提高反射隔热涂料性能和质量方法探讨

提高反射隔热涂料性能和质量方法探讨 摘要：基于国家对节能环保型绿色建材的大力推广，建筑反射隔 热涂料的应用越来越广泛， 但是目前市场上的反射隔热涂料性能和质量参差不齐，对 行业的健康发展造成了很大的负 面影响。因此，本文结合我们的研究内容对影响反射隔热涂料性能和质量的因素进行了总结 分析，以期对反射隔热涂料行 业的进步有所帮助。 关键字：反射隔热；空心玻璃微珠；纳米 ATO 能源的不可再生性使其成为影响世界发展的重要问题，而建筑住房的不断增多使得节 能材料在建筑行业的运用日益广泛。尤其是在我国，建筑物大多都是高能耗非节能型建筑， 单位建筑面积能耗大概占发达国家单位建筑能耗的3倍左右，这给我国的经济持续健康稳定 发展带来很大的制约。因此，2013年国务院发布绿色建筑行动方案，要求切实抓好新 建建筑节能工作，大力推进既有建筑节能改造，开展城镇供热系统改造，推进可再生能源 建筑规模化应用，加强公共建筑节能管理，加快绿色建筑相关技术研发推广，大力发展绿 色建材；并且我国在“十二五”绿色建筑和绿色生态城区发展规划中明确提出推动绿色建 筑发展，党政机关、大型公共场所2014年起率先执行绿色建筑标准，并引导商业房地产开 发企业建设绿色住宅小区，同时加快既有建筑节能改造。建筑反射隔热涂料作为一种使用 方便、价格实惠、节能高效的绿色建材，近年来越来越广泛地被运用在绿色节能建筑中。 建筑反射隔热涂料主要通过提高漆膜的太阳光反射比、增大涂层的热阻以及提高涂层 的红外辐射率等途径来降低建筑物内外表面及内部的温度，从而减低空调、风扇等制冷设 备的使用，节约能耗。因此，理想的建筑反射隔热涂料必须满足以下条件：（1）除隔热性 能以外的其他性能满足并优于传统外墙涂料；（2)在200nm至2500nm 波长范围内的，对可 见光和近红外光有较好的反射比；（3）涂层的导热系数必须较低；（ 4）在8m至13.5m 远红外波段内具有较高的辐射率。 本文主要是对我们近年来在建筑反射隔热领域的研究成果进行一定的总结，概括出影 响反射隔热涂料性能和质量的因素，以期能够对于反射隔热涂料性能和质量的提高有一定 的参考价值。 1 树脂种类对于反射隔热涂料性能影响 对于反射隔热涂料用乳液（树脂），首先必须满足对太阳光的吸收率尽可能小。表1列 出了几种涂层的太阳光热吸收率，我们可以发现，在使用TiO 2颜料基础上，各种树脂的吸 收率差别不大，并且各种树脂的折光指数都在1.45-1.5之间，差别很小。因此，我们可以 认为树脂的种类对于反射隔热涂料的热反射性能影响很小。 表1 几种涂层的太阳热吸收率 涂层 吸收率 有机硅-丙烯酸树脂+TiO 2 0.19 有机硅醇酸树脂+TiO 2 0.22 丙烯酸树脂+TiO 2 0.24 环氧树脂+TiO 2 0.25 聚氨酯树脂+TiO 2 0.26 另一方面，反射隔热涂料作为一种功能性的外墙涂料，其树脂的种类对于涂层的耐候 性、耐沾污性、热反射性能的稳定性及涂层的使用寿命存在决定性的影响。在常用树脂中， 环氧树脂因它的苯环基团和环氧基团易致黄变而很少用于外墙涂料，有机硅树脂和聚氨酯 树脂由于价格较高同样未能成为外墙隔热涂料的最佳选择。因此，我们在文献1中选择了四 种不同的丙烯酸类树脂，考察了不同丙烯酸类树脂对于漆膜性能的影响，结果如表2所示。 表2 不同丙烯酸类树脂对于漆膜性能的影响 耐人工气候老化性（600h） 乳液 附着力/级 铅笔硬度 耐洗刷性/次 外观 粉化（级） 变色（级） 耐沾污性% 纯丙A 0 1H 10000 无起泡、剥落裂 纹 1 1 4.31 苯丙B 0 1H 10000 无起泡、剥落裂 纹 1 2 5.02 硅丙C 1 1H 10000 无起泡、剥落裂 纹 1 1 4.38 弹性D 0 4B 5000 无起泡、剥落裂 纹 1 2 27.44 由表2测试结果可以看出，苯丙乳液B和弹性乳液D制成的漆膜经600h紫外加速老化仪照 射后出现轻微黄变，且弹性乳液D的硬度较低，耐沾污性能差硅，丙乳液C 的附着力较差； 纯丙乳液A 具有较高的硬度和优异的附着力，制成的漆膜耐沾污性能最好。因此，选择纯 丙乳液A作为反射隔热涂料的树脂是最优的选择。 2 颜填料种类对反射隔热涂料性能影响 颜填料种类对于反射隔热涂料的性能具有很大的影响，尤其是热反射性能，并且颜填 料对涂层热反射性能的影响一直是反射隔热涂料领域研究的重点。经过研究发现高折光颜 料是反射隔热涂料配方中不可缺少的颜料，其中，金红石型钛白粉以2.80的高折光指数成 为了反射隔热涂料的首选。此外，隔热功能填料在反射隔热涂料配方中也有非常重要的意 义，近年来，隔热功能填料取得了很大的进展，从几年前的空心玻璃微珠占统治地位逐渐 呈现出各类反射隔热粉、空心玻璃微珠、辐射粉体、纳米粒子等功能填料竞相发展的格局。 2.1 普通隔热功能填料对反射隔热涂料性能影响 2.1.1 空心玻璃微珠种类和用量对反射隔热涂料隔热性能影响 在含空心玻璃微珠的反射隔热体系中，空心玻璃微珠种类对于隔热涂料的隔热效果具 有很大的影响，本实验室分别选择了粒径不同的空心玻璃微珠K1和S38，比较了采用二者制 备的隔热涂料隔热效果，结果如图1所示。由图1可知，粒径更大的K1制备的隔热涂料隔热 效果更好，这是因为单位体积内由粒径更大的空心玻璃微珠制备的涂层具有更多的空气腔， 涂层的导热系数更小。 图1 不同空心玻璃微珠对隔热涂料隔热效果影响 除了空心玻璃微珠种类对隔热涂料隔热效果有影响外，空心玻璃微珠的用量同样会对 隔热涂料隔热效果产生作用，我们在文献2中对其进行了考察。按照空心微珠占配方总质量 分数的3、5、8、10制备，相应标注为1#一4#，标注涂刷普通外墙涂料的样板为 0#。隔热性能测试结果如图2所示。由图2可以看出，随着Kl添加量的增加，漆膜的隔热能 力获得了较大改善。当Kl为10时(质量分数)，底板温度为49，相比0#普通外墙涂料低 15。 图2 空心微珠添加量对漆膜隔热性能的影响 2.1.2 各类隔热功能填料隔热效果比较 在文献1中比较了热反射粉A、空心玻璃微珠及闭孔珍珠岩三者的隔热效果，结果如表3 所示。可以看出热反射隔热粉作为隔热功能填料制备的隔热涂料隔热性能更优，并且该体 系制备的涂料施工方便。因此，建议对隔热功能填料的研究逐步转向特种热反射隔热粉的 开发和利用。 表3 隔热填料种类对涂层隔热性能的影响 项目 导热系数W/m.k 太阳反射比 半球发射率 隔热温差/ 热反射隔热粉A 0.04 0.8152 0.9 8.5 空心玻璃微珠 0.054 0.7958 0.89 7.8 闭孔珍珠岩 0.07 0.4854 0.8 4.6 热反射粉+空心玻璃微珠 / 0.6827 0.9 6.9 2.2 体质颜料对反射隔热涂料性能影响 绢云母广泛应用于涂料工业中，它能够作为体质填料增加漆膜的丰满度，能够防止紫 外线穿透而改变涂膜的耐候性及耐热性。绢云母属于单斜晶系，一轴平行薄片平面，粉体 具有一定的厚径比，易于成有序定向排列，易产生消光效应，可以阻挡可见光，也能屏蔽 紫外线和红外辐射，理论上讲还可以阻挡微波。由于绢云母具备良好的光学性能，因此， 它对漆膜的反射隔热能力同样可以产生一定影响。本实验室比较过超细硫酸钡和绢云母的 隔热效果，发现绢云母在一定程度上能够提高提高涂层的隔热性能。在文献2中将绢云母按 照质量分数为9.5、11.5、13.5、15.5、17.5的比例添加至仅含Ti0 2的涂料中，分 别标为1#一5#，标注普通外墙漆为0#，所得的漆膜隔热能力如图3所示。 图3 绢云母添加量对对漆膜隔热性能影响 由图3可见，绢云母对漆膜隔热效果有较明显的影响，随着绢云母添加量的增加，初始 1#样品与2#样品的隔热性能较0#普通外墙漆有一定提高。2#样品与0#相比温差为7。但随 着绢云母添加量的增加，漆膜隔热性能不仅没有获得相应提升，反而存在下降趋势。在绢 云母添加量达到涂料总质量分数的11.5时，隔热性能最优。 2.3 纳米粒子对反射隔热涂料性能影响 具有屏蔽红外光和紫外线的纳米粒子在反射隔热涂料中具有很好的发展前景，目前已 经证明能够提高反射隔热涂料隔热性能的纳米粒子包括纳米氧化钛、纳米氧化锆、纳米 ATO、纳米ITO等。本实验室对这些材料在反射隔热涂料体系中的应用有过较系统的研究， 其中纳米ATO的应用最为引人关注。在文献3中，选用纳米ATO粉体作为隔热填料，并将其制 备的纳米ATO浆料应用到涂料中，使用自制的仿真涂层反射隔热测试仪测定其隔热效果，结 果如图4所示。 图4 纳米ATO用量对隔热涂层隔热性能影响 由图4可见，纳米ATO浆料在质量分数为10时，涂层的隔热效果最优。当纳米ATO浆料 的质量分数小于10时，涂层的隔热性能随着纳米ATO浆料添加量的增加而提高；在超过 10之后，涂层的隔热性能出现下降趋势。原因可能是由于ATO粉体本身呈蓝灰色，添加到 涂层中，必然会对涂层的色泽产生影响。添加量越大，涂层的颜色越偏向于蓝黑色。而深 色的物质对太阳热辐射能的吸收能力较强，颜色越深，吸收的热量越多。因此，ATO粉体自 身的近红外光反射能力会与涂层颜色的热辐射吸收能力构成竞争效应。当反射能力大于吸 收能力时，涂层表现出良好的隔热效应；当反射能力小于吸收能力时，涂层的隔热效应开 始变差。 3 涂料粘度对反射隔热涂料质量影响 由于空心玻璃微珠为轻质填料，在以空心玻璃微珠为基础制备的隔热涂料在贮存过程 中空心玻璃微珠有一定的上浮，导致整个体系的粘度升高及结皮。我们在研究过程中发现 通过提高体系粘度，可以有效改善涂料的贮存性能。通过使用增稠剂调节体系粘度，隔热 涂料的贮存性能如表4所示。由表4可见，应用增稠剂调节初始粘度至100KU 以上可以有效 避免空心微珠上浮，从而获得稳定的悬浮涂料体系。 表 4 粘度对含 K1 体系稳定性的影响 贮存时间/d 0 5 10 15 20 25 30 75 87 120 表面结皮 完全凝固 完全凝固 完全凝固 85 96 130 表面结皮 完全凝固 完全凝固 完全凝固 95 103 128 表面结皮 表面结皮 完全凝固 完全凝固 100 101 103 105 105 106 106 粘度/KU 115 116 116 118 118 119 120 4 空心玻璃微珠添加工艺对隔热涂料性能影响 空心玻璃微珠抗压强度较低。在高速分散时随二氧化钛等颜填料加入，会造成微珠的 大面积破碎。如果在涂料制备的最后阶段，分次逐步添加，则能够有效地保护微珠，使其 在漆膜中形成紧密的排布层。高速分散后的含空心微珠漆膜与后期低速加入微珠形成漆膜 的电镜照片如图5、图6所示。我们同时测定了两种不同添加工艺涂层的隔热效果，结果显 示高速分散后的涂层隔热性能大幅度下降。这主要是因为空心玻璃微珠大量破碎，造成漆 膜内反射填料的减少；同时破碎的空心玻璃微珠导热系数明显增大，导致漆膜的热阻减小， 隔热效果变差。 图5 高速分散 图6 后期低速加入 5 结论 （1）反射隔热涂料中树脂的选择至关重要，尽管树脂对于隔热性能影响很小，但是树脂对 于涂料的耐候性、耐沾污性、热反射性能的稳定性及涂层的使用寿命存在决定性的影响。 （2）目前市场上反射隔热粉已经非常普遍，因此，对于反射隔热粉的应用研究及开发更多