复合型水性丙烯酸酯外墙隔热涂料的研制

复合型水性丙烯酸酯外墙隔热涂料的研制

叶秀芳1,崔兰州2,高永辉1,袁毅华1
( 1. 佛山科学技术学院理学院,广东佛山528000; 2. 广州龙沙研究开发中心,广州511455)

建筑能耗约占全国能耗的35%,国家已经对新建筑采取了强制性隔热保温措施,采用隔热保温涂料对建筑物的屋顶、外墙进行涂装是目前重点推广的节能方法之一。根据隔热涂料的隔热机理和隔热方式不同,隔热涂料可分为阻隔型、反射型、辐射型。一种隔热保温效果良好的涂料往往是两种或多种隔热机理协同作用的结果[1 - 2]。目前,国内硅酸盐类隔热涂料是生产和使用最为广泛的阻隔型隔热涂料,反射型和辐射型隔热涂料还没有得到广泛的应用。但是,对于阻隔型隔热涂料而言,由于材料本身存在结构上的缺陷,这类隔热涂料较少用于外墙涂装[3 - 4]。目前自主研发的复合型外墙用涂料在国内的应用很少,相关研究仍处于起步阶段。在全球气候变暖对人类生存和发展产生严峻挑战的情况下,发展低碳经济是全球各国达成的共识。鉴于我国建筑行业近年迅猛的发展势头和广阔的发展前景,复合型隔热涂料产业的市场发展潜力非常巨大,研制性能优良的水性复合型保温涂料是建筑外墙涂料的发展趋势。本研究在先分别制备阻隔、反射、辐射型隔热涂料的基础上,研制集3 种隔热功能为一体的高效复合型隔热涂料,并利用正交实验得到复合型隔热涂料的最佳配方。

1 实验部分
1. 1 主要试剂
丙烯酸: 分析纯,天津市大茂化学试剂厂; N - 羟甲基丙烯酸酰胺: 分析纯,天津市化学试剂研究所; 丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛: 分析纯,天津市福晨化学试剂厂; 硅藻土: 化学纯,广东台山化工厂; 空心玻璃微珠: 分析纯,佛山银亮粉体材料有限公司; 氧化铝: 化学纯,广东台山化工厂; 热反射隔热粉: 分析纯,佛山银亮粉体材料有限公司。
1. 2 主要仪器
HH - 2 数显恒温水浴锅: 金坛市富华仪器有限公司; 精密增力电动搅拌器: 金坛市宏华仪器厂; BME100LX 高剪切混合乳化机: 上海威宇机电制造有限公司; 微机控制电子万能试验机: 深圳市瑞格尔仪器有限公司; HL5050 嵌入式白炽灯具: 佛山南海罗村廻龙灯饰电器有限公司。
1. 3 涂料制备
1. 3. 1 水溶性丙烯酸树脂的制备
在带有搅拌的四口烧瓶中加入水、十二烷基硫酸钠、乳化剂OP - 10 升温到50 ℃,将N - 羟甲基丙烯酰胺水溶液、单体( 甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯等) 按配方混合并加入反应体系,搅拌乳化,继续升温并缓慢滴加过硫酸铵水溶液,于80 ~ 82 ℃保温搅拌反应回流1. 5 h,待体系降温至50 ℃后用少量的三乙胺水溶液调节pH = 7. 5 ~ 8. 5,用乙二醇丁醚和水混合稀释即可过滤出料,得到水溶性丙烯酸树脂。
1. 3. 2 不同类型隔热涂料的制备
( 1) 阻隔型/反射型/热反射型/辐射型隔热涂料的制备:将二氧化钛和隔热功能填料( 硅藻土/空心玻璃微珠/热反射隔热粉/氧化铝) 加入乳化机,搅拌分散即得颜填料色浆; 然后将水溶性丙烯酸树脂乳液加入调制好的颜填料色浆中搅拌,调节黏度和pH,即可得到相应的阻隔型/反射型/热反射型/辐射型隔热涂料。
( 2) 复合型隔热涂料的制备: 结合上述4 种隔热功能填料的用量和隔热效果关系,采用正交试验,探索最佳的复合型涂料的最佳配方,按上述实验方法制备复合型隔热涂料。

1. 4 涂料性能的测试
涂料的基本性能测试参照相应的国家标准进行,隔热性能测试方法主要是参照1976 年美国军标MIL - E - 46136( A) [5 - 6]提供的标准设计改进的自制热箱装置,如图1 所示。装置用25 mm 厚的聚苯乙烯泡沫板制成一个外围尺寸为250 mm × 250 mm × 200 mm 的箱子,箱子的上表面裁出一个150 mm × 30 mm 的长方形孔洞。

图1 自制隔热效果测定装置示意图
试验环境: 室内测试,将试板先置于环境温度中2 h 以上,使试板温度与环境温度平衡,测量时紧闭门窗,保证风速为0,尽量减小试验误差。
测试步骤: ① 分别将涂有未添加隔热功能填料的空白涂料试样( 膜厚为15 μm) 和涂有添加隔热功能填料的涂料试样( 膜厚为15 μm) 样板放在2 个隔热测定装置的长方形空洞上,用40 W 的白炽灯挂在2 个装置正上方300 mm 处; ② 同时开启白炽灯,每隔5 min 记录2 个样板在同一时间点下铝合金板背面的温度; ③ 至温度变化不超过1 ℃( 视为平衡温度)时,两装置铝合金板背面的温度相减即为隔热效果的隔热温差。

2 结果与讨论
2. 1 成膜物的选择
用于外墙隔热涂料的树脂,要求对可见光和近红外光吸收率低、透明度高( 80%以上) 、对太阳能的吸收率低。丙烯酸树脂由于透明性好,折射系数较低,涂层的隔热性能也相应较好。此外,丙烯酸树脂本身因不含吸热基团,具有极好的耐水性、抗渗性、耐候性、柔韧性和与基层的粘接强度,被选取的丙烯酸树脂是水性的,能更好适应环保的趋势。采用水性丙烯酸酯为成膜物制备的防水涂料的涂膜具有弹性好、延伸率高、对基层变形适应力强、对气温变化适应范围广、耐老化、无毒环保、颜色浅等特点,可广泛适用于屋面、外墙防水装饰工程。
2. 2 阻隔型/反射型/热反射型/辐射型4 种涂料的隔热性能
隔热温差与相应功能填料用量的关系如图2 所示。

图2 隔热涂料的隔热温差与功能填料用量的关系
由图2 可看出,阻隔型、反射型和辐射型隔热涂料的隔热效果与功能填料用量的关系并不是线性关系,当硅藻土用量为2%时,阻隔型涂料的隔热温差最大达到6. 9 ℃; 空心玻璃微珠用量为2%时,反射型涂料的隔热温差最大达到7. 2 ℃,氧化铝用量为4%时,辐射型功涂料的隔热温差为6. 3 ℃。其中热反射型涂料的隔热温差是随着热反射隔热粉用量的增大而增加的,热反射隔热粉的加入对涂层的隔热起着显著的改善作用,并随着其用量的增加,这种改善效果更为明显,在颜料质量浓度为45%,掺量为11% 时,隔热温差可达10. 2 ℃。但是热反射隔热填料的价格偏贵,加之填料的增加会影响涂料基本性能,因此,热反射隔热粉的用量也并非是越多越好。
2. 3 复合型隔热涂料的最佳配方及其隔热性能
上述阻隔型/反射型/热反射型/辐射型隔热涂料的隔热温差测试结果表明: 硅藻土、空心玻璃微珠、热反射隔热粉、氧化铝这4 种功能隔热填料的添加对涂料均有一定的隔热保温效果,因此本研究拟复合这4 种功能颜料以达到更好的隔热效果,结合上述4 种隔热功能填料的用量和隔热效果关系,选用L9( 34 ) 正交表进行正交试验,探索最佳的复合型涂料的最佳配方,按上述实验方法制备复合型隔热涂料。表1 为4 种功能填料的因素水平表,表2 为复合型水性丙烯酸酯外墙隔热涂料的正交试验设计及配方。
表1 4 种功能填料的因素水平表


通过对正交实验中4 种因素对隔热效果的影响进行极差分析可知,4种功能颜料对涂层隔热性能的影响显著性为: C> B > D > A,并根据隔热温差越大隔热效果越好的原则,得出4 种功能颜料的最优水平搭配为A3B2C3D2,因此可以得到如表3 所示的复合型隔热涂料的最佳配方。按上述隔热测试方法对最佳配方的复合型隔热涂料样涂膜和空白涂料样涂膜的隔热效果进行测试,结果表明,该配方的复合型涂料的隔热温差可达8. 7 ℃。
表3 复合型涂料的最佳配方

3 结语
以水溶性丙烯酸树脂为基体,通过添加硅藻土、空心玻璃微珠、热反射隔热粉、氧化铝粉等具有隔热性能的功能颜料,制备了4 类隔热涂料,它们的最佳配方的隔热温差分别为6. 9 ℃、7. 2 ℃、10. 2 ℃( 颜料质量浓度为45% 条件下,掺量为11%时) 、6. 3 ℃。在此基础上,对上述4 种功能填料进行复合配制,制备得到了集3 种隔热机理为一体的高效复合型隔热涂料,并利用正交实验得到复合型隔热涂料的最佳配方,测试结果表明: 该配方制备的复合型隔热涂料隔热温差为8. 7 ℃,涂料的主要性能指标测试结果都符合相关标准要求,综合性能好,符合建筑外墙涂料低碳节能环保的发展趋势。

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