薄层隔热涂料的制备及其性能研究
王瑾璐, 蔡会武, 江照洋, 李建涛 (西安科技大学化工系, 西安710054)

0 引 言
传统的保温隔热材料是以提高气相空隙率, 降低导热系数和传导系数为主。纤维类保温材料在使用环境中为了使对流传热和辐射传热升高, 必须要有较厚的覆层[ 1] ; 而型材类无机保温材料要进行拼装施工, 存在接缝多、防水性差、使用寿命短等缺陷。为此, 人们一直在寻求与研究一种能大大提高保温隔热性能的新型薄层隔热材料[ 2- 5]。本实验拟从阻隔型保温涂料与辐射型保温涂料存在的不足入手, 以苯丙乳液为基料, 通过在以硅酸铝纤维[ 6] 为骨料的阻隔型隔热涂料中加入低导热系数的膨胀珍珠岩和海泡石来提高涂料的隔热性能, 同时加入吸收紫外线能力较强的二氧化钛和具有极高热反射率和发射率的空心玻珠[ 7- 8] , 期望得到一种由多种隔热机理同时起作用的复合型薄层隔热涂料[ 9- 11] 。

1 实验部分
1.1 实验材料
苯丙乳液: 上海通洋化工有限公司; 空心玻璃珠: 四川天行健微珠纳米材料有限公司; 二氧化钛: 天津市河北区海晶精细化工厂; 海泡石: 西安兴隆石棉制品厂; 膨胀珍珠岩: 西安兴隆石棉制品厂; 硅酸铝纤维: 西安振华保温材料厂; 成膜助剂:美国伊士曼化学公司; 分散剂5040; 润湿剂EC- 4500; 消泡剂KX2000; 增稠剂ASE- 60。
1.2 配方的设计
为了有效减少实验次数, 采用L16 ( 5 4 ) 正交表进行正交实验设计, 具体设计中不考虑各因素间的交互影响, 因素- 水平的设置见表1。

1.3 制备方法
先将水、润湿剂、分散剂、增稠剂、消泡剂混合在一起, 搅拌使之均匀。然后按正交计划表加入空心玻璃珠、二氧化钛、海泡石粉、硅酸铝纤维、膨胀珍珠岩等填料和成膜助剂, 高速搅拌, 得到均匀料浆。再将乳液、剩余消泡剂加入混合料浆中, 低速搅拌均匀后, 氨水调pH 值8~ 9即得产品。
1.4 测试方法
1.4.1 导热系数的测定
将产品倒于模框中干燥, 制成一定规格( 200 mm x200 mm x 15 mm )的试件, 用DRM - 1型导热系数测定仪(湖南湘潭仪器仪表厂)测定其导热系数。
1.4.2 剪切粘结强度及高温后粘结强度的检测
将试样涂抹于除锈后的两铁片( 3 cm x 10 cm ) 间, 涂抹面积为3 cm x 3 cm, 干燥后用KD- 50型电子控制万能试验机测试产品的剪切粘结强度:剪切粘结强度£= 大力F /接触面积S, 单位: kPa, 精确
至1 kPa。
高温后剪切粘结强度检测: 将上述已制备的试件放入( 150 士 5) ºC 烘箱中, 恒温6 h, 取出放入干燥器中, 冷却至室温, 按上述剪切粘结强度的检测方法分别检测。

2 结果与讨论
2.1 正交实验结果分析
按照表1的五因素四水平即L16 ( 5 4 ) 正交设计表进行实验, 共制备16组产品, 现将各组产品的导热系数测试结果整理成表2, 并进行极差分析, 将数据整理成表3。

通过表3对正交结果进行极差分析可知, 各颜填料对导热系数的影响权重从大到小依次为E→ C→ A→ B→ D。因素E重要, 因素C 次之, 因素B、D对反射率影响不大。根据实际情况, 结合正交表中的16 个实验结果: 第7 组正交实验A2B3C4D1E2导热系数为0. 046 2W /( m• K), 因此, 可以作为实际实验的优搭配方案, 即空心玻璃珠12 g, 海泡石9 g, 膨胀珍珠岩3 g, 二氧化钛12 g, 硅酸铝纤维7 g (填料、乳液、水和助剂总质量为100 g情况下) 。
2.2 硅酸铝纤维的用量对涂料导热系数的影响研究
在空心玻璃珠12 g, 海泡石9 g, 膨胀珍珠岩3 g, 二氧化钛12 g, 其他乳液、助剂、水的用量不变的条件下, 仅改变硅酸铝纤维的用量, 考察其用量变化对涂料导热系数的影响, 结果如图1所示。

由图1可以看出, 随着硅酸铝纤维的用量增加, 导热系数减小, 当硅酸铝纤维用量为7 g时, 涂料的导热系数小, 但随着硅酸铝纤维用量的继续增加, 导热系数变化基本不明显。这可能是随着硅酸铝纤维隔热骨料用量的增加达到一定用量后, 硅酸铝纤维起到的隔热作用便到达某一极限, 若要继续提高其隔热能力, 应通过改变其他条件来起作用。综合经济成本角度和隔热效果两方面考虑, 在填料、乳液、水和助剂总质量为100 g情况下, 硅酸铝纤维用量为7 g 时为适宜。
2.3 剪切粘结强度及高温后粘结强度的测试结果分析
将未经处理和经过热处理后样品的剪切粘结强度数据对比整理成图2。由图2可以看出, 经过高温热处理的样品, 其剪切粘结强度与常温下的试样比有很大提高, 这是由于粘结层结构变化引起的。由于加热过程使涂层微孔中的气体逸出, 形成一定的负压, 且聚合物乳液形成的涂膜经过高温后固化, 从而加强了涂层的粘结强度。同时也说明该隔热涂料在热环境下除具有低导热性能外, 其粘结强度不仅没有下降反而会有明显提高, 即在应用过程中, 该隔热涂料在起到良好隔热效果的同时也仍然具有优异的粘结强度和附着力。

2.4 涂料的其他性能测试结果
按照相关国家标准对涂料的其他性能进行了测试, 结果经整理统一列入表4。

对比相关国标可知, 所制得产品的各项指标均符合相关行业的国家标准, 可应用在众多领域。

3 结 语
( 1)颜填料和隔热骨料中对隔热涂料导热系数影响权重大的是硅酸铝纤维, 其次是膨胀珍珠岩。
( 2)正交实验结果确定的颜填料优配比方案为: 在填料、乳液、水和助剂总质量为100 g 情况下, 空心玻璃珠12 g,海泡石9 g, 膨胀珍珠岩3 g, 二氧化钛12 g, 硅酸铝纤维7 g。
( 3)产品的平均导热系数为0. 061 9W / ( m• K ), 是性能优良的隔热涂料。
( 4)产品的剪切粘结强度普遍较高, 且经高温处理后仍有提高, 该隔热涂料在起到良好隔热效果的同时仍具有优异的粘结强度, 且附着力强, 耐酸和耐碱性好, 是一种新型的复合型隔热涂料, 可应用在众多领域。