辐射型外墙隔热涂料的研制

辐射型外墙隔热涂料的研制

彭红,杨旗,陈明凤,刘立军( 重庆建筑工程职业学院,重庆400039)

辐射型外墙隔热涂料通过辐射的形式将建筑物吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到室外,促使室内在日落后以室外同样的速率降温,从而达到良好的隔热降温效果,是一种主动降温型隔热涂料[1]。配制辐射型外墙隔热涂料的关键在于功能颜填料的选取,本研究对3 类辐射性能优良的功能材料进行了掺量研究,并通过正交试验方法试配出一种辐射型外墙隔热涂料,并研究了其相关性能。

1 原料及设备
1. 1 主要原材料
纯丙烯酸乳液; 金红石型二氧化钛; 助剂; 辐射型功能材料: 800 目、325 目及纳米级的常温远红外陶瓷粉; 3 种金属氧化物( MnO2、Al2O3、Fe2O3) ; 600 目ZR - 涂料粉。所有原材料均为市售。
1. 2 主要设备
FX1. 5 型高速搅拌分散机; JJ - 1 型电动搅拌器; QL - 425型超声波分散机; 涂布器; 表面热电偶; 温度显示仪; 红外灯等。
1. 3 辐射型外墙隔热涂料的研制
1. 3. 1 基础配方
辐射型外墙隔热涂料的基础配方如表1 所示。
表1 辐射型外墙隔热涂料基础配方

1. 3. 2 工艺流程
( 1) 将分散剂加入蒸馏水中,放至低速搅拌机上充分搅拌均匀,将二氧化钛及功能材料按密度先小后大的顺序缓慢加入( 转速约为3 000 r /min) ,同时根据情况加入适量消泡剂,然后缓慢加入成膜助剂及1 /2 增稠剂,低速搅拌均匀后再移至高速搅拌机,加入剩余的1 /2 增稠剂,高速分散( 转速为3 000 ~ 4 000 r /min) 约30 min,获得颜填料色浆。
( 2) 将乳液缓慢加入调制好的颜填料色浆中,低速搅拌30 ~ 40 min,调节黏度和pH,出料。
( 3) 待试样静置1 d 后,用一定规格的涂布仪涂刷在待测石棉板上,自干24 h,再涂刷一层,晾1 周待测。
( 4) 样板规格: 按JC/T 412. 2—2006 中6. 3 和6. 4 规定的高密度Ⅳ级温石棉纤维水泥平板: 150 mm × 75 mm × ( 4 ~6) mm,基材表面处理按GB/T 9271—1988 的规定进行。

2 辐射型外墙隔热涂料的隔热效果测定
2. 1 涂层平衡温度的测定
试验装置: 用50 mm 厚的聚苯乙烯泡沫板制成一个外围尺寸为360 mm × 360 mm × 250 mm 的箱子,在箱子的上表面裁出2 个对称的长方形孔,尺寸以石棉板不会下漏为宜,试验装置见图1。

图1 涂层平衡温度测试装置示意图( h = 34 cm)
试验环境: 室内测试,保持室温为( 20 ± 2) ℃,将涂刷试样的石棉板先置于环境温度中,经试验确定使试板温度与环境温度平衡,测量时紧密门窗,减弱空气流动,降低试验误差。
测试步骤: ( 1) 将2 块涂有同一试样的石棉板放置275 W的红外灯正下方,板边缘彼此相距50 mm; 将聚苯乙烯泡沫板左右两边标号,分别记做L、R; ( 2) 开启电源,每隔3 min 记录一次2 块试板下表面的温度; ( 3) 共记录33 min( 通过试验发现,试板被照射33 min 后,继续照射过程中其下表面温度变化不超过1 ℃,视为至平衡温度) ,取2 个温度的平均值作为该试样的平衡温度,并将平衡温度减去初始室温记为绝对温升。
2. 2 模拟太阳光照射
为模拟在太阳光照射下外墙隔热涂料的隔热效果,自制了3 个空腔尺寸为长× 宽× 高= 350 mm × 350 mm × 300 mm的热箱,热箱的5 个面用聚苯乙烯泡沫板构成,上盖360 mm ×360 mm 的纤维水泥试板( 如图2 所示) 。将通过正交试验获得的最佳配方配制而成的辐射型外墙隔热涂料在纤维水泥板上均匀涂刷2 遍,与涂刷空白样( 二氧化钛为主要颜填料,无其他功能材料) 的试板及空板( 石棉板上不涂刷任何物质) 进行对比,测试在太阳照射下各热箱内的温度变化情况。

图2 模拟太阳光照射外墙涂料的测试装置示意图

3 结果与讨论
3. 1 单一辐射型功能材料掺量对涂层隔热性能的影响
在颜基比一定的前提下,考察单一辐射型功能材料不同掺量对涂层隔热性能的影响( 掺量以涂料总质量分数计) 。利用涂布仪将各样品制成相同厚度的涂层,然后按照2. 1 测试方法分别测定其绝对温升。
3. 1. 1 不同粒径的常温远红外陶瓷粉对涂层隔热性能的影响
远红外陶瓷粉是具有远红外辐射性能的陶瓷粉体材料,其辐射波长一般为3 ~ 100 μm。远红外陶瓷粉按其作用温度可分为3 类: 常温远红外陶瓷粉( 一般是指20 ~ 35 ℃) ,中温为150 ~ 600 ℃,大于600 ℃的为高温。常温远红外陶瓷粉与其他两类相比,具有以下特点[3]: ( 1) 常温下辐射率一般可以达到85%以上; ( 2) 光热转换率高,无需热源,接受环境热量后以红外能量形式输出。常温远红外陶瓷粉是一种新型光热转化功能材料,用途广泛。基于该原理,本研究选用3 种不同粒径的常温远红外陶瓷粉掺入隔热涂料中,利用其高红外热发射率性能,以达到增强涂层热辐射能力,降低室内温度的目的。图3 为选用3 种不同粒径的常温远红外陶瓷粉的红外吸收光谱[3],图中1、2、3 分别代表800 目、325 目及纳米级的常温远红外陶瓷粉。

图3 远红外陶瓷粉的红外吸收光谱
由图3 可看出,远红外陶瓷粉在波数约为3 445 cm- 1、1 640 cm- 1、1 019 cm- 1处现出了吸收峰,由公式[10 000 /波数= 波长( μm) ]将其换算成相应的波长,说明远红外陶瓷粉对波长约为2. 9 μm、6. 1 μm、9. 8 μm 的波段具有较好的吸收性能。有关研究表明[4],常温远红外陶瓷粉中使用的氧化物大致有2 类: A 类氧化物为常见的矿物原料,如锆英石( ZrO2·SiO2) 、堇青石( 2 MgO·2Al2O3·SiO2) 等,其辐射率在红外短波区较低,而在红外长波区较高; B 类为过渡金属氧化物,如Fe2O3、NiO、CoO、MnO2、Cr2O3等,其红外光谱辐射率皆较高。红外陶瓷粉,大多是由不同比例的A 类氧化物加B 类氧化物组成。在涂料中分别掺入3 种粒径的常温远红外陶瓷粉,其对涂层绝对温升的影响如图4 所示。

图4 常温远红外陶瓷粉掺量对涂层绝对温升的影响
从图4 可以看出,掺入800 目的远红外陶瓷粉,并没有起到改善涂层隔热性能的作用。纳米级远红外陶瓷粉的最佳掺量为5%,此掺量下的绝对温升为32. 1 ℃,与空白样相比降低了2. 5 ℃; 325 目远红外陶瓷粉的最佳掺量为2%,此掺量下的绝对温升为32. 8 ℃,与空白样相比降低了1. 8 ℃。
3. 1. 2 3 种过渡金属氧化物对涂层隔热性能的影响
过渡金属氧化物对红外光有较强的辐射率,原理是: 该类功能材料中的电子随温度升高会发生剧烈振动,振动的结果是使物质中的电子得到能量变成激发状态,导致外层电子跃迁到较高能位上去,致使它脱离了原来的轨道; 但是,电子在这种能位上是不稳定的,几乎随时都有跳回到原来轨道上的趋势,即从不稳定的较高能位回到原来的较低能位,电子每往回跳一次就会产生一个量子能,释放出辐射能。对于具有高红外辐射能力的材料,辐射能以红外线的形式输出[5]。基于以上原理,本研究在涂料中分别添加了MnO2、Al2O3、Fe2O3 3 种金属氧化物,这3 种材料是具有反尖晶石结构的掺杂型物质,具有热发射率高的特点。在涂料中分别掺入这3 种材料,其对涂层绝对温升的影响如图5 所示。

从图5 可以看出,虽然金属氧化物具有热发射率高的特点,但将其掺入涂料中,涂层的绝对温升普遍超过空白样,原因可能是金属氧化物的吸热能力比非金属的二氧化钛强。由于Fe2O3是红色粉末,当其掺量为4. 5% 时,配得的涂料已为深红色; 而MnO2为黑色粉末,随着其掺量的增加,涂料颜色趋近于黑色。图5 表明: Fe2O3、MnO2金属氧化物的隔热性能不如二氧化钛,且深色的材料能强烈吸收太阳光,不适合配制隔热涂层。
3. 1. 3 ZR 涂料粉对涂料隔热性能的影响
ZR 涂料粉的主要矿物组成有ZnO、Al2O3、SiO2,其次含有少量的CaO、Na2O、K2O 成分,该材料具有较高的发射率。在涂料中掺入ZR 涂料粉,其对涂层绝对温升的影响如图6 所示。

图6 ZR 涂料粉掺量对涂层绝对温升的影响
从图6 可见,在涂料中掺入少量的ZR 涂料粉对涂层的隔热效果具有较好的改善作用,且当其掺量为6% 时效果最佳,此掺量下的绝对温升为31. 5 ℃,与空白样相比降低了3. 1 ℃。
3. 2 辐射型外墙隔热涂料的研制
基于3. 1 的试验结果,通过正交试验将纳米级及325 目远红外陶瓷粉、Al2O3粉状材料、600 目ZR 涂料粉进行复合,配制复合辐射型外墙隔热涂料。采用L9( 34 ) 正交表进行正交试验。表2 为4 种材料的因素水平表,表3 为其正交试验结果及数据处理情况。
表2 辐射型外墙隔热涂料因素水平表

注: 用量均为涂料总质量的百分含量。

表3 辐射型外墙隔热涂料正交试验结果及数据处理

从表3 中方差R 可见,4种辐射型功能填料对涂层隔热性能的影响显著性为: D > A > B > C,并根据绝对温升越小隔热效果越好的原则,得出4 种辐射型功能填料的最优水平搭配为A1B2C1D3,即纳米级远红外陶瓷粉掺量为3. 0%、氧化铝掺量为1. 5%、325 目远红外陶瓷粉掺量为2. 0%、ZR 涂料粉掺量为7. 0%,则辐射型外墙隔热涂料的最佳配方见表4。
表4 辐射型外墙隔热涂料最佳配方

利用表4 配方配制而得的最佳辐射型外墙隔热涂料,测得其绝对温升为30. 6 ℃; 同时,通过委托国家建筑材料测试中心对该最佳辐射型涂料进行了半球发射率测试,得到该试样的半球发射率为87%,高于JC/T 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》中规定涂层半球发射率≥85%的要求。
3. 3 模拟太阳光照射实验
为进一步证实研制的辐射型外墙涂料对太阳光的隔热效果,利用2. 2 中介绍的实验装置,将3. 2 中经正交试验确定的最佳配方A1B2C1D3配制而得的辐射型隔热涂料与涂有空白样的石棉板及空板( 不涂覆任何物质的石棉板) 进行比较,进而考察3 者对太阳光的隔热效果,测试结果如图7。测试时间为08: 40—19: 40,每隔30 min 记录一次数据。从图7 可以看出,在整个模拟测试阶段,各箱内温度变化幅度由大到小依次是: 空白石棉板、空白样、辐射层。在一天中的最热时间段12: 30—16: 00,辐射涂层箱内温度与空白石棉板相比,最大温差达到10 ℃,与空白样相比,最大温差为2. 1 ℃,表明研制的辐射型隔热涂料具有较好的隔热降温效果。

4 结语
( 1) 通过考察在涂料中单掺某种辐射型功能材料,得到ZR 涂料粉对涂层的隔热效果有较为显著的改善,纳米级远红外陶瓷粉次之。
( 2) 在基准涂料中,ZR 涂料粉的最佳掺量为6%,此时与空白样相比,其绝对温升降低了3. 1 ℃。
( 3) 通过模拟太阳光照射,得到研制的辐射型外墙隔热涂料试样,其箱内温度与同条件下的空白石棉板相比,最大温差达到10 ℃; 与空白样相比,最大温差达到2. 1 ℃。

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