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軍綠色隔熱降溫涂料的研究,研究了空心玻璃微珠和納米陶瓷材料等材料用量對軍綠色隔熱降溫涂料熱性能的影響
2019年12月30日    閱讀量:1181    新聞來源:中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站  |  投稿

0  引  言

太陽的強烈輻射使物體表面溫度升高, 給工業生產和日常生活帶來了諸多問題和不便。據研究夏季在太陽光的照射下, 金屬板的表面溫度可達70~ 80度 [1] 。城市大量的市政建設導致熱島效應越來越明顯, 由此導致城市市區溫度高于周邊環境溫度3~ 5 度[2] 涂料在線coatingol.com


建筑物屋頂和外墻表面溫度升高使周圍環境和室內的溫度過高, 降低了生活環境的舒適度, 增加了空調制冷用電量。


隔熱降溫涂料是近年來在民用領域迅速發展起來的一種特種功能涂料, 它主要通過提高涂層表面的紅外發射率和反射率來實現降低被涂覆物體內部的輻射溫度, 達到減少空調能源消耗、節約能源的目的[ 3] 。目前國內對淺色降溫涂料的研究較多, 對深色涂料的研究較少。


本研究測試了多種顏料的紅外反射率, 優選出反射率較高的顏料, 通過復合配色方法制備了軍綠色隔熱降溫涂料, 該涂料作為深色降溫涂料具有較高的太陽熱反射率和熱發射率。


1  實驗部分

1. 1  原材料

羥基丙烯酸樹脂2050: 德謙(上海)化學有限公司; 空心玻璃微珠5020: 美國波特公司; 二氧化鈦( R930 ): 日本石原; 納米陶瓷材料: 淄博藍景納米材料有限公司; 氣相二氧化硅: 卡博特藍星化學; 氧化鉻綠: 美國安格公司; 酞菁綠、鈦綠、鈦鉻黃、鈦鎳黃、鐵鉻黑: 美國薛特顏料公司; 鐵藍、鐵黃、鐵紅、中鉻黃, 青島德臣化工有限公司。


1. 2  儀器設備

高速攪拌機( QSD)、錐形磨( QZM - 1): 天津市建筑儀器試驗機公司; 涂料快速分散機(快手): 上海現代環境工程技術有限公司; 反射率測試裝置: 自制; 紅外光譜儀( BRUKER TEN-SOR 27): 德國布魯克公司; 場發射掃描電子顯微鏡( JEOL JS- 6700F): 日本電子公司; 遠紅外熱發射率測試儀( 302) : 深圳市萬儀通儀器儀表商行。


1. 3  隔熱降溫涂料的制備

采用圖1所示的工藝路線進行隔熱降溫涂料的制備。

軍綠色隔熱降溫涂料的研究,研究了空心玻璃微珠和納米陶瓷材料等材料用量對軍綠色隔熱降溫涂料熱性能的影響 中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站

1. 4  隔熱降溫涂料的性能測試

隔熱降溫涂料的性能測試包括兩方面: 一方面是常規性能的測試, 另一方面是光學性能的測試。常規性能的測試主要是涂料黏度、干燥時間、涂膜附著力、遮蓋力、柔韌性、耐候性等; 光學性能的測試包括反射率和發射率的測試, 使用自制反射率測試裝置和紫外- 可見光- 近紅外分光光度計測試涂層的反射率, 使用302遠紅外熱發射率測試儀測試涂層的發射率。自制反射率測試裝置的示意圖如圖2所示。

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2  結果與討論

2. 1 成膜樹脂的選擇

用于隔熱降溫涂料的樹脂, 要求對可見光和近紅外光吸收率越低越好; 樹脂的透明度高(高達80% 以上); 太陽能的吸收率低, 樹脂中應少含C- O- C, C= O、- OH等吸熱基團。選用丙烯酸樹脂作為軍綠色降溫涂料的成膜樹脂。


2. 2  顏填料的選用

隔熱降溫涂料的目的是降低物體的表面和內部溫度, 所以顏填料對可見光和近紅外光的反射越大越好, 同時涂層可以將吸收的太陽能量以紅外輻射的形式發射出去, 因此也要求填料中有發射率較高的物質。


眾多研究表明, 二氧化鈦在可見光區和近紅外區具有極高的熱反射率, 金紅石型二氧化鈦的反射率遠大于銳鈦型二氧化鈦的反射率, 所以本文選用金紅石型二氧化鈦作為反射材料。除了使用金紅石型二氧化鈦外, 還使用了空心玻璃微珠、納米陶瓷材料、氣相二氧化硅等材料。


2. 3  深色顏料的選擇

由于制備的隔熱降溫涂料為軍綠色, 因此需要選擇太陽反射率高的深色顏料。通過查閱資料得到部分顏料的熱反射性能[ 4] 。炭黑的太陽熱反射率最低, 幾乎完全吸收, 因此不選用炭黑作為降溫涂料的顏料。對部分著色顏料及其復配體系進行了反射率的研究, 按照成膜樹脂50%、顏料30%、溶劑20%的配方制備后, 研磨分散到細度20 ??m 以下, 噴涂在鋁合金樣板上, 涂層厚度為50~60um, 用自制反射率測試裝置進行測試并計算反射率。結果如表1所示。

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從表1可以看出, 酞菁綠、鈦鉻黃和棕黑在各自的顏色系列中反射率較高, 所以通過它們之間的復配來調制軍綠色隔熱降溫涂料, 調色時在保證色相的基礎上盡量少使用黑色顏料。


2. 4  空心玻璃微珠用量對涂層反射率的影響

對深色隔熱降溫涂層來說, 二氧化鈦用量不能太多, 否則顏色太淺, 不能實現目標顏色, 因此將二氧化鈦的用量定為10%。在二氧化鈦的用量為10%、二氧化硅的用量為6%、納米陶瓷材料的用量為7%的條件下, 改變空心玻璃微珠的用量, 研究了空心玻璃微珠的用量與涂層反射率的關系, 結果如圖3所示。


從圖3可以看出, 隨著空心玻璃微珠用量的增加, 涂層的反射率先增加后下降, 當含量為14.2%時涂層的反射率為91%, 此后隨著空心微珠含量的增加涂層的反射率變化不大。


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2. 5  納米陶瓷材料對涂層熱性能的影響

在試驗過程中選擇了2 種納米陶瓷材料, 將涂料配方中的二氧化鈦組分含量固定, 分別加入等量的納米陶瓷材料A和B制成涂料后噴涂2個樣板, 使用自制反射率測試裝置測試其反射率, 使用納米陶瓷材料A 的涂層的反射率為88.29%, 使用納米陶瓷材料B的涂層的反射率為92.5%。


本研究選擇使用納米陶瓷材料B。并對不同用量納米陶瓷材料B的涂層的反射率和發射率進行了研究(二氧化鈦材

料的含量不變), 結果如圖4所示。

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從圖4可以看出, 隨著納米陶瓷材料用量的增加, 涂層的反射率呈現先上升后下降的趨勢, 而涂層的發射率是一直增大的。


2. 6  顏料的粒徑對涂層反射率的影響

涂層中的顏料粒子是涂層中的反射材料, 它構成了材料中光學性能不均勻結構的性能, 對反射涂料的最終光學性能產生決定性的作用, 顏料的品種確定以后, 涂層的反射率在很大程度上取決于顏料的粒徑和粒徑分布。

將涂料配方中除了空心玻璃微珠以外的其他顏填料和樹脂使用錐形磨和涂料快速分散機反復研磨, 將涂料研磨到10 um左右制備了2個試樣, 進行粒徑分布分析測試, 如圖5、圖6所示。

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從圖5和圖6可以看出, 試樣A的顏料粒子粒徑在0. 2~1. 24um的累積小于配方B。將試樣A和試樣B 噴涂樣板用紅外光譜儀測試其反射率, 如圖7所示。由圖7可以看出, 試樣A 的反射率比試樣B 低。這說明顏料的粒徑在0.2~ 1. 24um的范圍內分布多時, 其涂層的反射率高, 粒徑分布對涂層的反射率影響比較顯著。

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2. 7 涂層表面狀態對反射性能的影響

為了研究涂層表面狀態對涂層反射性能的影響, 設計了2個不同的白色涂料配方, 其中一個添加空心玻璃微珠, 另外一個添加二氧化鈦, 其余材料(樹脂、納米陶瓷材料) 用量相同。制備的降溫涂料要求是低光澤的, 玻璃微珠除具有較好的隔熱和熱反射性能外, 還具有很好的消光作用, 因此不需要額外添加消光劑; 而添加二氧化鈦的涂料配方中需加入少量氣相二氧化硅進行消光。圖8是2種涂料的掃描電鏡圖, 圖9是紅外反射圖。

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從圖9可以看出, 使用空心玻璃微珠的涂層的反射效果好一些, 原因可能是無論是含空心微珠的涂層還是不含空心微珠的涂層表面都不是一個理想的鏡面, 表面都由凹凸不平的顆粒組成, 每一個顆粒可看成是理想的光滑表面(特別是玻璃微珠表面更光滑), 顆粒大鏡面大, 光波的散射次數少, 從而被涂層吸收得少, 因此反射率高。而對小粒徑而言, 光波的散射次數多, 被涂層吸收得多, 因此反射率低。


2. 8  軍綠色隔熱降溫涂料的熱學性能

采用自制反射率測試裝置和302遠紅外熱發射率測試儀裝置測試了軍綠色降溫涂料的反射率和發射率, 該涂料的反射率為72.4%, 發射率為0.931。使用紫外- 可見光- 近紅外分光光度計測試了該涂料的全波段反射率, 如圖10所示。從圖10可以看出, 在900~ 2 100 nm的波長范圍內, 軍綠色降溫涂料的反射率大約為70%。

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3  結  語

( 1) 將涂料配方中二氧化鈦材料用量固定, 改變空心玻璃微珠的用量, 在一定的用量范圍內, 涂層的反射率隨空心玻璃微珠用量的增加呈現出先增大后減小的趨勢。

( 2) 將涂料配方中二氧化鈦材料用量固定, 改變納米陶瓷材料的用量, 增大納米陶瓷材料的用量, 涂層的反射率先增大后減小, 而發射率是一直增大的。

( 3) 通過對多種著色顏料及其復配體系反射率的研究,優選出反射率較好的幾種顏料, 使用它們調制出的軍綠色降溫涂料作為深色降溫涂料具有較高的反射率。



楊萬國1, 董秀彩2, 李少香2, 張 波1

( 1. 青島海洋腐蝕研究所, 山東青島266071; 2. 青島科技大學, 山東青島266042)


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