(桂林工学院材料与化学工程系,广西桂林541004)
摘要:通过研究涂料配方中所用乳液、颜料、常规填料和隔热填料在红外灯下的反射、隔热和保温性能,发现高折射率的二氧化钛和含有微孔的硅藻土具有最佳的反射和隔热保温效果,轻质碳酸钙和重质碳酸钙具有一定的隔热保温作用,而理论上具有隔热保温效果的填料海泡石等并没有预期的效果。涂层厚度对隔热保温效果具有一定影响,但是没有颜料和填料的影响大。隔热涂料使用的填料应含有硅藻土、二氧化钛以及一些常规的填料。
关键词:隔热保温;涂料;原料;深层厚度;红外光
0引言
根据隔热涂料隔热机理和隔热方式的不同,可以把隔热涂料分为:阻隔性隔热涂料、反射隔热涂料及辐射隔热涂料3类[1]。阻隔性隔热涂料是采用低导热系数的组合物或在涂膜中引入导热系数极低的空气来获得良好的隔热效果。应用最广泛的阻隔性隔热涂料是硅酸盐类复合涂料[2]。反射隔热涂料研制的基本依据是:太阳热能绝大部分处于400～1800nm范围,在该波长范围内,反射率越高,涂层的隔热效果就越好。因此通过选择合适的树脂、金属或金属氧化物颜填料及生产工艺,可制得高反射率的涂层,反射太阳热能,以达到隔热的目的。辐射隔热涂料则是通过辐射的形式把建筑物吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到空气中,从而达到良好隔热降温效果。在隔热涂料中,主要是通过添加一些无机颜填料,来达到上述一种或几种复合隔热机理的隔热效果。如采用空心玻璃微珠作为隔热填料,利用细小空心微珠的无数空腔形成隔热层阻止热传导,制得阻隔型隔热涂料[3];利用在太阳光辐射波段具有高反射率(低吸收率,低发射率),在8～13.5μm波长有高的发射率的填料,制得辐射隔热涂料[4];选用在微米级的云母粉表面镀上纳米厚度的高折射率金属氧化物作为填料[5],也可制得反射隔热涂料。本研究选用了水性涂料中配方中常用的原料和在理论上能够具有隔热功能的颜填料,通过在乳液中加入这些不同的颜填料和隔热的填料,测试其对红外光的反射以及反射隔热的效果。
1实验
1.1实验原料
金红石型二氧化钛、超细硅灰石、云母精粉、超细硅酸铝、滑石粉、空心玻璃微珠、膨胀珍珠岩(100目)、硅藻土、重质碳酸钙、海泡石(100目)、轻质碳酸钙、均为市售工业品;乳液编号为1#、2#、3#、4#、5#;分散剂、消泡剂均为工业品。去离子水,自制。
1.2水性隔热保温涂料的制备
在200g水中加入分散剂4g,消泡剂2g,搅拌均匀后加入颜填料共100g后,高速分散30min,最后加入乳液200g搅拌均匀。
1.3涂料隔热性能测试
反射和隔热性能测试:取30g水性涂料在25cm×25cm×0.5cm的石膏板上刷涂后,在23℃下干燥48h。将两支100℃温度计紧贴在石膏板的上下两面,用红外灯在35cm高度对石膏板进行照射,从照射初始开始计时和读数,连续照射30min后读数。上面测得温度变化是涂料的反射效果,下面测得温度变化是涂料的反射和隔热效果。根据不同配方的涂料样板温度的变化来比较原料性能。总体隔热保温性能测试:用上述同法制备涂料样板。自制无盖15cm见方木箱,内衬1cm厚的泡沫塑料进行保温,将石膏板加盖在木箱上,用红外灯在11.5cm高度对石膏板进行照射,用100℃温度计记录木箱内最中部的初始温度和终止温度。从照射初始开始计时,连续照射30min,箱内温度的变化反映了涂料的总体隔热保温性能。
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2结果与讨论
2.1成膜基料
选择成膜基料是研究隔热保温涂料的关键技术之一[6]。因为隔热保温涂料主要应用在外墙,根据室外气候多变、温差大的特点,应选择耐候性好、耐水性强、又有较强粘结力和弹性的材料,要求成膜基料与保温填料的相容性较好,表1为不同成膜树脂的隔热性能。
表 1 不同成膜树脂的总体隔热性能
从表1可以看出,这些乳液聚合物成膜后在红外灯照射下温度升高明显,均没有显示出具有反射隔热保温效果,其中1#和2#乳液是最低成膜温度为0℃的自交联脂肪族聚氨酯分散体,耐红外光性能差,其形成的涂膜红外光照射后大片龟裂;而3#和4#是最低成膜温度分别是13℃和3℃的丙烯酸酯共聚物乳液,涂膜烤后局部焦化,只有最低成膜温度为17℃的含羟基丙烯酸酯共聚物乳液5#在照射后正常。在以后的实验中选择了在照射后不龟裂和脱落的5#乳液作为成膜物。
2.2颜填料
在水性外墙涂料配方中,作为颜料的主要有金红石型二氧化钛,作为填料的有超细硅灰石、云母粉、超细硅酸铝、滑石粉、重质碳酸钙和轻质碳酸钙等。使用不同的颜填料配方,涂层在红外灯的照射下,对光的反射、反射隔热和总体隔热保温效果进行试验,结果见图1所示。
图 1 不同的颜填料对光的反射、反射隔热和总体隔热保温效果
(T1:二氧化钛,T2:滑石粉,T3:重质碳酸钙,T4:轻质碳酸钙,T5:二氧化钛+滑石粉(1∶1),T6:二氧化钛+重质碳酸钙(1∶1),T7:二氧化钛+轻质碳酸钙(1∶1),T8:云母精粉,T9:超细硅酸铝,T10:T1+T2+T3(1∶1∶1),T11:T1+T2+T4(1∶1∶1),T12:T1+T2+T3+T4(1∶1∶1∶1))
图1不同的颜填料对光的反射、反射隔热和总体隔热保温效果
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从图1(a)颜料和填料对红外光的反射的效果来看,反射好坏顺序是:二氧化钛>轻质碳酸钙>重质碳酸钙>滑石粉>超细硅酸铝>云母精粉。从图1(b)颜料和填料对红外光的反射和隔热效果来看,性能好坏顺序是二氧化钛>轻质碳酸钙>重质碳酸钙、滑石粉>超细硅酸铝>云母精粉。比较以上反射效果和反射+隔热效果,二氧化钛都是最好的,轻质碳酸钙次之,重质碳酸钙和滑石粉也具有轻微的反射和隔热作用。但是二氧化钛与这些填料混合后,并没有使这些填料反射和隔热作用提高,相反有些还出现了降低的情况,没有出现协同作用的效果,隔热保温作用降低。从图1(c)总体隔热保温效果看出,二氧化钛也是最好的,重质碳酸钙次之,二氧化钛与滑石粉及轻质碳酸钙的配合使这两种填料隔热效果有较大提高。其他几个填料如超细硅灰石、云母粉和超细硅酸铝的隔热效果不明显,有些还有吸热现象。说明涂料中添加二氧化钛能够提高隔热性能,而加入超细硅灰石或云母精粉则不利于隔热。二氧化钛是高折射率的白色颜料,它的折光率有2180,能够起到热反射的作用,而且它有较好的遮盖力和着色力,在大气中又比较稳定,是一种良好的填料。滑石粉,价格便宜,而且与磷酸发生化学反应而不易产生降解,可以提高涂层机械强度。重质碳酸钙和轻质碳酸钙易受酸雨侵蚀,在外墙涂料应该用量少,但是它们成本低,而且反光隔热效果较好。
2.3隔热保温填料
理论上起隔热保温作用的填料有空心玻璃微珠、膨胀珍珠岩、硅藻土和海泡石等,实验中它们的反射和反射隔热保温效果见表2和表3。
表 2 隔热填料对涂料反射效果的影响
表 3 隔热填料对涂料反射和隔热效果的影响
表2和表3实验结果看出:对红外光的反射来说,硅藻土最优,膨胀珍珠粉次之,其次是空心玻璃微珠,而海泡石最差。对反射和隔热来说,硅藻土最优,膨胀珍珠粉次之,其次是空心玻璃微珠,海泡石最差。可见无论是反射效果还是反射与隔热的效果,硅藻土的隔热效果都是比较明显的,当与二氧化钛配合使用时,隔热效果都有不同程度的提高。膨胀珍珠粉的反射的效果次于硅藻土,但是差距比较大。表4为隔热填料对涂料总体隔热保温效果的影响。
表 4 隔热填料对涂料总体隔热保温效果的影响
表4实验结果看出:硅藻土的隔热效果仍是最好的,与二氧化钛配合使用时,隔热效果也进一步提高。其他的几种填料,空心玻璃微珠、膨胀珍珠岩粉、海泡石单独使用不但起不到隔热的效果,反而使温度升高,与二氧化钛配合使用时,也没有达到良好的隔热效果。硅藻土具有很好的绝热性能,吸附能力高,比表面大,腐蚀性较低。主要含有硅藻质的二氧化硅,且在硅藻骨架上有许多细小的微孔[5]。由于它的结构中有许多微孔,质轻,有引进气孔而提高遮盖力的作用。
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2.4涂层的厚度
在第1道刷板的基础上,48h后用相同质量涂料再涂刷第2道,实验结果见表5。
表 5 涂层厚度对涂料隔热保温效果的影响
实验结果表明:通过再次涂刷,本身能够隔热的填料,增加涂层厚度后隔热效果有所提高,本身不能隔热的填料,增加厚度后隔热效果越差,但是变化幅度都不大。看出第二道实验与第一道的结果是相一致的,证明了前面实验中涂刷第一道结果是准确的。
3结语
通过实验检测出最好的隔热颜料是有着高折射率的二氧化钛,最好的隔热填料是结构中有微孔的硅藻土,其他的填料如轻质碳酸钙和重质碳酸钙具有一定的隔热保温作用。而诸如海泡石这种理论上具有隔热保温效果的填料,单独在乳液中使用时以及与二氧化钛配合使用时并没有达到预期的效果,相反它们使样板的温度升高。因此,隔热涂料使用的填料应该包含硅藻土、二氧化钛以及一些常规的填料,而不应该使用海泡石等。
