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太陽熱反射隔熱涂料的研制,采用耐候性能優異的氟碳樹脂為成膜物質
2019年12月25日    閱讀量:1792    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

反射隔熱涂料是近年來發展起來的一種新型節能材料,通過有效地反射、阻隔、輻射太陽光的能量, 能明顯降低建筑物外墻、屋頂和室內溫度, 降低空調等制冷設備在高溫條件下的能耗, 既改善了工作環境又節約了大量的能源[ 1] 。


自20世紀70年代以來, 國外對太陽反射隔熱涂料開展了大量的研究工作, 并在軍事和民用的許多領域得到了廣泛應用, 取得了較好效果[ 2- 4] 。


但是由于價格昂貴, 限制了其在國內的使用, 國內也有多家單位對反射隔熱涂料進行了一定的研究涂料在線coatingol.com。目前市場上的反射隔熱涂料研究主要局限于顏填料種類及其折射率等因素對太陽光反射效果的影響, 大部分僅采用反射單一隔熱方式; 檢測方法上絕大多數只參照美國軍標,對涂料的反射率和隔熱性能區分不夠明確[ 5- 7]。


另外, 國內反射隔熱涂料的成膜物質大部分采用丙烯酸樹脂、有機硅改性聚酯樹脂、苯丙乳液等, 制備的反射隔熱涂料使用壽命短,經不住長時間自然環境的沖刷曝曬, 容易出現粉化開裂等缺陷, 涂膜耐候性較差[ 8] 。因此, 研究高耐候性的太陽熱反射隔熱涂料, 可以有效提高涂層的隔熱性能和基材的使用壽命, 減少物資不必要的損耗, 節約大量制冷用能量, 具有重要的經濟意義與社會效益。


本研究選用具有優異耐酸、耐候性能的氟碳樹脂作為成膜物質, 系統地研究了顏填料種類、粒徑和含量、涂膜的厚度、樹脂種類等因素對涂料反射率和隔熱效果的影響, 重點考查了T iO2、空心玻璃微珠等新型隔熱材料在隔熱涂料中的作用,為今后研制反射型隔熱涂料提供了依據。


1 實 驗

1. 1 實驗材料

( 1) 成膜物質: 氟碳樹脂( 三愛富公司生產), 固化劑用3390異氰酸酯; ( 2) 顏填料: 金紅石型二氧化鈦, 空心微珠, 云母粉, 氧化鋅, 滑石粉等; ( 3) 溶劑: 環己酮, 二甲苯, 異佛爾酮混合溶劑; ( 4) 助劑: 分散劑, 潤濕劑, 消泡劑, 流平劑等。


1. 2 涂料的制備

本實驗中的反射隔熱涂料是一種可常溫固化的雙組分涂料,首先將一定量的氟碳樹脂、顏填料、溶劑和助劑混合, 在高速攪拌條件下充分分散, 然后加入空心微珠, 降低攪拌速度持續分散均勻, 然后按照一定比例加入固化劑, 制得反射隔熱涂料。


1. 3 涂層試樣

反射率測試及機械性能測試基材為馬口鐵片, 尺寸為120 mm*50 mm*0.3 mm; 隔熱性能測試采用纖維增強硅酸鈣板, 規格為360 mm*360 mm*360 mm; 電化學測試基材為Q235碳鋼, 尺寸為150 mm*70 mm*2 mm; 耐化學藥品浸泡實驗基材為Q235碳鋼, 尺寸為150 mm*70 mm*2 mm。


1. 4 涂層反射率測試

以美國軍標M IL E 46136為標準, 制作簡易太陽熱反射測試裝置(如圖1 ), 分別將黑磁漆和反射隔熱涂料涂刷在馬口鐵片上, 干膜厚度在30~ 40 um 左右, 利用空調將室溫調節至( 28 +- 1) oc , 用500W 的碘鎢燈模擬太陽光照射涂層, 通過調整碘鎢燈到試板的距離控制黑磁漆板的背面溫度在( 87.8 +-1) oC 范圍內, 30 m in后使用表面溫度計檢測試板背面溫度, 通過經驗公式[式( 1) ] 測定涂層反射率。

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1. 5 涂層隔熱性能測試

按照國家住建部標準( JG /T 235 -2008 ), 自搭簡易的涂層隔熱性能測試裝置(如圖2)。用30 mm 厚且導熱系數不大于0. 03W / ( m# K) 的XPS 板制作一個測溫箱, 內腔尺寸為300 mm ! 300 mm ! 300 mm, 將涂有反射隔熱涂料的纖維增強硅酸鈣板蓋在測溫箱上面, 用500W 的碘鎢燈模擬太陽光照射, 通過側面的測溫口, 使用表面溫度計檢測硅酸鈣板背面和測溫箱內部溫度, 直觀地分析涂料的隔熱效果。


1. 6 涂料性能測試

按照GB /T9755- 2001要求檢測涂料基本性能, 按照國標GB /T1733- 1993和GB /T1763- 1989檢測涂料耐水和耐酸堿性能。



2 結果與討論

顏填料的選擇和用量對反射隔熱涂料性能起著決定性的作用。在大量查閱文獻和實驗室篩選的基礎上, 選定金紅石型二氧化鈦、空心微珠、氧化鋅和滑石粉作為反射隔熱涂料的顏填料。金紅石型二氧化鈦折光指數為2.76, 氧化鋅的折光指數為2. 3, 均能強烈地散射太陽光用作反射隔熱填料; 空心微珠有著很低的熱傳遞系數用作阻隔隔熱填料; 滑石粉在8 ~13 um這一大氣窗口有著較強的輻射能力, 成本較低的同時能部分替代二氧化鈦, 用作輻射隔熱填料[ 9] 。


2. 1 二氧化鈦對涂料反射隔熱性能的影響


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表1 4種不同粒徑二氧化鈦的反射率

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結合表1和圖3分析可知, 4種二氧化鈦配置的涂層反射率由高到低順序為: C > B > A > D。這是因為C二氧化鈦粒徑分布最寬, 相應地可散射波長范圍也最寬, 反射率最好。B次之, D二氧化鈦粒徑分布最窄, 集中在0.1~ 0.2 um, 反射率最低。選擇反射率較高的C 二氧化鈦為顏料, 二氧化鈦占樹脂質量分數取值10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%依次遞增, 按照1. 4測試方法測涂料反射率, 如圖4所示。

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從圖4可知, 隨著二氧化鈦在涂料中含量的逐漸增加, 涂層反射率逐漸提高。這是由于涂層中二氧化鈦顆粒間由樹脂構成的空隙不斷減小, 從而使熱輻射更難透過這些樹脂向涂層內部傳播, 涂層散射能力不斷增強。因此二氧化鈦質量分數在35% ~ 45%范圍內, 涂層反射效果較好。


2. 2 空心微珠對涂料反射率的影響

空心微珠比表面積較大, 光線照到涂膜表面時能夠通過空心微珠產生多次反射, 提高涂膜反射率, 同時空心微珠具有較低的導熱系數。然而, 采用單一粒徑的空心微珠制備的反射隔熱涂層, 固化后涂層內存在大量的間隙, 不利于熱量的阻隔, 且抗滲性能較差。


采用多種粒徑空心微珠復配, 以大粒徑的空心微珠為主體, 利用小粒徑的空心微珠填充空隙, 可以有效地提高涂層的反射能力[ 11- 12]。實驗中采用4 種不同粒徑的空心微珠分別為: E ( 40~ 100 um )、F( 20~ 85 um )、G( 20~50 um )、H ( 10~ 30 um ), 氟碳樹脂均為10 g, 通過正交實驗來尋找其最佳配比, 實驗得知當4 種粒徑的空心微珠質量比例為2:1:2:3時, 涂層的反射率最好, 達到90%。


采用4種空心微珠混合粉體做填料, 空心微珠占樹脂質量分數取值10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80% 依次遞增, 按照1. 4測試方法檢測涂料反射率, 如圖5所示。

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從圖5 可知, 隨著空心微珠用量的增加, 反射率逐步提高, 當質量分數達到60% ~ 70% 時, 涂層反射率最好, 但是隨著空心微珠用量的增加, 涂料體系不易分散, 涂膜固化后很脆, 所以綜合各項指標, 用量為40% ~ 50%時較為合適。



2. 3 反射隔熱涂料配方正交實驗

在前期實驗的基礎上, 選定各因素水平, 設計正交實驗,考查各顏填料之間綜合作用, 氟碳樹脂均為20 g, 按照1. 5測試方法測纖維增強硅酸鈣板背面溫度T, 涂膜厚度為500 um,考察涂料隔熱效果, 結果如表2所示。

表2 涂料配方正交實驗結果

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通過極差R大小可以看出二氧化鈦和空心微珠在反射隔熱涂層中起主要作用, 根據實際測量結果, 第6組涂層的硅酸鈣板下表面溫度為35?? 8 ?? , 該配方反射隔熱性能最好, 即二氧化鈦8 g、空心微珠12 g、滑石粉2 g、氧化鋅4 g。


2. 4 涂層厚度對反射隔熱效果的影響

以正交實驗中第6組涂料配方為基礎, 改變涂層厚度, 考察厚度對涂料反射隔熱性能的影響, 按照1. 5 測試方法檢測涂料反射隔熱效果, 如表3所示。

表3 厚度對涂層反射隔熱效果的影響

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從表3可知, 涂層的厚度對涂層反射隔熱性能影響很大,如果涂層厚度較薄, 入射光線就有可能透過涂層, 造成熱傳透效應, 熱量被涂層所覆基材吸收, 從而起不到反射隔熱的作用; 當涂層厚度超過一定值時, 散射光線在涂層內部的散射光程增長, 加大了涂層對能量的吸收, 反而降低了涂層的反射隔熱性能, 綜合各因素考慮, 涂層厚度500 um 左右較為合適。


2. 5 氟碳反射隔熱涂料與市售涂料反射隔熱性能比較

以正交實驗中第6組涂料配方為基礎, 選擇市場上性能較好的丙烯酸反射隔熱涂料為參考對象, 比較2 種涂料的反射率和隔熱性能, 見表4。由表4可知本研究制備的氟碳涂料反射率和隔熱性能均優于市售涂料。

表4 氟碳涂料與市售涂料反射隔熱效果對比

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2. 6 氟碳涂料紅外吸收光譜

將一束紅外光打在涂膜上面, 收集并檢測各波段內的紅外吸收比, 見圖6。

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從圖6中可以看到, 在720~ 2 500 nm波段內, 涂膜的吸收率均小于2%, 說明涂膜在該波段內對紅外光的總吸收率小于2%, 透過率和反射率之和大于98%。


2. 7 氟碳反射隔熱涂料綜合性能

以正交實驗中最佳配方為基礎制備氟碳反射隔熱涂料,市售涂料選擇較好的丙烯酸涂料, 按照1. 6 方法測試涂料綜合性能, 結果見表5。

表5 氟碳反射隔熱涂料綜合性能


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3 結 語

( 1) 顏填料的粒徑對涂料的反射率有很大的影響, 金紅石型二氧化鈦的粒徑在0. 2~ 1 um 范圍內的分布越寬, 涂料反射率越好。

( 2) 多種粒徑的空心微珠相互填充, 利用大粒徑空心微珠較大的中空結構及小粒徑空心微珠填充間隙, 能顯著提高涂料的反射隔熱效果。利用不同粉體之間協同作用, 可制備反射和隔熱效果良好的隔熱涂層。根據紅外測試表明, 該涂層具有較低的吸收率和更好的反射隔熱性能。涂層反射率能達到90%以上, 與空白板相比背溫相差14. 6oc 。

( 3)研制的氟碳反射隔熱涂料比市售涂料有著更好的耐蝕性能, 能滿足建筑屋頂及外墻長期使用的要求。


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