膏状相变贮能保温隔热弹性腻子的研制

0 引言
目前,我国建筑能耗约占社会总能耗的35% 左右,建筑节能已被列入国家十大节能工程之一。为实现建筑节能50% 和65% 的目标,对新建筑和现有建筑普遍推行“外墙保温工程技术”,重点推行EPS(聚苯乙烯泡沫板)/XPS(挤塑聚苯乙烯泡沫板)薄抹灰外墙保温系统和PS(聚苯乙烯)颗粒浆料外墙外保温系统。几年来的实践证明:由于上述保温系统存在接缝多、材料内应力大、尺寸稳定性差、热应力造成的变形量大等缺陷,极易造成保温层开裂,继而引发保护层出现裂纹。外墙腻子是保护层的找平材料,与外保温系统配套的腻子应具有适宜的黏结强度、优良的抗开裂性能、耐水性、抗渗透性和透气性能,另外,还应具有隔热降温性能,以便减少温变裂缝的产生,并改善室内的热环境。本研究以弹性乳液为成膜物,以硅铝基陶瓷空心微珠为保温填料,以定形相变材料为蓄能调温填料,以重钙和滑石粉为矿物填料,在助剂和水的配合下,制成膏状相变贮能保温隔热弹性腻子,其除具有适宜的黏结强度、优异的遮蔽裂纹的弹性、良好的耐水性和抗渗透性、较好的透气性能外,同时还兼具相变调温、控温及保温隔热功能,与外墙外保温系统有优良的相容性、匹配性及协同增效性。

1 实验部分
1.1 原材料
弹性丙烯酸乳液2848NG,北京东方明天化工有限公司;醋酸乙烯- 乙烯共聚物乳液VAE707,山西三维集团股份公司;海泡石粉,石家庄;石蜡(熔点55~58℃,潜热200 J/g),进口;硅铝基陶瓷空心微珠,北京世先英华新材料科技有限公司;重钙,唐山;滑石粉,兴城;乙二醇,燕化;羟丙甲基纤维素,汕头龙湖科技实业公司;分散剂、消泡剂、NaOH、硬脂酸,市售。
1.2 基本配方
膏状相变贮能保温隔热弹性腻子的基本配方见表1。

1.3 制备工艺
(1) 海泡石定形相变材料的制备:将适量的10%NaOH 溶液加入反应釜中,搅拌下加入适量硬脂酸,加热升温至硬脂酸溶化,补加20% 水,加热至沸腾,加入石蜡至完全溶解,加余量开水,搅拌均匀。缓慢加入经烘干的海泡石粉,于80℃保温搅拌1 h,降温后待用。
(2) 将乳液、分散剂、消泡剂、防霉剂、乙二醇及羟丙甲基纤维素水溶液、木质纤维搅拌分散均匀后,加入海泡石定形相变材料、重钙、滑石粉、陶瓷空心微珠,搅拌成均匀的膏状体。
1.4 性能检测
(1) 常规性能检测:按JG 158—2004《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》中规定的柔性抗裂腻子要求检测。
(2) 导热系数的测定:将弹性腻子刮涂于塑料板上,厚度> 2 mm,实干后制成半径为12 mm 的标准圆片形测试样品3 个,用LFA477 激光散射导热仪进行导热系数的测定,求其平均值。
(3) 相变控温性能试验:采用模拟试验方法,将EPS 薄抹灰外墙外保温系统施工于墙体向阳面,规格为3 m×3 m,其中1/2 面积批刮不加石蜡的同一配方腻子作对照样(1 号样板),另1/2 面积批刮加十八烷蜡的本文配方腻子(2 号样板),腻子层厚度均为2 mm。在晴天午后2 时,气温35℃条件下,测得1 号和2 号样板的表面温度,并求其温差;在清晨5 时,气温20℃条件下,用同样方法测得两块样板的表面温度,并求其温差。

2 结果与讨论
2.1 乳液对腻子性能的影响
乳液是腻子的主要成膜物,乳液的类型及用量是决定腻子物化性能的主要因素,因此乳液的选择及其用量的确定至关重要。自交联型弹性丙烯酸乳液2848NG,最低成膜温度(MFT)<0℃,固含量达61%,具有优异的断裂延伸率、抗拉强度、耐水抗渗性、机械稳定性、耐久性和耐沾污性,并且涂膜具有“呼吸”透气功能;VAE707 乳液,MFT 为0℃,固含量为56%,具有良好的柔韧性、黏结性、相容性和稳定性。将两者以适量的比例混拼,其涂膜不但综合了两者的优点,而且能够降低成本。
在配方中固定混合乳液含量为40%,且其他因素不变的前提下,只改变2848NG 与VAE707 的质量比,考察其对腻子性能的影响,结果见表2。
表2 2848NG 与VAE707 的配比对腻子性能的影响

由表2 可知:在混拼乳液用量固定的条件下,随着VAE707 用量的减少,腻子层的黏结强度和吸水量降低,耐水性提高,低温贮存稳定性变好,断裂延伸率提高。综合考虑,选取2848NG∶VAE707=3~4∶1。
2.2 相变材料的选择及其控温隔热作用
2.2.1 相变材料的控温隔热机理
在用于外保温系统配套的弹性腻子中,加入适量的相变材料石蜡,在炎热季节,腻子层因吸收太阳辐射热和空气对流传热而温度上升,当达到石蜡的熔点时,石蜡开始相变,由固态变为液态,同时吸收热能并将其贮存起来,从而控制墙面温度的上升速度和最高温度(波峰)值,减少向内部墙体传输的热量;当气温降低时,腻子层的温度随之下降,当温度降到石蜡的相变点时,石蜡产生逆相变,由液态转变为固态,并将贮存的热量释放出来,从而减缓腻子层温度的下降速度,且最终峰谷温度比对照样稍有提高,缩小了高、低温差,防止或减轻了保温层因温变过快或温差过大引起的温变裂缝,相变材料在弹性腻子的温变过程中起到“削峰填谷”的作用。

2.2.2 对石蜡相变温度的选择
石蜡的相变潜热高(200 J/g)、性能稳定、价格便宜、无过冷和相分离现象,并有一定的抗张强度、黏结性、柔韧性、防水密封性等。其相变温度从低到高可调可控,可形成相变温度系列石蜡烷烃品种。在建筑围护结构中,根据相变材料的使用部位、墙面的最高温度和平均温度选择适宜的相变温度品种,以达到最佳的控温隔热效果。相变温度可通过如下关系式计算而得:
Tpcm=(tmax + T)/2
式中:Tpcm——相变材料的相变温度,℃ ;
tmax——保温墙体表面的最高温度,℃ ;
T——保温墙体表面的日平均温度,℃。
以北京市为例,夏季高温天气测得EPS 板外保温系统的表面最高温度为76℃,日平均温度为35℃,将其代入上式,计算得Tpcm=55.5℃,即选择相变温度为58.5℃的石蜡为最佳。

2.2.3 石蜡的加入方式及掺量选择
将相变材料加入建筑材料中形成调温建材,其加入方式目前主要有直接加入法、浸渍法和微胶囊法3 种。从性价比出发,本研究选择了浸渍法。利用海泡石粉的微孔结构,将经过乳化的石蜡微粒子吸附到海泡石的微孔隙中,形成定形相变材料,既避免了石蜡在相变过程中渗出,也提高了海泡石粉的耐水防渗性能。按照模拟试验方法制备样板,测试石蜡不同掺量对弹性腻子波峰(最高温)和波谷(最低温)温度的影响,考察其控温隔热性能,结果见表3。
表3 石蜡掺量对腻子波峰、波谷温度的影响

注:波峰测试条件为夏季晴天午后3 时,气温34℃ ;波谷为清晨5 时,气温为20℃。
由表3 可见:不掺石蜡的腻子样板波峰温度为76℃,波谷温度为21℃,峰谷温差为55℃,随着石蜡掺量的增加,波峰温度逐渐下降,而波谷温度小幅度上升,温差逐渐缩小。在试验条件下,当石蜡掺量达10% 时,虽然腻子波峰温度最低,峰谷温差最小,控温隔热效果最好,但是作为相变材料载体的海泡石粉的掺量也随之增加,致使弹性腻子的黏结强度和断裂伸长率下降,且成本较高。当石蜡掺量为6%~8% 时,腻子的各项性能指标均能满足标准要求。

2.3 轻质填料对腻子保温绝热性的影响
相变材料是影响腻子层调温、控温、隔热的主要因素,以海泡石粉、木纤维、陶瓷空心微珠组成的轻质填料,是影响腻子涂层保温、绝热性能的主要因素。将相变材料与轻质填料复合使用,可使腻子既有调温、控温、隔热功能,又有保温绝热功能,对提高外保温系统的保温隔热效果和节能效率具有显著的辅助作用。海泡石粉是一种天然富镁型层链状硅酸盐,灰白色,成针束状,内部多孔且孔隙相通,表面有凹槽,相对密度低,吸附性和水化性强,但吸水后不膨胀。虽然,本研究已用海泡石粉吸附了一定量的石蜡微粒,且微孔开口已被石蜡封闭,但是海泡石粉粒子内部仍然存在着未被石蜡填充的大量微孔,仍具有较低的导热系数。海泡石的针状及表面凹槽结构,有利于在腻子中异向分布、凹槽咬合、交联,可有效改善涂层的物理性能。木纤维可在腻子层中呈乱向分布,成为涂层的细筋,构成立体网状结构,提高腻子层的孔隙率,并减小孔隙尺寸,同时也提高了腻子的机械强度和施工性能。硅铝基陶瓷空心微珠内部呈多孔性微小空心结构,微孔尺寸达到了纳米或亚纳米级,外部由纤维空心网状结构构成坚硬的外壳,抗压强度达5 000~6 000 kg/cm2,导热系数为0.07~0.12 W/(m·K),以其为主要填料制备的腻子,导热系数低、保温绝热性能好、抗拉强度高、断裂延伸率大,且因具有滚珠效应而改善施工性能。在配方中其他因素不变、且填料总量固定的条件下,改变陶瓷空心微珠用量对腻子层导热系数的影响见表4。
由表4 可知:随着陶瓷空心微珠用量的增加,腻子的导热系数逐渐减小,当其用量达20% 时,导热系数为0.091 W/(m·K),继续增加陶瓷空心微珠用量,腻子的导热系数下降缓慢,且成本增加,故陶瓷微珠的用量以20% 为宜。
表4 陶瓷空心微珠用量对腻子层导热系数的影响

2.4 性能检测结果
膏状相变贮能保温隔热弹性腻子的性能指标检测结果见表5。
表5 膏状相变贮能保温隔热弹性腻子的性能指标


3 结语
(1) 膏状相变贮能保温隔热弹性腻子是外墙外保温系统的配套材料,腻子层能在遮蔽保护层裂纹、防止装饰涂膜开裂、增强保温隔热效果、提高节能效率方面发挥重要作用。
(2) 成膜物由交联丙烯酸乳液和VAE 乳液组成,当两者之比为3~4∶1,且占腻子配方量的40% 时,腻子的各项物理指标均达到或超过JG 158—2004 标准要求,且涂层的断裂延伸率达187%。
(3) 将石蜡液吸附到海泡石的微孔隙中,制成相变定形材料并将其添加到腻子中,利用石蜡在等温下发生相变吸收或释放一定的相变潜热,与周围介质或环境进行热量贮存和交换,达到贮热和调控温的效果。当石蜡掺量为6%~8% 时,与不加石蜡的同配方腻子相比,其表面温度波峰降低6~7℃,波谷上升4℃,峰谷温差下降10~11℃,具有明显的隔热降温作用。
(4) 以海泡石粉、木纤维、陶瓷空心微珠组成的轻质多孔材料为主要填料制备的腻子具有良好的保温绝热性,在填料总量不变,且海泡石粉和木纤维掺量固定的条件下,陶瓷空心微珠的添加量达20% 时,腻子的导热系数为0.091 W/(m·K),且物化性能优良。

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