水性反射隔热涂料性能的影响

0 前言
反射隔热涂料是一种功能性涂料,主要应用于建筑屋顶和外墙,它通过阻隔、反射、辐射等机理来延缓热能的传递,从而保持室内温度恒定,增大室内外的温差,在夏季减少降温能耗,在冬季降低取暖费用[1]。反射隔热涂料的组成中起主要作用的是成膜物质和颜填料,其中颜填料尤为重要[2]。

颜料的主要作用是使涂膜具有一定的遮盖力和呈现不同的色彩,因此要使涂膜具有优异的耐候性,颜料就需具有较好的遮盖力和着色力、较高的分散度、鲜明的色彩以及对光的稳定性等。白色颜料中应用最广、效果最好的是金红石型钛白粉,它能耐光、耐热、耐稀酸和碱,在白色和浅色涂料制备中必不可少[3]。此外,沉淀硫酸钡、氧化锌和立德粉作为钛白粉的辅助颜料,因价格便宜,常与钛白粉配合使用,以减轻紫外线对基料的破坏,赋予涂料良好的施工性及优良的力学性能。其中,沉淀硫酸钡(又称钡白)质地细腻,白度高,耐酸、碱、光、热,润滑性和分散性好,制成隔热涂料涂膜光泽度高、流平性好[4]。氧化锌(又称锌白)耐候性良好,不粉化,可改善涂膜的柔韧性和硬度,有清洁和防霉作用,作为紫外线吸收剂、固化剂或杀菌剂使用[5]。立德粉(又称锌钡白)含30%左右ZnS,70%左右BaSO4,颜色洁白,遮盖力强,着色力高,可提高涂料致密性和耐磨性,增强涂膜的抗老化能力[6]。

目前,外墙保温技术向高效、薄层、隔热、防水等一体化方向发展,关于建筑隔热涂料的开发研究也不断深入[7]。然而,针对反射隔热涂料中不同颜料对其性能影响的报道还较少。本试验从节约成本出发,分别采用硫酸钡、氧化锌和立德粉部分替代钛白粉颜料,考察其对水性反射隔热涂料性能的影响。

1 实验
1.1 原材料
基料:德国巴斯夫有限公司生产的Acronal PS 405 ap 丙烯酸乳液。颜料:美国亨斯曼公司生产的多用途金红石型钛白粉、淄博雍滨微粉厂生产的沉淀硫酸钡、青岛纳卡森锌业科技有限公司生产的氧化锌和广州拓亿有限公司生产的立德粉。所用颜料的主要性质见表1。填料主要有空心玻璃微珠、轻钙和滑石粉等。助剂主要有润湿分散剂、消泡剂、增塑剂和成膜助剂等。

1.2 涂料的制备
按表2 的配方称取各种物料,在低速搅拌下依次加入蒸馏水、润湿分散剂、消泡剂和成膜助剂等充分混合均匀,然后添加钛白粉等颜填料,高速分散研磨一段时间,细化粉体粒子并使之达到分散稳定状态。接着将调制好的颜填料色浆缓慢加入到乳液中,再低速搅拌30~40 min。为了避免过高的转速破坏微珠的空心结构,使其失去隔热反射能力,空心玻璃微珠最后在低速状态下加入到分散液中,搅拌过程中滴加剩余消泡剂,并调到合适的黏度,过滤,出料。

1.3 试验仪器
SDF-400 型调速分散研磨机;JTX-II 型涂料耐洗刷仪;C84-III 反射率测定仪;DXLL-10000 电子拉力机。隔热温差检测装置根据JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》标准自制(见图1)。其中测温箱是由3 cm 厚导热系数不大于0.030 W/(m·K)的XPS 板构成的五面体,内腔尺寸为30 cm×30 cm×30cm;测温仪测量精度为0.1 ℃;加热灯为全辐射通量135 W 的红外灯。

2 结果与讨论
2.1 钛白粉用量与涂膜性能的关系
反射率定义为被物体表面反射的光通量与入射到物体表面的光通量之比。为降低建筑物内部温度而使用的太阳热反射外墙涂料,应满足对可见光和近红外光的高反射。因此,具有高折光系数的TiO2 被用来制备反射隔热涂料。

2.1.1 TiO2 用量对反射率的影响(见图2)

由图2 可知,随着TiO2 用量的增加,白色涂层的反射率呈先增大后降低。在TiO2 用量为12%左右时达到最高值,之后随着TiO2 用量的增加,反射率反而有所下降。其原因可能是:当TiO2 开始逐渐添加时,涂膜内颜料的相对密度增多,起反射作用的颜料粒子数增大,故反射率呈上升趋势;当TiO2用量到达一定值以后,随着用量的进一步增加,分散的颜料颗粒开始重新聚集,使反射的比表面积减少,反射效率降低,导致反射率下降。所以,无论是从实验角度还是从实用成本考虑,TiO2 用量并不是越大越好,而是有一个极限范围,本试验选用12%左右。
2.1.2 TiO2 用量对涂料对比率的影响
涂料对比率是涂料遮盖底材上的颜色或异色的能力。遮盖力好的涂料只需施涂1~2 道就可遮住底材,涂料用量少,可大大节省涂装成本。涂料的遮盖力主要与所用颜料的品种及颜料体积浓度有关。TiO2 用量对涂料对比率的影响见图3。

由图3 可见,随着TiO2 用量的增加,涂料的对比率逐渐增大,说明在涂料的单位体积中存在越来越多的界面,对太阳光有尽可能大的散射,很大程度上减少了光线的透过。但钛白粉用量增加到18%后,颜料颗粒在涂膜中的排列逐渐致密,趋于饱和,此时对比率的增大不再明显。

2.2 不同颜料对涂膜性能的影响
分别选择沉淀硫酸钡、氧化锌和立德粉作为钛白粉的辅助颜料,与钛白粉搭配使用。涂料在制备过程中保持配方中的总颜料质量百分数为12%,通过改变其中的辅助颜料和钛白粉的比例,考察不同颜料对涂膜性能的影响。

2.2.1 不同颜料对反射率和对比率的
影响(见图4、图5)

由图4 可见,随着辅助颜料比例的增大,涂膜的反射性能存在不同程度的降低。在替代量小于50%时,涂层反射率的大小顺序为:立德粉>氧化锌>硫酸钡,这一顺序也与各颜料的折光系数相符合;然而,当替代量大于50%时,含有立德粉的涂膜反射率急剧下降,尽管该涂膜的反射性能在立德粉替代量小于30%时基本不受组分变化影响。其主要原因除了与反射率相关的介质物理性质有关,可能还由于各种粉料的粒子形状、颗粒大小及在涂料中的润湿分散程度不同等所导致。

由图5 可见,与单独使用钛白粉颜料相比,立德粉在替代量小于30%时,涂料的对比率一直呈上升趋势;而氧化锌的添加对对比率影响不大;但是,作为替代部分钛白粉颜料的硫酸钡,其微量的使用都会引起涂膜对比率的大幅度降低。由表1 可知,硫酸钡的折光系数较低,对光的散射作用差,添加后严重削弱了涂层的不透明度。而且,沉淀硫酸钡呈无定型粉末状,表面略带疏水性,吸油量相对较高,容易使涂膜不均匀,造成对比率下降。由此推断,选择吸油量低、折光系数高的氧化锌和立德粉取代30%的钛白粉颜料,在基本不影响反射性能的基础上,同样可达到一定的遮盖力。

2.2.2 不同颜料对涂膜拉伸性能的影响
拉伸性能按GB/T 16777—1997《建筑防水涂料试验方法》进行测试,结果见图6、图7。

由图6、图7 可见,当涂料体系中引入替代颜料后,涂膜的拉伸强度和断裂延伸率都随之增大。拉伸强度的大小顺序为:硫酸钡>立德粉>氧化锌;断裂延伸率的大小顺序为:氧化锌>立德粉>硫酸钡。由于对涂料中无机相与有机相的作用原理尚不完全清楚,推测可能由于物理化学性质不同的其它颜料加入到涂料体系后,能有效填补原本颜填料粒子间的孔隙,进而与涂料体系中的乳液、分散剂等其它组分间的作用增强,使颜料粒子与基料结合度增强,涂膜的拉伸性能提高,更能抵制外力的拉伸。
2.2.3 不同颜料对涂膜耐洗刷性的影响
耐洗刷性能可综合反映涂膜的耐水性、耐碱性、硬度、表面光滑程度和对底材的附着力等,是评价涂料优劣的重要指标。辅助颜料种类及用量对涂膜耐洗刷性的影响见图8。

由图8 可见,与单独使用TiO2 颜料相比,各白色颜料的混合添加均使涂层的耐洗刷性能有所下降,但添加立德粉下降最不明显,添加硫酸钡下降最明显。这可能是由于立德粉本身疏水耐碱,硬度低,润滑性好,且吸油量小;而硫酸钡粒径不均且吸油量大,在涂料中难以被完全润湿,以至分散性差,易团聚,涂膜干燥成型后表面也无法达到均匀致密,耐洗刷性能因而也明显降低。

2.3 不同颜料对涂层隔热效果的影响
在基础配方中加入10%的空心玻璃微珠和不同折光系数的白色颜料,分别在试板上制成涂膜,在同样的条件下进行对比试验,考察试板底面温度随时间的变化,结果见图9。

由图9 可以看出,试板上不同颜料配制的涂层,在红外灯辐照下,试板温度不断上升,当照射60 min 温度达到稳定时,试板底面的平衡温度按照硫酸钡>氧化锌>立德粉依次降低,含12%的钛白颜料的试板要比含4%硫酸钡和8%钛白粉试板底面的温度低4 ℃左右,即相同条件下替代颜料的折光系数越高,所配制涂层的表面温度越低,隔热效果越好。

3 结语
(1)钛白粉颜料能明显改善隔热涂料的反射性能,但添加量并非越高越好,这是因为颜料的过量添加反而会引起涂膜反射率的下降,添加量一般在12%左右时效果较好。
(2)探讨了用沉淀硫酸钡、氧化锌和立德粉作为辅助白色颜料,部分替代TiO2 制备反射隔热涂料涂膜性能的变化。结果表明,当立德粉替代量为钛白粉的30%时会引起涂膜反射率的下降,一般替代量为12%左右时效果较好,涂层的反射率、对比率、隔热和耐洗刷等性能与单独使用钛白粉颜料的差别不是很大。为了不影响涂料品质,建议优先选用立德粉来替代部分钛白颜料。

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