提高反射隔熱涂料性能和質(zhì)量方法探討

中國(guó)新型涂料網(wǎng)訊：
摘要：基于國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保型綠色建材的大力推廣，建筑反射隔熱涂料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是目前市場(chǎng)上的反射隔熱涂料性能和質(zhì)量參差不齊，對(duì)行業(yè)的健康發(fā)展造成了很大的負(fù)面影響。因此，本文結(jié)合我們的研究?jī)?nèi)容對(duì)影響反射隔熱涂料性能和質(zhì)量的因素進(jìn)行了總結(jié)分析，以期對(duì)反射隔熱涂料行業(yè)的進(jìn)步有所幫助。
關(guān)鍵字：反射隔熱；空心玻璃微珠；納米ATO
Key words: energy conservation coatings,reflecting insulated coatings, cool roof, interior wall heat preservation coatings, transparent glass insulated coatings
       能源的不可再生性使其成為影響世界發(fā)展的重要問(wèn)題，而建筑住房的不斷增多使得節(jié)能材料在建筑行業(yè)的運(yùn)用日益廣泛。尤其是在我國(guó)，建筑物大多都是高能耗非節(jié)能型建筑，單位建筑面積能耗大概占發(fā)達(dá)國(guó)家單位建筑能耗的3倍左右，這給我國(guó)的經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康穩(wěn)定發(fā)展帶來(lái)很大的制約。因此，2013年國(guó)務(wù)院發(fā)布《綠色建筑行動(dòng)方案》，要求切實(shí)抓好新建建筑節(jié)能工作，大力推進(jìn)既有建筑節(jié)能改造，開(kāi)展城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)改造，推進(jìn)可再生能源建筑規(guī)�；瘧�(yīng)用，加強(qiáng)公共建筑節(jié)能管理，加快綠色建筑相關(guān)技術(shù)研發(fā)推廣，大力發(fā)展綠色建材；并且我國(guó)在“十二五”綠色建筑和綠色生態(tài)城區(qū)發(fā)展規(guī)劃中明確提出推動(dòng)綠色建筑發(fā)展，黨政機(jī)關(guān)、大型公共場(chǎng)所2014年起率先執(zhí)行綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，并引導(dǎo)商業(yè)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)企業(yè)建設(shè)綠色住宅小區(qū)，同時(shí)加快既有建筑節(jié)能改造。建筑反射隔熱涂料作為一種使用方便、價(jià)格實(shí)惠、節(jié)能高效的綠色建材，近年來(lái)越來(lái)越廣泛地被運(yùn)用在綠色節(jié)能建筑中。
       建筑反射隔熱涂料主要通過(guò)提高漆膜的太陽(yáng)光反射比、增大涂層的熱阻以及提高涂層的紅外輻射率等途徑來(lái)降低建筑物內(nèi)外表面及內(nèi)部的溫度，從而減低空調(diào)、風(fēng)扇等制冷設(shè)備的使用，節(jié)約能耗。因此，理想的建筑反射隔熱涂料必須滿足以下條件：（1）除隔熱性能以外的其他性能滿足并優(yōu)于傳統(tǒng)外墻涂料；（2)在200nm至2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的，對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光有較好的反射比；（3）涂層的導(dǎo)熱系數(shù)必須較低；（ 4）在8μm至13.5μm遠(yuǎn)紅外波段內(nèi)具有較高的輻射率。
       本文主要是對(duì)我們近年來(lái)在建筑反射隔熱領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行一定的總結(jié)，概括出影響反射隔熱涂料性能和質(zhì)量的因素，以期能夠?qū)τ诜瓷涓魺嵬苛闲阅芎唾|(zhì)量的提高有一定的參考價(jià)值。
1　樹(shù)脂種類對(duì)于反射隔熱涂料性能影響
       對(duì)于反射隔熱涂料用乳液（樹(shù)脂），首先必須滿足對(duì)太陽(yáng)光的吸收率盡可能小。表1列出了幾種涂層的太陽(yáng)光熱吸收率，我們可以發(fā)現(xiàn)，在使用TiO2顏料基礎(chǔ)上，各種樹(shù)脂的吸收率差別不大，并且各種樹(shù)脂的折光指數(shù)都在1.45-1.5之間，差別很小。因此，我們可以認(rèn)為樹(shù)脂的種類對(duì)于反射隔熱涂料的熱反射性能影響很小。
表1 幾種涂層的太陽(yáng)熱吸收率
 
       另一方面，反射隔熱涂料作為一種功能性的外墻涂料，其樹(shù)脂的種類對(duì)于涂層的耐候性、耐沾污性、熱反射性能的穩(wěn)定性及涂層的使用壽命存在決定性的影響。在常用樹(shù)脂中，環(huán)氧樹(shù)脂因它的苯環(huán)基團(tuán)和環(huán)氧基團(tuán)易致黃變而很少用于外墻涂料，有機(jī)硅樹(shù)脂和聚氨酯樹(shù)脂由于價(jià)格較高同樣未能成為外墻隔熱涂料的最佳選擇。因此，我們?cè)谖墨I(xiàn)1中選擇了四種不同的丙烯酸類樹(shù)脂，考察了不同丙烯酸類樹(shù)脂對(duì)于漆膜性能的影響，結(jié)果如表2所示。
表2 不同丙烯酸類樹(shù)脂對(duì)于漆膜性能的影響
 
       由表2測(cè)試結(jié)果可以看出，苯丙乳液B和彈性乳液D制成的漆膜經(jīng)600h紫外加速老化儀照射后出現(xiàn)輕微黃變，且彈性乳液D的硬度較低，耐沾污性能差硅，丙乳液C 的附著力較差；純丙乳液A 具有較高的硬度和優(yōu)異的附著力，制成的漆膜耐沾污性能最好。因此，選擇純丙乳液A作為反射隔熱涂料的樹(shù)脂是最優(yōu)的選擇。
2　顏填料種類對(duì)反射隔熱涂料性能影響
       顏填料種類對(duì)于反射隔熱涂料的性能具有很大的影響，尤其是熱反射性能，并且顏填料對(duì)涂層熱反射性能的影響一直是反射隔熱涂料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)高折光顏料是反射隔熱涂料配方中不可缺少的顏料，其中，金紅石型鈦白粉以2.80的高折光指數(shù)成為了反射隔熱涂料的首選。此外，隔熱功能填料在反射隔熱涂料配方中也有非常重要的意義，近年來(lái)，隔熱功能填料取得了很大的進(jìn)展，從幾年前的空心玻璃微珠占統(tǒng)治地位逐漸呈現(xiàn)出各類反射隔熱粉、空心玻璃微珠、輻射粉體、納米粒子等功能填料競(jìng)相發(fā)展的格局。
2.1　普通隔熱功能填料對(duì)反射隔熱涂料性能影響
2.1.1 空心玻璃微珠種類和用量對(duì)反射隔熱涂料隔熱性能影響
       在含空心玻璃微珠的反射隔熱體系中，空心玻璃微珠種類對(duì)于隔熱涂料的隔熱效果具有很大的影響，本實(shí)驗(yàn)室分別選擇了粒徑不同的空心玻璃微珠K1和S38，比較了采用二者制備的隔熱涂料隔熱效果，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，粒徑更大的K1制備的隔熱涂料隔熱效果更好，這是因?yàn)閱挝惑w積內(nèi)由粒徑更大的空心玻璃微珠制備的涂層具有更多的空氣腔，涂層的導(dǎo)熱系數(shù)更小。
2.2 體質(zhì)顏料對(duì)反射隔熱涂料性能影響
       絹云母廣泛應(yīng)用于涂料工業(yè)中，它能夠作為體質(zhì)填料增加漆膜的豐滿度，能夠防止紫外線穿透而改變涂膜的耐候性及耐熱性。絹云母屬于單斜晶系，一軸平行薄片平面，粉體具有一定的厚徑比，易于成有序定向排列，易產(chǎn)生消光效應(yīng)，可以阻擋可見(jiàn)光，也能屏蔽紫外線和紅外輻射，理論上講還可以阻擋微波。由于絹云母具備良好的光學(xué)性能，因此，它對(duì)漆膜的反射隔熱能力同樣可以產(chǎn)生一定影響。本實(shí)驗(yàn)室比較過(guò)超細(xì)硫酸鋇和絹云母的隔熱效果，發(fā)現(xiàn)絹云母在一定程度上能夠提高提高涂層的隔熱性能。在文獻(xiàn)2中將絹云母按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.5％、11.5％、13.5％、15.5％、17.5％的比例添加至僅含Ti02的涂料中，分別標(biāo)為1#一5#，標(biāo)注普通外墻漆為0#，所得的漆膜隔熱能力如圖3所示。 2.3　納米粒子對(duì)反射隔熱涂料性能影響
       具有屏蔽紅外光和紫外線的納米粒子在反射隔熱涂料中具有很好的發(fā)展前景，目前已經(jīng)證明能夠提高反射隔熱涂料隔熱性能的納米粒子包括納米氧化鈦、納米氧化鋯、納米ATO、納米ITO等。本實(shí)驗(yàn)室對(duì)這些材料在反射隔熱涂料體系中的應(yīng)用有過(guò)較系統(tǒng)的研究，其中納米ATO的應(yīng)用最為引人關(guān)注。在文獻(xiàn)3中，選用納米ATO粉體作為隔熱填料，并將其制備的納米ATO漿料應(yīng)用到涂料中，使用自制的仿真涂層反射隔熱測(cè)試儀測(cè)定其隔熱效果，結(jié)果如圖4所示。        由圖4可見(jiàn)，納米ATO漿料在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％時(shí)，涂層的隔熱效果最優(yōu)。當(dāng)納米ATO漿料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10％時(shí)，涂層的隔熱性能隨著納米ATO漿料添加量的增加而提高；在超過(guò)10％之后，涂層的隔熱性能出現(xiàn)下降趨勢(shì)。原因可能是由于ATO粉體本身呈藍(lán)灰色，添加到涂層中，必然會(huì)對(duì)涂層的色澤產(chǎn)生影響。添加量越大，涂層的顏色越偏向于藍(lán)黑色。而深色的物質(zhì)對(duì)太陽(yáng)熱輻射能的吸收能力較強(qiáng)，顏色越深，吸收的熱量越多。因此，ATO粉體自身的近紅外光反射能力會(huì)與涂層顏色的熱輻射吸收能力構(gòu)成競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)。當(dāng)反射能力大于吸收能力時(shí)，涂層表現(xiàn)出良好的隔熱效應(yīng)；當(dāng)反射能力小于吸收能力時(shí)，涂層的隔熱效應(yīng)開(kāi)始變差。
3涂料粘度對(duì)反射隔熱涂料質(zhì)量影響
       由于空心玻璃微珠為輕質(zhì)填料，在以空心玻璃微珠為基礎(chǔ)制備的隔熱涂料在貯存過(guò)程中空心玻璃微珠有一定的上浮，導(dǎo)致整個(gè)體系的粘度升高及結(jié)皮。我們?cè)谘芯窟^(guò)程中發(fā)現(xiàn)通過(guò)提高體系粘度，可以有效改善涂料的貯存性能。通過(guò)使用增稠劑調(diào)節(jié)體系粘度，隔熱涂料的貯存性能如表4所示。由表4可見(jiàn)，應(yīng)用增稠劑調(diào)節(jié)初始粘度至100KU以上可以有效避免空心微珠上浮，從而獲得穩(wěn)定的懸浮涂料體系。
表4 粘度對(duì)含K1體系穩(wěn)定性的影響
4 空心玻璃微珠添加工藝對(duì)隔熱涂料性能影響
       空心玻璃微珠抗壓強(qiáng)度較低。在高速分散時(shí)隨二氧化鈦等顏填料加入，會(huì)造成微珠的大面積破碎。如果在涂料制備的最后階段，分次逐步添加，則能夠有效地保護(hù)微珠，使其在漆膜中形成緊密的排布層。高速分散后的含空心微珠漆膜與后期低速加入微珠形成漆膜的電鏡照片如圖5、圖6所示。我們同時(shí)測(cè)定了兩種不同添加工藝涂層的隔熱效果，結(jié)果顯示高速分散后的涂層隔熱性能大幅度下降。這主要是因?yàn)榭招牟Ａ�微珠大量破碎，造成漆膜�?nèi)反射填料的減少；同時(shí)破碎的空心玻璃微珠導(dǎo)熱系數(shù)明顯增大，導(dǎo)致漆膜的熱阻減小，隔熱效果變差。       （2）目前市場(chǎng)上反射隔熱粉已經(jīng)非常普遍，因此，對(duì)于反射隔熱粉的應(yīng)用研究及開(kāi)發(fā)更多性能更好的反射隔熱粉將成為下一階段反射隔熱涂料的研究重點(diǎn)。
      （3）在含空心玻璃微珠的反射隔熱涂料體系中，空心玻璃微珠的種類、用量、添加工藝及體系粘度都對(duì)反射隔熱涂料的性能和質(zhì)量具有一定的影響，應(yīng)多加注意。
      （4）對(duì)于添加納米粒子的反射隔熱涂料體系，尤其是添加納米ATO這類藍(lán)灰色的填料，一定要注意納米粒子的添加量及納米粒子的充分分散，否則，不僅不能充分發(fā)揮納米粒子的隔熱作用，還有可能對(duì)涂料的性能造成負(fù)面影響。

參考文獻(xiàn)
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專家介紹：
       陳中華，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 教授/博士生導(dǎo)師,中國(guó)建筑涂料協(xié)會(huì)專家組成員，廣州集泰化工有限公司  研發(fā)總監(jiān)，廣東省特種涂料工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心主任、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部全國(guó)建筑節(jié)能與建設(shè)科技推廣服務(wù)平臺(tái)專家組成員及建筑用反射隔熱涂料技術(shù)協(xié)作網(wǎng)專家組成員，中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)鋁門窗幕墻委員會(huì)專家組成員，廣東省/教育部高性能、環(huán)境友好納米復(fù)合涂料產(chǎn)學(xué)研基地主任，廣州市水性涂料工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心主任，廣東涂料行業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)，廣東省材料研究學(xué)會(huì)理事、《涂料工業(yè)》、《電鍍與涂飾》及《中國(guó)涂料》編委，廣東省涂料產(chǎn)業(yè)技術(shù)交流中心防腐涂料組組長(zhǎng)，廣東省涂料和顏料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員。發(fā)表學(xué)術(shù)論文70多篇；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利14項(xiàng)，授權(quán)8項(xiàng)；通過(guò)了兩項(xiàng)省部級(jí)科技成果鑒定，其中“納米復(fù)合水性罐內(nèi)金屬防腐蝕抗靜電涂料”填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。獲得中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一次、中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)一次、全國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)勞動(dòng)模范。