日期：2022-02-16
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182 核心提示：彩色热反射隔热涂料的研制与性能研究孙顺杰1，杨文颐1，冯晓杰1，于立冲2( 1． 中国建材检验认证集团股份有限公司，北京100024;
彩色热反射隔热涂料的研制与性能研究
孙顺杰1，杨文颐1，冯晓杰1，于立冲2
( 1． 中国建材检验认证集团股份有限公司，北京100024; 2． 广东龙湖科技股份有限公司，沈阳110003)
近年来，具有高太阳光反射比的反射隔热涂料成为建筑节能系统的研究热点，已广泛应用在建筑外墙、屋顶等部位［1］。辐射到地球上的太阳光由紫外光、可见光和近红外光组成，辐射能高可达000 W/m2 以上，其中可见光和近红外光谱占了太阳辐射能量的95%［2］。夏季阳光直接照射的墙体和屋顶表面温度可超过60 ℃，给生活和生产带来了不便。反射隔热涂料施工方便，涂刷在墙体、屋顶后能有效反射太阳辐射，起到显著的降温效果，从而降低夏季空调能耗。其中白色涂料热反射性能好，采用以二氧化钛为颜料的白色反射涂料反射比可达到80%以上。但在实际应用中，浅色或白色涂料漆膜存在耐沾污性差的缺点，在户外使用一段时间后，会因为漆膜表面变脏、变色导致热反射性能大大下降，更重要的是浅色或白色很难满足现代建筑外墙对不同色彩的需求，因而研究制备高反射比的彩色热反射涂料意义重大［3］，符合目前环保、节能趋势。
1 配方设计
1. 1 颜料的选择
彩色涂料的调色是通过在白色或低遮盖的涂料中添加色浆来实现的，而色浆的主要性能取决于其使用的颜料性能和含量。除二氧化钛外，由于传统的无机颜料和有机颜料对涂料热反射性能影响较大，所以绝大多数传统颜料不适合应用于彩色热反射隔热涂料体系，因此关于冷颜料的开发和应用成为目前颜料领域研究的热点［4］。
所谓冷颜料，通常是指具有高的太阳光反射比、耐候性良好，并且自身化学稳定性非常优异的一类颜料。冷颜料大多数都是由几种金属混合物在经过高温( 800 ℃以上) 煅烧后化合而成，其主要成分是复合无机物，所以也叫复合无机颜料［5］。优异的冷颜料，特别是深色的彩色颜料，在保证着色力的前提下，如何提高它的太阳光反射比成为生产制造的关键［6］，由于其通常用于建筑外表面的涂装，因此还必须兼备优异的耐候性和耐温度变化性能。美国劳伦斯伯克利国家实验室( LBNL) 根据颜料近红外的反向散射测试结果，将颜料进行了分级，分别为强、中、弱近红外散射性颜料，具体分类如表1所示。从表1 可以看出，冷颜料大多数属于强、中近红外散射性颜料。
1. 2 乳液的选择
目前应用于外墙涂料的乳液主要是丙烯酸乳液，主要分为纯丙乳液和苯丙乳液。通常纯丙乳液具有更好的抗紫外线和耐久性，适合配制低PVC 的涂料。而苯丙乳液具有较强的颜填料粘接能力，吸水率低，抗皂化性能好，适合制备高中PVC 涂料。硅改性丙烯酸乳液涂料的透气性适中，具有良好的耐老化性和耐沾污性，与底漆配套性好，因此，适宜的是硅改性丙烯酸乳液。本实验选择硅树脂和纯丙乳液复配作为涂料成膜物质。
1. 3 填料的选择
填料的加入主要是为了改善漆膜性能，降低成本，对涂料的颜色基本没有改变。在反射隔热涂料中添加填料，除考虑基本物理性能外，主要考虑填料对热反射性能的影响。常见的填料种类有重钙、硫酸钡、云母粉以及空心微珠等［7］。空心微珠是近年来出现的一种新型隔热填料，具有中空、轻质的特点，外观多为球形。和其他形状的填料相比，空心微珠的表面积体积比小，吸油量低，可降低树脂的用量。更重要的是空心微珠具有相互独立的中空微观结构，能有效阻隔热量传递，具有较高的隔热性能，是制备反射隔热涂料的常见填料。但空心微珠粒径多在40 ～ 60 μm，添加量超过一定比例后会影响漆膜表面平整度，进而降低漆膜耐沾污性能。添加润湿剂和分散剂，以提高涂料和色浆的相容性。
综合以上因素，基础配方设计如表2 所示。
表2 白色热反射隔热涂料基础配方
白色涂料配方中，颜料采用二氧化钛，加量一般在15% ～ 20%。调色时应根据颜色的深浅调整涂料中二氧化钛的加量。调配浅色涂料时二氧化钛用量为15%左右，中等颜色时二氧化钛用量为10%左右，而调配深色涂料时二氧化钛加量一般不会超过5%［8］。调色基础漆与色浆应有好的相容性［9］。
2 试验部分
2. 1 实验原料和仪器
二氧化钛CＲ － 828: 美国科美基公司; 氧化铁系列颜料: 德国朗盛公司; 有机颜料: 德国巴斯夫公司;冷颜料: 福禄( Ferro) 公司Eclipse? 系列产品; 有机硅树脂乳液BS 43N: 德国瓦克公司; 纯丙乳液AC －261: 美国陶氏公司; 空心微珠: 美国3M 公司。高速分散机、耐沾污测定仪、线棒涂布器: 上海现代仪器公司; 色差仪: 美能达公司D2600 型; 便携式反射比测试仪、便携式半球发射率测试仪: 美国D＆S公司; 隔热温差测试仪: 自制。
2. 2 测试方法
颜色测试: 用测色仪测试表面颜色参数L* 、a* 、b* 值( 其中L* 为明度值，a* 为红/绿值; b* 为黄/蓝值) ，并可计算不同颜色的色差ΔE 值。测量时采用D65 光源［10］。
太阳光反射比和近红外反射比: 参考ASTM C1549 － 02《用便携式日光反射计测定接近周围环境温度日光反射的试验方法》标准测试。
半球发射率: 参考ASTM C 1371 － 04《用便携式放射仪确定接近室温材料的发射率试验方法》标准测试。
隔热温差: 参考依据JG 235《建筑反射隔热涂料》修订征求意见稿附录D 测试方法。
耐沾污性: 按照GB /T 9755—2001 附录A 方法进行，污染源采用标准制灰。
3 结果与讨论
3. 1 彩色热反射涂料和普通外墙涂料热反射性能对比
根据表2 分别配制不同色系、不同深浅颜色的热反射涂料，其中色浆均采用冷颜料配制。同时配制相近颜色的普通外墙涂料进行性能对比，色浆采用普通颜料配制。
通过测试可以发现，漆膜颜色的深浅主要与L* 有关。通常将明度值高于80 的称为浅色涂料，明度值在40 ～80 之间的为中等颜色涂料，低于40 的称为深色涂料。为便于比较热反射涂料和普通涂料的性能，调配2种颜色接近的涂料，即其具有相近的L* 、a* 、b* 值。本实验中浅色涂料明度值约为85，中等颜色明度值约为65，深色涂料约为38。由于黄色颜料对涂料明度值改变较小，因而添加相同色浆量时其明度值与其他色系比较明显偏小。白色涂料明度值通常大于95。对以上涂料分别进行太阳光反射比和近红外反射比测试，结果如表3 和表4 所示。
表4 热反射涂料与普通涂料的反射比比值( 1)
根据表3 测试结果，按不同色系对比，白色具有高总反射比和近红外反射比，黄色次之，普通涂料中灰色低，而在热反射涂料中，灰色变化较大，可达到与绿色接近的热反射性能。表4 中列举了热反射涂料和普通涂料近红外反射比和太阳光反射比的比值，数据表明明度越低，两者差别越大。其中灰色为明显。综合表3、表4 测试结果，可以发现相对于普通外墙涂料，彩色热反射涂料在颜色相近的情况下，具有较高的热反射性能，能有效节省能源。
分析实验数据可以发现，大多数情况下，热反射隔热涂料的明度值L* 和近红外反射比存在线性关系，两者的大致关系可用式( 1) 表示。
ρ( NIＲ) = a × L* + b 式( 1)
式( 1) 中，a，b 为常数，a 一般范围为0. 005 ～0. 007， 100a + b 之和大约为常数0. 9。如果a 取中间值0. 006，式( 1) 可简化为:
ρ( NIＲ) = 0. 006 × L + 0. 3 式( 2)
测试同时发现，不同类型、不同颜色的涂料半球发射率差别不是很大，大多在0. 87 ～ 0. 90 之间。
3. 2 填料对涂料热反射性能的影响
以二氧化钛为着色颜料，分别考察常用填料对太阳热反射性能的影响，填料品种分别是空心微珠、硫酸钡、云母粉和重钙粉，结果如表5 所示。
表5 不同填料对涂料热反射性能的影响
从表5 可以看出，在白漆中加入硫酸钡对太阳光的反射性能影响小，云母粉次之，而采用空心微珠和重钙粉作为填料的涂膜，太阳光反射性能下降稍大，但也维持了较高的太阳光反射比。各种填料对半球发射率的影响较小，均保持较高的半球发射率［11］。可见空心微珠添加到涂料中并没有有效提高漆膜的反射比，其作用可能更多地是体现在隔热功能上。
3. 3 有机硅树脂乳液对涂料耐沾污性能的影响
热反射隔热涂料在实际应用中，会受到紫外线、雨水、灰尘等环境因素影响而导致热反射性能下降，因而要求热反射隔热涂料须具有良好的耐老化性、耐沾污性和耐水性。而乳液作为成膜物质，很大程度上决定了以上性能的好坏。有机硅树脂乳液是比较合适的乳液品种。
首先，有机硅树脂中含有憎水基团，使得漆膜具有较强的憎水性，能保持漆膜的干燥，延长其使用年限。其次，有机硅树脂乳液含有大量的键能很高的Si—O键，能有效抵抗户外紫外线光的破坏，具有优异的户外耐久性。有机硅树脂具有热固性，表观硬度几乎不随温度变化，即使在夏天户外环境中仍具有良好的耐沾污性。目前有机硅树脂乳液成本较高，在实际使用时常和纯丙乳液混拼。图1 是BS 43N( 有机硅树脂乳液) 和AC261( 硅丙乳液) 复配后在不同PVC时涂层的耐沾污性测试结果。
从图1 可以看出，不同PVC 的涂料耐沾污性能差异很大。在同一PVC 体系中，随着硅树脂乳液加量的增加，涂层耐沾污性能具有较明显的提高，但BS43N 用量超过50%后，性能略有下降，可能是BS 43N添加量超过一定程度后，带来了过多的微孔，影响了涂料耐沾污性［12］。
3. 4 基材、涂膜厚度对热反射性能的影响
彩色热反射涂料在使用中，反射性能还受到漆膜厚度、施工状况、基材等因素的影响［13］，其中漆膜厚度对热反射性能影响较大。当涂层较薄时，太阳辐射能会穿透涂层，此时反射的能量会受到基材种类和基层表面状况的影响。涂膜越薄，基材对涂层反射比的影响越大。因此，在热反射涂料实际应用过程中，为降低基材对热反射性能的影响，应保证涂层具有一定的厚度，从而使热反射涂料发挥大的隔热功能。实际施工中，采用不同的施工工艺会导致漆膜表面平整状况存在差异。测试表明，对于同一种涂料，粗糙的表面比平整的表面太阳光反射比略高，但差异较小，表面状态对涂层太阳反射比影响不大。
3. 5 隔热温差对比
依据JG 235《建筑反射隔热涂料》修订征求意见稿附录D 测试隔热温差，相同颜色的热反射涂料和普通外墙涂料隔热温差测试结果如表6 所示。
表6 热反射涂料与普通外墙涂料隔热温差对比
从表6 可以看出，与普通涂料相比，热反射涂料具有更低的测试温度，2种类型涂料的温差也主要与样品的明度相关，通常明度越大，颜色越浅，两者之间的温差越小; 随着测试时间的延长，两者之间的温差变大，但变化不是很大。所有样品中深灰涂料温差大，1h、1. 5 h 背板温差可分别达到8. 5 ℃和8. 7 ℃。
4 结语
通过添加高性能的冷颜料和硫酸钡等颜填料，选择有机硅树脂－ 丙烯酸复配乳液作为成膜物质，可制备出热反射性能优异，装饰性能好的彩色热反射隔热涂料，其具有良好的耐久性和耐沾污性能。与普通外墙涂料相比，除有相同的装饰效果，还有优异的热反射性能和隔热性能，具有广泛的应用前景。
