高性能空心玻璃微珠在外墙隔热涂料中的研究

高性能空心玻璃微珠在外墙隔热涂料中的研究

陈金伟  冯建林  许传华  刘亚辉( 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司, 马鞍山243004)

隔热保温涂料是近年来开发的一种新型保温材料。隔热保温涂料自身热阻大、导热系数低, 而且热反射率高, 能有效地降低辐射传热及传导传热, 起到隔热保温的作用[ 1] 。隔热保温涂料综合了涂料及保温材料的双重特点, 干燥后形成具有一定强度及弹性的保温层, 保温效果显著, 且费用较一般保温材料便宜。
高性能空心玻璃微珠, 简称( H GM) 属于碱石灰硼硅酸盐玻璃材料。图1 为高性能空心玻璃微珠的偏光显微镜照片。从图中看出: 微珠是一颗颗透明的微米级玻璃质密闭中空正球体, 有坚硬的球壳, 球体内充有稀薄的N2 。从在宏观上看是纯白色的粉末。其粒径大小不等, 最小颗粒粒径为2um, 其平均粒径为35um。壁厚约为其直径的10%。因为中空质轻的特点, 所以微珠具有极低的导热系数, 是优良的隔热保温材料[ 2] 。

图1  高性能空心玻璃微珠的偏光显微镜照片

空心玻璃微珠作为一种新型的功能填料, 它具有以下优点: ( a) 导热系数低, 可在20 时, 0. 0512~0. 0934W/ m • k 之间进行调节。( b) 真密度小, 乳液体系中均匀分散, 可在0. 25~ 0. 60g/ cm3 之间进行密度调节。( c) 抗压能力强, 可在5~ 60MPa 之间进行调节。在研磨、混合过程中不易破碎, 能充分发挥隔热作用。( d) 密封性好, 使保温涂料体系稳定。高性能空心玻璃微珠的各项理化性能见表1。

* 为根据实际生产选用不同型号。
本实验以高性能空心玻璃微珠作为功能填料,制备出具有良好隔热保温性能的涂料, 研究了功能填料种类和含量、涂膜的厚度等因素对隔热效果的影响。

1   实验部分
1. 1   原料和设备
实验原料: 高性能空心玻璃微珠、膨胀珍珠岩、滑石粉、硅藻土、钛白粉、纯丙乳液( BC-2021) 、润湿分散剂、消泡剂、增稠剂、成膜助剂、防霉杀菌剂、多功能助剂, 蒸馏水等, 所有原料均为市销的工业品。
实验仪器: 涂料隔热反射测试装置( 自制) 、分散砂磨机、旋转黏度计、电动变频搅拌器、电子天平、300 目筛等。图2 为涂料隔热保温测试装置示意图( 自制) ,其中红外灯: 275W; 热电偶: 测量范围0~ 200 , 测量精度为+- 0. 5 度; 隔热保温箱: 密封聚氨酯泡沫板制作, 400mm * 400mm * 300mm, 厚度20mm; 温度计: 测量范围0~ 100度 , 测量精度为+-0. 1 。

1. 2   普通涂料的制备
首先将事先称好的滑石粉、硅藻土、钛白粉、润湿分散剂、多功能助剂、一部分消泡剂, 按一定比例充分研磨混合, 再用高速搅拌( 3000r/ min) , 搅拌时间为20min 制成均匀的料浆。此时, 加入纯丙乳液( BC-2021) 、高性能空心玻璃微珠、防霉杀菌剂、增稠剂、成膜助剂、剩余消泡剂到浆料, 充分的低速搅拌30min 后过滤, 制备出隔热涂料。
1. 3  隔热涂料的制备
在参考普通涂料的制备工艺的基础上, 分别制备出填充有高性能空心玻璃微珠和膨胀珍珠岩的功能填料的隔热涂料。

2  结果与讨论
通过实验对中钢马矿院高性能空心玻璃微珠、国内某膨胀珍珠岩、普通涂料进行同等对比实验。
2. 1  各种微珠的填充对涂料的隔热性能的影响
图3 为各种微珠填充涂料的隔热性能随时间变化曲线图。从图中看出: 在红外灯的连续照射下, 涂料的表面温度随着时间的增长而呈现出升高的趋势。其中, 马矿院微珠填充的隔热性能要优于国内膨胀珍珠岩、普通涂料的。当照射60min 后, 三者填充涂料的表面温度分别为: 51 度、54. 5 度、60度 。加入微珠的涂料表面温度比普通涂料低了9 , 其隔热性能优异。

图3  微珠填充涂料的隔热性能随时间变化曲线图
此外, 膨胀珍珠岩并不是理想的隔热材料。因为膨胀珍珠岩是一种未完全闭合的多孔蜂窝结构的球体, 且带有空穴, 内应力集中点比较多, 容易破碎。因此在涂料制备过程中, 低速搅拌导致部分膨胀珍珠岩破碎, 失去了中空的结构, 最终导致涂料的隔热性能下降[ 3] 。
2. 2   微珠填充含量对涂料的隔热性能的影响
图4 为微珠填充含量对涂料的隔热性能随时间变化曲线图。如图所示: 随着玻璃微珠和膨胀珍珠岩填充含量增加涂料表面温度降低。当玻璃微珠和膨胀珍珠岩填充量达到25% 时, 涂料表面的温度分别降至为54 、56 。其中, 马矿院微珠填充量达到25% 时, 涂料表面温度下降缓慢, 温度变化不明显, 这种现象是由于玻璃微珠在涂料中的排布情况不同而引起的。当空心玻璃微珠较少时, 在涂膜中排布稀疏, 不能形成致密的反射层, 光线能够透射穿过涂膜, 因此反射隔热效果有限。随着空心玻璃微珠含量的增加达到25%时, 玻璃微珠在涂膜中的排列致密, 呈饱和状态, 涂膜的反射隔热效果明显。若继续增加玻璃微珠的含量, 只能增加玻璃微珠在膜中的厚度, 而对涂膜表面的排布密度不产生影响, 因此膜的反射隔热效果没有产生明显的变化。

图4  微珠填充含量对涂料的隔热性能的影响曲线图

2. 3   涂料的涂膜厚度对隔热性能的影响
图5 为涂料涂膜厚度对隔热性能的影响曲线图。

图5  涂料的涂膜厚度对隔热性能的影响曲线图
如图5 所示随着涂膜厚度的增加而涂料表面温度降低。涂膜厚度达到600um 时, 涂料表面温度分别降至52 、53. 5 。当涂层较薄时, 光线穿过涂膜, 会被基材吸收, 随着厚度增加, 透射光线量随之降低, 直到不透光为止。所以, 继续增加涂膜厚度,微珠填充涂膜表面的温度基本不再变化, 膨胀珍珠岩的涂膜则隔热效果明显不足, 这是由于自身多孔、易碎的缺点所导致的[ 4] 。

3  结论
( 1) 参考普通涂料的制备工艺的基础上, 分别制备出填充有高性能空心玻璃微珠和膨胀珍珠岩为功能填料的隔热涂料, 并进行了对比测试。
( 2) 实验表明: 采用高性能玻璃微珠填充的隔热涂料隔热性能明显改善。照射60min 后, 涂料的表面温度为: 51 , 比普通涂料低了9 ; 当填充量达到25%时, 涂料表面温度降至54 ; 当微珠用量一定,涂膜厚度为600um 时, 涂料表面的温度降至52 。
( 3) 与此同时, 对于功能填料来说马矿院微珠工艺最为先进, 微珠各项理化性能使其在涂料中的表现明显优于国内膨胀珍珠岩的, 因此是一种理想的填充剂。微珠填充量为25% , 涂膜厚度为600um。

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