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微珠摻量對熱反射隔熱涂料隔熱性能的影響,通過模擬試驗,研究分析了不同空心玻璃微珠摻量對熱反射隔熱涂料隔熱性能的影響
2019年12月20日    閱讀量:2187    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

建筑節能對于我國的能源安全尤為重要,在社會能源消耗中,建筑能耗較高,建筑節能勢在必行。隔熱涂料作為一種功能性涂料,通過降低被涂覆物內部熱量積累以達到節能和改善工作環境的目的。


研制出一種隔熱效果明顯的隔熱涂料是非常必要的涂料在線coatingol.com。空心玻璃微珠是20 世紀50 年代~ 60 年代發展起來的一種微粒材料,其工業化生產始于20 世紀50 年代美國的3M 公司,已作為一種新型填充材料應用于多個領域中。將具備優異隔熱性能的空心玻璃微珠摻加到反射型隔熱建筑外墻涂料中是否能使其隔熱性能得到進一步的提升值得研究。

 

1 試驗

1. 1 試驗原材料

丙烯酸乳液; 鈦白粉,金紅石型; 輕質碳酸鈣,國產; 某種堿土金屬碳酸鹽( 受專利保護不公開) ; S60HS 系列空心玻璃微珠,3M公司; 其他助劑包括潤濕劑、成膜劑、分散劑、消泡劑、增稠劑( 工業級) 等,均為市售工業品。

1. 2 試驗儀器與設備

SFJ-400 磨砂、分散、攪拌多用機,上海現代環境工程技術有限公司; VMS3020 標準型影像儀,上海光學儀器廠; 涂料隔熱性能測試裝置( 自制) ; 高倍偏光顯微鏡,上海光學儀器廠; FXL-1 型吸收率和法向發射率測量裝置,北京南奇星科技發展有限公司; JKXU/XA 型多路溫度測試儀,常州市金艾聯電子科技有限公司。

1. 3 隔熱涂料的制備

本試驗是在本課題組自主研制出的一種以堿土金屬碳酸鹽作為主要功能性填料的具有低太陽吸收率高發射率的隔熱涂料的配方基礎上,涂料基礎配合比見表1。通過摻加不同摻量的空心玻璃微珠來研究其隔熱性能是否得到提升。這種熱反射建筑隔熱涂料的主要性能參數見表2。

基礎配合比,未摻微珠自制涂料隔熱性能

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將潤濕劑等助劑均勻分散在水中,逐步加入二氧化鈦、輕質碳酸鈣等,高速攪拌30 min 后降低轉速按計量加入空心玻璃微珠和其余功能性助劑,充分攪拌使微珠分散均勻,最后加入丙烯酸乳液,繼續攪拌30 min,并加入適量增稠劑調節至合適粘度。為研究空心玻璃微珠摻量對涂料隔熱性能的影響,試驗微珠摻量分別為5%, 10%, 15%, 20%。

1. 4 試驗樣品性能及表征

1. 4. 1 高倍偏光顯微鏡表征

將裝有空心玻璃微珠樣品的載玻片置于載物臺上,使樣品在載玻片充分分散開,通過高倍偏光顯微鏡獲取其微觀照片。

1. 4. 2 吸收率的測試

涂料樣品的吸收率通過FXL-1 型吸收率和法向發射率測量裝置測定。分別配制不同微珠摻量的涂料涂刷在40 mm × 40 mm的鋁板上制成測試樣品,實驗采取5 個數據為一組,測量5 組,共25 個吸收率數據,取平均值作為一個樣品的吸收率結果。

FXL-1 型吸收率和法向發射率測量裝置為同濟大學與北京南奇星公司共同研制的測定儀器,對可見光至紅外波段( 0. 35 μm ~2. 5 μm) 的吸收率進行測定。為使吸收率測定結果更具參考價值,本課題組成員對一些較為常見的材料進行了吸收率的測定,如表3 所示。

不同材料的吸收率

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1. 4. 3 隔熱性能測試

本文中將隔熱性能測試分兩次進行,首先對未摻微珠的熱反射隔熱涂料( 課題組自主研發) 與市面在售的反射隔熱涂料的隔熱性能進行對比。第二步將不同微珠摻量的反射隔熱涂料與不摻微珠的反射隔熱涂料進行隔熱性能的對比。


如圖1 所示,涂料隔熱性能的測試采用課題組自制的實際曝曬模擬裝置進行。曝曬裝置的主體是一個內部涂覆黑漆的木箱,其尺寸為300 mm × 300 mm × 300 mm,在其中一個側面中心處打一直徑約5 mm 的小孔用來裝測溫儀熱電偶導線的導管,測溫儀導線穿過導管采用導熱膠帶粘貼至曝曬樣品內表面。


木箱四周及底部用30 mm 厚的泡沫塑料板( 導熱系數為0. 04 W/( m·K) ) 包覆。將相應的需要曝曬的材料使用硅膠在曝曬箱頂部密封固定在曝曬箱頂部,并以多通道溫度測定儀記錄各裝置內溫度。

 

2 結果與討論

2. 1 空心玻璃微珠的微觀形貌分析

空心玻璃微珠形態偏光放大照片如圖2 所示。從圖2 中看出,微珠是一顆顆透明的微米級玻璃質密閉中空正球體。從宏觀上看是純白色的粉末,其粒徑大小不等,其平均粒徑為30 μm。

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日間曝曬模擬實驗裝置圖,玻璃微珠偏光放大顯微鏡圖

2. 2 涂料吸收率

實驗分別對收集到的市面在售三種熱反射隔熱涂料( 北京產涂料A、北京產涂料B、福建產涂料C) 及不同空心玻璃微珠摻量( 0%,5%,10%,15%,20%) 的自制涂料的吸收率進行測定。不同種涂料的吸收率見表4,其變化曲線見圖3。不同空心玻璃微珠摻量的自制涂料吸收率見表5,其變化曲線見圖4。

不同涂料的吸收率,吸收率隨30 μm 玻璃微珠摻量變化的變化

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如圖3 所示,幾種反射型隔熱涂料的吸收率在0. 65 ~ 0. 69 之間,不同涂料的隔熱性能由于原材料、配合比、配制方法等原因存在一定的差異性。同時,從圖3 中可以看出,不摻微珠的自制熱反射隔熱涂料的吸收率并不是幾種涂料中最低的,還有進一步提升的空間。

30 μm 空心玻璃微珠摻量樣品的吸收率

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如圖4 所示,樣品吸收率隨30 μm 玻璃微珠摻量變化發生的變化。玻璃微珠摻量在5% ~ 15% 之間時,樣品的吸收率隨著摻量增加而迅速減小,并在摻量為15% 時吸收率達到最低值0. 617 3。當微珠摻量增加到20% 時,樣品吸收率較摻量為15%時增大。并且當玻璃微珠摻量大于15%時,配制樣品的流變性很大,涂刷施工性能差。


2. 3 實際曝曬模擬試驗

圖5 為市售熱反射隔熱涂料與本課題組自主研制的反射隔熱涂料模擬實際曝曬的時間溫度曲線。如圖5 所示,曝曬箱內部的溫度隨著日照強度的增強而升高,隨日照強度的減弱而下降。在日照強度最強時,四種涂料涂刷的鋁板內表面溫度達到峰值,吸收率最大的涂料B 與吸收率最小的涂料C 涂刷的鋁板內表面溫度相差4 ℃左右。四種涂料間隔熱性能的差異與其吸收率的大小大體上一致。

不同種類涂料實際曝曬時間溫度曲線

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圖6 為不同微珠摻量樣品模擬實際曝曬的時間溫度曲線。

不同微珠摻量涂料實際曝曬時間溫度曲線

如圖6 所示,在太陽光的照射下,涂料涂刷的鋁板內表面溫度隨著日照強度的增強呈現出升高的趨勢,隨著日照強度的逐漸減弱呈現降低的趨勢。在12 點~ 13 點之間達到了當日溫度的峰值,其中,空心玻璃微珠摻量為15%的涂料樣品與不摻微珠的樣品之間溫差達4 ℃左右。


可見在涂料中摻加空心玻璃微珠能夠提升其隔熱性能,但不同的空心玻璃微珠摻量對提升涂料樣品隔熱性能所起到的效果有所不同。


從圖6 可以看出,相比空心玻璃微珠摻量為5%, 10%的涂料樣品的隔熱性能, 15% 空心玻璃微珠摻量對涂料樣品隔熱性能的提升效果最好。當空心玻璃微珠摻量為20%時,涂料樣品的流變性很大,涂刷施工性能差,無法進行涂刷,因此未進行曝曬實驗。


2. 4 機理分析

本試驗中不同空心玻璃微珠摻量對涂料隔熱性能的影響與微珠在涂料中的排布及數量有關。當空心微珠與涂料混合涂覆在建筑物表面時,排列緊密的玻璃微珠會形成一層隔熱膜。在這層薄膜間進行熱傳導時,大部分的熱量會繞過微珠進行傳導,繞過微珠的熱量傳導路徑明顯增長,只有小部分的熱量會經過微珠進行傳導。


與此同時,微珠本身殼體和中孔傳熱能力也較弱,在非高溫下,輻射傳熱占總傳熱量的比例也很小,故也可不考慮熱輻射。因而加微珠的涂層隔熱效果良好。5% 微珠摻量的在涂膜中排布稀疏,因此不能夠形成致密的隔熱層。


隨著空心玻璃微珠摻量增加到15%,玻璃微珠在涂膜中的排列逐漸致密,呈飽和狀態,涂膜的隔熱效果明顯。若繼續增加玻璃微珠的含量到20%,玻璃微珠不斷疊加,只能增加涂膜的厚度而對涂膜表面的微珠排布密度不產生影響。同時,相比于微珠含量,涂料成膜基料的濃度太低,對微珠不能充分包覆,成膜能力降低導致涂料的流平性能降低,涂層的光滑度受到影響,涂層表面凹凸不平,對太陽輻射熱的吸收率將提高。

 

3 結語

吸收率與模擬實際曝曬試驗表明,與市售的熱反射型隔熱涂料相比,不摻微珠的自制熱反射隔熱涂料隔熱性能并不是最優異的。通過在課題組自主研制的熱反射隔熱涂料中摻加微珠可降低涂料的吸收率,提升涂料的隔熱性能。微珠的最佳摻量范圍在10%左右,與未摻微珠的涂料相比,微珠摻量為15% 的涂料隔熱效果好4 ℃左右。


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