反射隔热功能涂料的研制

   日期:2022-03-07     浏览:156    
核心提示:0 引言我国早在20 世纪90 年代初就开始研究建筑用反射隔热涂料,也有很多的产品面市。为了规范市场,2007 年国家建设部制订了JC/
0 引言
我国早在20 世纪90 年代初就开始研究建筑用反射隔热涂料,也有很多的产品面市。为了规范市场,2007 年国家建设部制订了JC/T 1040—2007 建筑用反射隔热涂料行业标准,其中太阳光反射比(白色)指标为≥0.83,半球发射率为≥0.85。2010 年,该行业标准被修订为国家推荐标准GB/T 25261—2010,其中太阳光反射比(白色)指标为≥0.80,半球发射率为≥0.80。然而,目前国内建筑用反射隔热涂料产品质量仍参差不齐,技术工艺水平有待提高。研究的重点仍然停留在隔热、反射性材料类型选择研究和用量搭配方面,导致了建筑用反射隔热涂料性能难以取得较大的提高和突破[1]。本文研究了纳米二氧化钛粉体、反射太阳光红外线因子CICP-L 等材料对建筑反射隔热功能涂料反射太阳光的影响,提出了一条反射太阳光(特别是红外线)效果显著的涂料生产合成工艺路线,解决了普通建筑反射隔热涂料效果低下、色彩不能多样化的问题。

1 材料的选择与优化
1.1 树脂的选择
考虑到建筑物外墙耐水、耐沾污、抗老化的要求,选择有机硅改性合成丙烯酸建筑涂料乳液为成膜物质。
1.2 常规颜填料的选择
表1 为常规颜填料的基本性质,选择这些颜填料进行对比分析试验,用自制装置测试其反射率,并进行遴选。

1.2.1 颜色对反射率的影响
树脂固定的情况下,用彩色颜填料与白色颜填料制成涂层,对比太阳光反射率,以期得到颜色对太阳光反射率的影响。由经验可知,二氧化钛有很好的遮盖力和热反射性能。为了减少遮盖力对反射率的影响因素,突出颜色对反射率的影响,在配方中都用到一定量的二氧化钛,以增加其遮盖力,所制涂层配方见表2。试板如未标注膜厚,则均为35~40 μm。由上述实验结果可知,白色颜填料均具有较高的反射率。

1.2.2 遮盖力对反射率的影响
在颜基比(PVC)及粒径等其他条件一定时,对比各种白色颜填料中制成的涂层反射率情况。根据初步筛选,可以得到:在PVC 固定的情况下,遮盖力弱的白色颜填料制成的涂层反射率普遍低于遮盖力强的白色颜填料制成的涂层反射率,这是因为底板为铁板,遮盖力不强,底色会显露出来,影响反射率。实验结果(以下皆用ρ表示反射率):ρR 型二氧化钛>ρA 型二氧化钛>ρ硫化锌>ρ锌钡白>ρ氧化锌。由此也验证了在白色涂层中,反射率高低与遮盖力的强弱成正比。
1.2.3 晶型对反射率的影响
对于同种颜填料,如果晶型不同,其制成的涂层反射率也大不相同。在同等工艺条件下,对比锐钛型和金红石型二氧化钛制成的涂层的反射率,前者明显小于后者。不同光波中二氧化钛的反射率见图2。

目测检验不难发现,金红石型二氧化钛的遮盖力明显高于锐钛型二氧化钛。Ti02 颜料初级粒子的直径应略小于散射光线波长的一半,平均直径为0.2~0.3 μm。在这种情况下能有效起到散射光线的作用。表3 为锐钛型二氧化钛和金红石型二氧化钛的一般特性对比。

北京化工大学做了关于颜料粒子形状对反射率的影响,实验对不同形状的Ti02白色颜料在颜料体积分数、配方及工艺条件均相同的情况下分别制成涂膜。结果发现,含长方型颜料的涂膜热反射率比球型的颜料涂膜要高6%。图3 和图4 分别是长方型二氧化钛和球型二氧化钛涂膜的电镜照片。

由以上结果可以看出,金红石型二氧化钛在热反射涂料中起到的作用要强于锐钛型二氧化钛,故而在下述应用中,若未加以特殊说明,均采用金红石型二氧化钛。
1.2.4 不同颜填料的含量对反射率的影响
(1) 二氧化钛加量(PVC)对反射率的影响
表4 和图5 为不同二氧化钛加量对反射率的影响情况。


由图5 可以看出,随着PVC 的增加,白色涂层的反射率上升,到PVC 为20%时达到高值,之后随PVC 的增加反射率又下降,而在PVC 到达60%以后,反射率又随PVC的增加而增加并趋于平缓。其原因可能是,当PVC<20%时,随PVC 的增加,漆膜内颜料的相对密度增多,起反射作用的颜料粒子数增多,故反射率呈上升趋势;PVC 达到20%以后,随着PVC 的增加,由于颜料粒子的聚集,使散射的比表面积减少,散射效率降低,故反射率又下降;PVC 达到约60%后,基料已不足以润湿全部颜料粒子,漆膜内开始有空气,由于空气与颜料粒子界面之间的散射,故而反射率又逐渐升高。所以,对二氧化钛来讲,PVC 不是越大越好,而是有一个极限范围。另外,由表1 可知,除了二氧化钛以外其他白色颜填料的遮盖力都比较弱,故而为了降低遮盖力对反射率的影响,在对比其他颜填料PVC 与反射率的关系时,均用到(加入一定量的)金红石型(R)二氧化钛。
(2) 滑石粉含量对反射率的影响
滑石(talc)主要成分是含水的硅酸镁。当Ti/(Ti+R)质量百分比为20%时,检测滑石粉对反射率的影响,配方见表5,将talc/(talc+R)(质量百分比)对反射率作图,如图6 所示。

从图6 可以看出,当talc /(talc +R)为20%时,反射率随着talc /(talc +R)的升高而逐渐降低,滑石粉的加入对反射率起到副作用。

(3) 硫酸钡含量对反射率的影响
当Ba/(Ba+R)质量百分比为20%时,检测硫酸钡的含量对反射率的影响,配方见表6,将Ba/(Ba+R)(质量百分比)对反射率作图,如图7 所示。


由图7 可见,在二氧化钛含量一定的条件下,随着硫酸钡的增加,反射率逐渐增大,证明硫酸钡的增加对反射率有提高,升高到大点以后,反射率反而随硫酸钡的加入而降低,可能是由于硫酸钡与二氧化钛粒子相互产生影响,导致反射率降低[2]。
(4) 玻璃鳞片的含量对反射率的影响
涂料用玻璃鳞片是一种经特殊处理过的鳞片状玻璃(含碱玻璃和C 玻璃)粉,其主要成分为SiO2。在Si/(Si+R)质量百分比为20%时,检测加入玻璃鳞片的含量对反射率的影响,所用配方见表7,将Si/(Si+R)(质量百分比)对反射率作图,见图8。

由图8 可见,玻璃鳞片含量与反射率成反比。玻璃鳞片一般用于重防腐涂料中,起耐蚀作用,它的透射性能较好,光会穿透玻璃鳞片而到达底材,使得温度升高,故而热反射率降低。
1.3 涂料细度对反射率的影响
颜填料在树脂中的细度是涂料的一个重要指标。同一种涂料配方,同样的生产、涂装工艺条件下,细度对涂层反射率的影响见表8。由此得出涂料的佳细度。以细度对反射率作图,得到图9。

随着涂料细度值越小,反射率就越高,但是当细度达到一定程度以后,反射率反而下降,之后再上升,在40 μm处会出现一个突变点。
1.4 涂膜厚度对隔热效果的影响
膜的厚度对于热量的传导有阻碍作用,通过对同种配方不同膜厚的试板在一定时间碘钨灯照射下的底板温度比较,结果见表9。

从表9 可以看到:厚度<100 μm 时,温度在20 min之内达到平衡;当厚度>100 μm 时,温度在30 min 之内可以达到平衡。平衡后的底板温度和8 h 后的终温度一样,不会有变化。由此,选择经过30 min 碘钨灯照射后的终底板温度,观测膜厚对涂层隔热效果的影响。对同一种涂料配方的不同厚度涂层的反射率进行比较,认为对于同一配方的终温度会随膜厚的增加而减少,即其对于热能的阻碍会增强,但是不同配方阻碍的程度不同。当膜厚达到200 μm 以上时,膜厚的阻碍作用已不明显。这一点对于涂装施工有重要意义。
1.5 绝热隔热型功能填料对反射率的影响
空心玻璃微珠作为一种新型涂料填料,近年来得到广泛应用。在涂料中加入空心玻璃微珠可赋予涂层特殊性能,以满足某些特殊用途的要求,如力学强度、隔热等。空心玻璃微珠具有如下优点:①能够提高涂料的绝热性能和赋予涂膜更好的增白遮蔽效果,能够反射80%~90%的日光辐射热能,可防止涂膜结构中成膜物质的降解,延长使用寿命;②具有高效的填充性,能够减少涂料中基料的使用量,降低涂料施工中有害气体的排放,减少涂料VOC含量;③能够增强涂料的流平性、平滑性,明显改善涂膜硬度、抗刮伤等力学性能;④使涂膜具有更好的防污染、防腐蚀和耐黄变性能。在涂料中加入一定量的空心玻璃微珠,可以大大提高涂层的孔隙率,从而降低了热导率,起到了隔热降温的作用。为了进一步提高降温节能效果,具有反射-绝热复合功能的空心微珠成为研究的重点。
1.6 纳米反射红外线材料的研究
1.6.1 纳米材料对涂层的作用
纳米材料在涂料中的应用越来越广泛,已涉及到经济建设和工程的各领域。由于其独特的小尺寸效应和表面效应,当应用到涂料中时,可产生许多常规颜料无法产生的效果。如纳米级的Ti02、Si02、Zn0、Fe203、Al2O3 等是优良的抗老化剂,可以明显提高涂料的耐老化性能。纳米Zn0等金属氧化物由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强,而成为吸波涂料研究的热点之一。纳米Ti02 具有高的光催化性,是一种光催化半导体抗菌剂,可以作为很好的抗菌剂。
几种不同晶型、不同改性的纳米Ti02 加入涂料中,PVC为30%时,观察其对太阳热反射性能的影响,如表10。

在纳米粒子的反射率中,发现在可见光区的反射率比全波段区的反射率高12%~13%,而常规颜填料的反射率差别并没有这么大。
各种纳米粒子涂层的反射率图谱见图10,由图可见,1#粒子涂层在近红外区反射率高,可考虑用其代替常规二氧化钛。

将反射率高的纯纳米粒子1#加入配方中,代替一部分普通二氧化钛,检测其对反射率的影响,检测结果如表11 所示。其中,1#加入百分含量是指1#纳米粒子占颜填料粒子的体积百分含量(下同)。用1#加入量对反射率作图,可得图11。

由图11 可见,纳米粒子的加入,会大大增加涂层的反射率,而且只需加入少量即可达到较好的效果,若加入量继续增加,反射率仍然会升高,但升高的趋势趋于平缓,考虑到经济成本问题,只需用3%的纳米粒子即可。将试样X1 和X2 做2 500 倍电镜照片,见图12、图13。

可以看出,加入纳米粒子的X2 中,颜填料粒径明显小于没有加入纳米材料的X1,分散也更加细密,尽管加入量只有3%,但是区别也很大。可见纳米材料由于其小的粒径和大的比表面积,使得太阳光在经过涂层时,可以被多次散射,热能因此被分散,使反射率升高。因此,终确定加入3%的纳米二氧化钛,后全波段反射率达到90.57%,可见光波段反射率达到94.29%。
1.6.2 纳米粒子对涂层性能的影响
纳米粒子作为一种超细粉末,是一种高效广谱的物理抗紫外添加剂,粒径仅为10 ~100 nm,能透过可见光及散射波长更短(200~400 nm)的紫外光。具有化学性质稳定,无刺激性,无致敏,与基料相容性好,作用时间长,全面屏蔽、吸收紫外线等优点,其对紫外线吸收效果比有机紫外吸收剂有明显提高。该产品具有透明性和很强的耐光、耐候性,自身不会分解或析出,是一种安全、稳定、长效的新型紫外屏蔽材料。它在涂层中的作用不光对反射率起到好的作用,在力学性能方面也有一定的影响。

注:*编号同表11 中的含量。
从表12 可以看到,加入太多纳米粒子的涂层抗冲击强度会减弱,但是耐老化性能会增强,这一点对于长期在户外阳光照射下的热反射涂料有很重要的意义。
1.6.3 纳米反射红外线材料的研发
通过上述研究可以看到,在涂料中添加3%左右的常规纳米材料,可以提高太阳光反射率。但是这种反射主要集中在紫外线区域,对红外线的反射贡献并不大。而太阳热的能量主要集中在近红外区域。我们知道,除去被建筑表面反射的太阳光,另一部分光能则被吸收转化为热能。根据热辐射理论,任何物体在高于零度时,都会向外辐射能量。对于一般物体,辐射度还与表面发射比ε(也称发射率)有关系,即一般物体的辐射度表达式为:

式中,M 为总辐射度;σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数[6.57×10-8 W/(m2·K4)];T 为温度,K。
在常温下,温度为300 K的黑体对热红外区2.5~15 μm具有大的辐射度,当辐射能量大于吸收的热能,则物体就降温。由式(1)可知,增大发射率ε可使得总辐射度增加,因此在涂料中添加具有红外、高红外发射率的填料可提高辐射度。同时在热量传递过程中,使用含有中空结构的涂层将能起到绝热的作用,从而阻缓热流自外向内的传递,更好地达到降温节能的目的。因此,节能建筑涂料应从以下3个方面来考虑,即增加反射、提高热辐射以及绝热。反射型功能颜填料对可见光和红外光区的反射率高,但以往的研究主要集中于白色颜填料的开发,不能满足用户对于颜色的要求。近年来,对近红外区反射率高的深色CICP颜填料的开发渐成热点,该种颜填料兼具颜料和填料的功能,尤其在近红外区具有极高的反射率。相比应用普通填料的同色系涂料,加入CICP 系列颜填料的涂料反射率有大幅提高。这种对红外光具有高反射率的颜填料加入建筑屋面涂料后,光谱图显示与普通涂料在可见光区域有同样的反射率,但在近红外区显示出了极大的选择吸收性,反射了近红外区的大部分太阳光能。有研究用CICP制得10种不同颜色的节能涂料,与同色系的普通涂料对比,在夏季环境下,前者反射率大提高了440%,温度大降低了10.2 ℃。这类红外辐射填料主要是金属氧化物的复合物和碳化物,大辐射波段在2.5~12 μm。常用的氧化物有Fe2O3、MnO2、NiO、CuO、CoO、Cr2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、La2O3、CeO 等。因此,未来红外辐射颜填料的研发重点应放在对近红外区的高辐射方面。红外辐射填料的超细化也是提高发射率的一种手段。如果微观松散粒子间的间距较大,粒子间就基本上无相互作用力,从外界投射的辐射能可全部进入这层物质中,无论是在物质表面还是在物质内部基本上无反射现象发生,辐射能在传播的过程中逐渐地被物质所吸收,因此反射率与吸收率都接近于1,可以认为是黑体模型。实际的物体基本粒子间都是有相互作用,但只要减小粒子粒径就能减小粒子间的作用力,有效提高物体的发射率和吸收率。减小粒子间距简单可行的方法就是将物质超细化或纳米化。对涂料来说,就是将填料超细化,以提高涂层辐射。
根据上述理论,使用价廉易得的工业Fe2O3为基本原料,添加10%~30%的Al2O3,添加5%~20%CuO,加入20%~30%的MnO2,在800~1 300 ℃之间进行煅烧,获得一种纳米反射太阳光近红外线材料,并命名为CICP-L。由于煅烧过程引起了原来固体中的金属离子和氧离子的重组,形成了一个新的热稳定体系。CICP-L这种热稳定性使得它们更适于屋面材料的高温环境,并且由于其纳米级别的小粒径和高折光指数,能够很大程度上散射太阳光中的UV光和IR光。这种对IR光高反射率的颜填料加入建筑涂料后,光谱图显示与普通涂料在可见光区域有同样的反射率,但在近红外区显示出了极大的选择吸收性,反射了近红外区的大部分太阳光能。用CICP-L制得10种不同颜色的节能涂料,与同色系的普通涂料作对比,在夏季环境下,两者反射率大提高了500%,温度大降低了11 ℃。针对不同添加量的纳米反射红外线材料加入涂料中,PVC为30%时,观察其对太阳热红外线反射性能的影响,如表13所示。

从上述研究知道,当CICP-L 添加量达4%时,太阳光全波段、红外光反射率的提高趋于平稳。
2 终确定的配方、工艺流程
2.1 配方
经过多次正交实验,得出了比较合理、成熟的反射隔热功能涂料终配方,见表14。

2.2 生产工艺流程
执行一般建筑乳胶漆生产工艺见图14。

2.3 主要技术指标
DX-3M反射隔热功能涂料主要技术指标见表15。

3 结语
研究了纳米二氧化钛对涂层太阳光反射率的影响,确定了使用3%的纳米二氧化钛材料,可以使涂层获得满意的太阳光反射率;研究了纳米反射太阳光近红外线材料CICP-L对涂层反射太阳光红外线的影响,仅使用4%的CICP-L,即可使涂层获得满意的太阳光红外线反射率。
 









打赏
广告位
 

相关有机锡应用

推荐文章
热门文章
最新文章

电话咨询

咨询电话:
13761290006

微信咨询

QQ交流群

在线客服

售后服务

回到顶部

Baidu
map