高红外发射率辐射型外墙节能涂料的研制

高红外发射率辐射型外墙节能涂料的研制

李建涛1,蔡会武2 ( 1. 商洛学院化学与化学工程系,陕西商洛726000; 2. 西安科技大学化学与化工学院,西安710054)

陶瓷材料是由多原子组成的大分子结构的物质,多原子在振动过程中易改变分子的对称性而使偶极矩发生变化。故而,许多陶瓷材料都具有较高的发射率。过渡金属氧化物组成的红外陶瓷粉发射率达85%以上,发射出的热大部分位于波长8 ~ 13. 5 μm 范围的“大气窗口”。辐射型隔热涂料是通过辐射的形式把建筑物吸收的日光或热量以一定的波长发射到空气中,从而达到隔热降温效果的功能性建筑涂料。辐射型隔热涂料不同于用玻璃棉、泡沫塑料等多孔性阻隔型保温涂料或反射型保温涂料,因为这些涂料只能减慢但不能阻挡热能的传递,而辐射型隔热涂料却能够以热发射的形式将吸收的热量辐射至太空,从而使建筑物内部与周围环境一同降温,从而可减轻城市的“热岛”效应。
本研究基于红外辐射产生机理,制备高发射率红外辐射粉,并以此红外材料为功能填料、氟碳乳液为基料、硅酸铝纤维为增强材料、辅以其他颜填料及助剂,旨在制备一种具有优异表面性能和高红外发射的功能性外墙涂料。

1 实验
1. 1 原料
三氧化二铁、氧化铜、三氧化二钴、二氧化锰: 分析纯,天津市福晨化学试剂厂; 堇青石( 325 目) : 佛山市南海区罗村胜业耐火材料有限公司; 硅酸铝纤维( 800 目) : 山西省河津市恒泰化工有限公司; 滑石粉( 325 目) : 陕西高冠非金属矿应用开发有限责任公司; 增稠剂( ASE - 60) 、润湿剂( EC - 4500) 、消泡剂( XBE2000) 、分散剂( 5040) : 天津市博迪化工有限公司;成膜助剂( Texanol) OE300: 美国伊士曼化学公司; 氟碳乳液[固含量= ( 45 ± 1) %]: 自制; 氨水: 化学纯,天津市河北区海晶精细化工厂; 去离子水等。
1. 2 主要仪器设备
电热鼓风干燥箱( 101 - 0AB 型) : 天津市泰斯特仪器有限公司; 智能箱式高温炉( DC - B 型) : 北京独创科技有限公司;电子天平( HX502 型) : 浙江省慈溪市天东衡器厂; 远红外线发射率测试仪( 302 型) : 台湾固纬电子实业有限公司; 行星球磨机( QM - SB 型) : 南京大学仪器厂; 标准筛( 325 目等) : 浙江上虞市五四建材仪器厂; X 衍射仪( D/max2550PC) : 日本理学( Rigaku) 公司。
1. 3 红外辐射粉的制备
按配方配料( 堇青石除外) ,在行星磨上湿混一定时间,烘干,研细,过筛; 所得粉料放入陶瓷坩埚,置于高温试验电阻炉中,在特定温度下保温若干小时。所得材料经粉碎、研磨、过筛; 再按配方比例加入堇青石,混合均匀; 得红外辐射粉。
1. 4 红外辐射粉制备工艺优化
采用L16 ( 45 ) 正交表进行正交试验,优化试验工艺,设计中不考虑各因素间的交互作用,配方暂取为: 三氧化二铁:65. 00 g,二氧化锰: 10. 00 g,氧化铜: 10. 00 g,三氧化二钴:10. 00 g,堇青石粉: 120. 00 g,操作过程见1. 3。因素水平设置如表1。
表1 五因素四水平正交设计表

1. 5 红外辐射粉配方设计
为了有效减少试验次数,采用L16 ( 45 ) 正交表进行正交试验设计。具体设计中不考虑各因素间的交互影响,制备工艺采用1. 4 确定的最佳工艺,具体操作步骤见1. 3。因素-水平的设置如表2。
表2 五因素四水平正交设计数据表

1. 6 红外发射氟碳外墙涂料的制备
先按配方将1 /4 消泡剂、润湿剂、分散剂和去离子水加入圆底三口烧瓶,低速搅拌0. 5 h; 然后相继加入功能填料、填料、增强材料和成膜助剂,高速分散1. 5 h; 接着加入剩余3 /4消泡剂、乳液和增稠剂,低速搅拌1. 0 h,用氨水调剂pH 至8左右,检测基本性能,过滤得到涂料产品,进行性能检测。由单因素实验确定红外辐射粉的最佳加入量,红外粉加入量从16. 00 ~ 30. 00 g,每隔2. 00 g 作为1 个试验点,以涂料在8 ~ 13. 5 μm 波段的发射率最高,其他性能合乎要求为依据。涂料配方见表3。
表3 涂料配方

1. 7 性能测试项目及方法
1. 7. 1 红外辐射粉的X 衍射表征
用日本理学( Rigaku) 公司的D/max2550PC 型X 衍射仪做红外辐射粉的X 衍射检测。
1. 7. 2 红外辐射粉发射率测试
采用302 远红外线发射率测试仪,温度为26 ℃,测试8 ~13. 5 μm 波段红外辐射粉的发射率。
1. 7. 3 涂料性能检测
涂料的其他性能测试依据“GB/T 9755—2001 合成树脂外墙乳液涂料”进行。

2 结果与讨论
2. 1 正交试验工艺优化的结果分析
正交实验结果的极差分析如表4 所示。

由表4 正交试验极差分析可知,所选各工艺参数对红外粉发射率影响的顺序为: C > A > D > B > E。结合各因子K 值分析得红外辐射粉的最佳制备工艺条件为: A3B2C3D4E2。以此制备条件,按1. 3 工艺步骤制备红外粉,测得其发射率为92. 78%,比按正交表制备的16 种红外粉发射率略高。从正交试验结果表中可以发现,煅烧温度在D4 - 1 300 ℃为所选最高温度,故以煅烧温度为1 400 ℃试验,结果产品的红外发射率为92. 85%,变化不大,为了节能,工艺条件中煅烧温度定为1 300 ℃较为适宜,故最佳工艺确定为: A3B2C3D4E2。
2. 2 正交试验配方优化的结果分析
红外辐射粉配方设计的正交试验结果极差分析如表5所示。
表5 正交结果极差分析表

由表5 正交试验极差分析可知,配方中各因素对红外辐射粉发射率影响主次顺序为: A > D > B > C > E。结合各因子K 值来看,红外辐射粉的最佳配方为: A3B3C3D2E2。以此配方,按1. 3 工艺步骤制备红外粉,测得其发射率为94. 25%,比试验过的配方略高,说明此正交试验结果得到的是较优配方,可采用。
2. 3 红外粉X 衍射结果分析
红外粉的X 衍射谱如图1 所示。

由图1 可见,经高温固相反应后,形成了CoFe2O4 反尖晶石相,产品是CoFe2O4 反尖晶石相和堇青石的复合物,二者均是高红外活性的物质。因此所制红外辐射粉发射率较高。
2. 4 红外辐射粉加入量的单因素试验结果分析
红外辐射粉对涂料发射率的影响如图2 所示。

由图2 可以看出,涂料的发射率随着红外粉加入量的增加逐渐增大,当加入量为26 g 左右时,达最大值78. 63%,继续增大红外粉的加入量,涂料发射率变化不大。另外,红外粉的颜色为灰色,加入量过多不利于涂料调色,再加上涂料其他组分协调性的原因,本研究确定红外粉最佳加入量为26 g。
2. 5 涂料表面和内部微观形貌分析
用扫描电子显微镜观察涂料产品表面和内部微观形貌,如图3 所示。

由图3 可以看到,涂层表面已被基料封锁成为致密的涂膜,这将有利于涂料防水性能的提升; 由涂料内部SEM 图可见,在涂膜内部各组分相互渗透,形成了均一的结构,有利用涂膜整体性能的提高。
2. 6 辐射型涂料保温隔热机理
当涂料表面受到太阳光照射时,反射、吸收和透过各占一部分,如图4 所示[12],以ρ、α 和τ 分别代表涂料层的表面总反射率、吸收率和透过率,则有ρ + α + τ = 1。ε( 8 ~ 13. 5 μm) 表示表层吸收的太阳能转化为8 ~ 13. 5 μm 波段内的红外辐射率。

由于涂料表层下面大多数为不透明的水泥层、钢铁层等,因此,可以近似认为其透过率τ = 0,由此,上式又可简化为: ρ+ α = 1,其中ρ、α 均随波长变化而变化。选择性红外辐射降温涂料的主要特性是其在可见光和近红外光范围内反射率高; 在8 ~ 13. 5 μm 波段范围内,其发射率( 等同于吸收率,即ε= α) 也尽可能高。太阳的辐射能中0. 3 ~ 2. 5 μm 处的能量占绝大部分,把这部分能量反射回大气和天空是该涂料的一个主要功能。然而在8 ~ 13. 5 μm 波段范围内,太阳辐射能和大气辐射能远低于地面向外层空间的辐射能。因此,在此波段内,如果涂料的吸收率即发射率尽可能高,这样就能尽可能多地把涂层和下层的水泥层中吸收到的太阳光能转化为热能,以红外辐射的方式在此波段内穿过大气“红外窗口”,高效地发射到大气外层的绝对零度区,从而达到降低温度的目的。
2. 7 涂料性能
按照前述方法制得的涂料,其基本性能见表6。

3 结语
在红外辐射产生机理的基础之上,采用过渡区金属氧化物掺杂和高温固相烧结法成功制得了高发射率的红外辐射粉。经正交试验确定了红外辐射粉的最佳制备工艺为: 湿混时间6 h,原料细度400 目,煅烧时间3 h,煅烧温度1 300 ℃,产品细度400 目; 红外粉的配方为: 三氧化二铁: 70. 00 g,二氧化锰: 11. 00 g,氧化铜: 11. 00 g,三氧化二钴: 10. 00 g,堇青石粉: 120. 00 g。以此工艺和配方制得的红外辐射粉为功能填料,氟碳乳液为基料,辅以其他颜填料及助剂制得的红外辐射外墙保温节能涂料的发射率大于78%,其他性能测试良好。

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