彩色太阳热反射隔热外墙涂料的研制

文章发布时间:2015/2/8 18:32:56

 

 

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刘成楼,隗功祥

(北京虹霞正升涂料有限责任公司,北京102400)

摘要:通过对乳液、颜料、功能填料及助剂等的选择和研究,制备了一种既符合外墙涂料优等品指标,又具有集光反射和热辐射于一体的彩色涂料,涂膜不但具有降低外墙表面温度、减少热能向室内传导、节省空调能耗的作用,而且也满足了人们对外墙装饰中的色彩要求。

关键词:彩色涂料;隔热降温;颜料;功能填料

中图分类号:TQ633 文献标识码:A 文章编号:1007-9548(2011)12-0015-06

0·引言

节约资源、节能减排、生态环保、低碳循环经济是我国经济发展的基本模式。开发太阳热反射隔热涂料,降低建筑物、设备表面温度是一种被动利用太阳能的方法,对节约能源、保护环境、创造人与自然的和谐关系具有重要意义[1]。在已经应用的降温涂料中颜色单一,95%以上为白色[2],很难满足现代建筑外墙对不同色彩的需求。本研究优选出反射率较高的颜料,通过复合配色方法,制备了多种色彩隔热降温涂料,涂膜具有较高的太阳反射率和热辐射率,从而降低了外墙的表面温度和室内温度,具有显著节约空调耗电功效。

1·太阳热反射隔热涂料的原理

太阳的能量产生于热核反应,大约以1.77×107J/s的速度将能量辐射到地球表面,太阳辐射是物体的主要热源。太阳能绝大部分处于可见光和近红外区。

太阳热辐射热绝大部分处于0.4~1.8μm的范围内(见表1)。室温下或温度更低的一般物体,也在不断地以红外光和波长更长的电磁波向外辐射能量。

表1 太阳辐射能量分布

表1 太阳辐射能量分布

物体对于入射能量的响应可分为3类:反射、吸收和透过。定义反射率为P,吸收率(辐射率)为ε,透过率为T。在一定温度下,物体的辐射率与吸收率是相同的[3],如式⑴所示。

ε+T+P=1⑴

对于大部分物体包括涂料固化后所形成的涂层可以认为是不透明的,因此T=0,如式⑵所示。

ε+P=1⑵

从式⑵中可知,只有在一定波段内提高涂层的反射率P,才能降低对能量的吸收率ε,同时在一定波段内把涂层吸收的能量最大限度地辐射出去,增大涂层的辐射率ε,才可以使涂层表面对热量的积蓄较少,降低涂层温度。因为大气对红外辐射在2.5~5.0μm和8.0~13.5μm有2个窗口,即大气对这2个区域的红外辐射吸收能力较弱,透过率在80%以上,因此要使物体降温,就要把吸收的热量通过这2个窗口辐射到外层空间去。这就要求所设计的降温涂料在8.0~13.5μm波段和2.5~5.0μm波段内有较好的红外辐射性能,而在此波段外它又具有较高的光谱反射率,同时还具有较好的耐候性和较多色彩选择性。

2·试验部分

2.1原材料

自交联型纯丙弹性乳液2848NG、纯丙烯酸乳液AC-261,陶氏;金红石型钛白粉R-706,杜邦;空心玻璃微珠S38,3M公司;红外辐射粉,进口;纳米SiO2浆料,首创;成膜助剂,伊士曼;乙二醇,燕化;酞菁绿、酞菁蓝、铁红、铁黄、铁蓝、中铬黄,国产;钛铬黄、钛镍黄、钛绿,薛特;各种助剂,市售。

2.2调色太阳热反射隔热涂料的基础配方

色浆的基本配方见表2,调色太阳热反射隔热涂料的基础配方见表3。

表2 色浆基本配方

表2 色浆基本配方

表3 涂料基础配方

表3 涂料基础配方

2.3涂料的制备工艺

1)色浆的制备:按配方称量、依次加料共同高速分散。然后反复研磨至细度合格。

2)隔热涂料的制备:将去离子水加入分散罐中,中速搅拌下加入分散剂、润湿剂、消泡剂、防霉剂、多功能助剂、乙二醇、成膜助剂、钛白粉及远红外陶瓷粉,变高速分散30min,经研磨后制成浆料。

将浆料打入调漆罐内,在中低速(500r/min左右)搅拌下加入纳米SiO2浆和空心玻璃微珠,分散20~30min,加入乳液、消泡剂,按色卡要求加入色浆调色,然后加入增稠剂、流平剂,过滤,装桶。

2.4性能检测

1)常规性能检测:按照JG/T1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》的技术性能要术检测。

2)光学性能检测:使用自制反射率测试装置和紫外光-可见光-近红外分光光度计测试涂膜的反射率,使用302远红外热发射率测试仪测试涂膜的发射率。自制反射率测试装置的示意见图1。

图1 反射率测试装置示意

图1 反射率测试装置示意

热反射率计算公式如下:

P=(T1-T)2(/T2-T)3×100%⑶

式中:P为热反射率;T1为标准黑板温度;T2为反射样板的温度;T3为测试时的室温,一般固定为28℃。大量测试结果证明,当室温为28℃,湿度为44%的条件下,标准黑板温度为88℃,此时只要获取反射样板的温度,就可计算出不同彩色涂层的热反射率。

半球发射率的测定:按照GJB2502—1996《卫星热控涂层试验方法》中方法31“0卫星热控涂层稳态量热计法半球发射率测试法”的规定进行测定。

3·结果与讨论

3.1乳液的选择

乳液是构成涂料形成连续性立体网状薄膜的主要物质,是决定涂膜物化性能的关键材料。用于隔热降温涂料的乳液,要求对可见光和近红外光吸收率要低,涂膜的透明度要高,对太阳能的吸收率低,树脂中应少含C—O—C、CO、—OH等吸热基团,丙烯酸乳液适合作热反射隔热涂料的基料。

自交联型纯丙烯酸乳液2848NG,具有固含量高(61%)、成膜温度低(0℃)、表面紫外光固化、优异的弹性、耐候耐沾污性、机械稳定性能等特点,并且涂膜有“呼吸”功能和高透明性、低吸光热性能;纯丙烯酸乳液AC-261是一种出色耐候性的细粒子乳液,涂膜具有高透明性和高物化综合性能,2种乳液复配作基料,可使热反射隔热涂料具有高耐水性、高拉伸强度、高断裂延伸率、高耐候性和高耐沾污性等。

在基础配方中各因素不变的条件下,只改变丙烯酸乳液2848NG与AC-261质量配比,制备的隔热涂料其拉伸强度和断裂延伸率的变化见图2。

图2 自交联型弹性乳液纯丙乳液配比对涂膜性能的影响

图2 自交联型弹性乳液纯丙乳液配比对涂膜性能的影响

可见,随着自交联型弹性乳液2848NG与纯丙乳液AC-261质量比值的升高,制备的涂料其涂膜拉伸强度降低,而断裂延伸率提高,当m(2848NG)/m(AC-261)=2时,涂膜的拉伸强度为1.3MPa,断裂延伸率为160%,完全符合JG/T1040—2007标准规定的拉伸强度≥1.0MPa、断裂延伸率≥100%的要求。

3.2颜料的选择

涂装热反射隔热涂料的主要目的是为了降低物体的表面温度和内部温度,因此所选用的颜料应有尽可能大的散射性能,对可见光和近红外光的反射率越大越好;为了将涂层吸收的太阳能通过大气窗口(8~13.5μm)发射出去,因此还要配合有较高发射率的颜填料。

1)金红石型钛白粉是目前已知的白色颜料中折射率最高(>80%)、折光指数最高(2.8)且粒径及其分布最理想的白色颜料,在涂料中,其PVC为24.5%时,反射率为82.6%,当PVC为22.0%时,反射率达到84.0%。为了使反射隔热涂料配成不同色彩,金红石型二氧化钛在配方中也不能太多,否则颜色太浅,达不到色卡目标颜色。一般而言,金红石型钛白粉用量为15%左右时,适合调配浅色调涂料;用量为10%左右时,适合调配中色调涂料;用量在5%左右时,适合调配重色调涂料。

2)深色颜料的选择:在配制彩色太阳热反射隔热外墙涂料时,需选择太阳热反射率高的颜料。各色颜料的反射率[4]见表4,颜色与太阳辐射能反射系数的关系见表5。

表4 各色颜料的反射率

表4 各色颜料的反射率

表5 颜色与太阳辐射能反射系数的关系

表5 颜色与太阳辐射能反射系数的关系

可以看出,白色颜料体系中的金红石型钛白粉、绿色体系中的酞菁绿、黄色颜料体系中的钛铬黄、蓝色颜料体系中的酞菁蓝、黑色颜料体系中的棕黑在各自颜料体系中反射率最高,用这些颜料进行复配为调制高反射率彩色隔热涂料提供了依据。

在基础配方中各因素不变的条件下,采用不同颜料单独使用或复配,分别调成军绿、银灰、海蓝热反射涂料,检测涂膜的反射率,结果见表6。

表6 不同颜料复配比对涂料反射率的影响

表6 不同颜料复配比对涂料反射率的影响

可知,用不同颜料调配同一色调的热反射隔热涂料时,选用反射率较高的颜料进行复配,制备的涂料其涂膜反射率相对较高。

3.3填料的选择

在太阳热反射隔热涂料的配方中,随着金红石钛白粉用量的减少、深色颜料的增加,涂膜的反射率有不同程度地降低。为了提高涂膜的隔热降温效果,必须选用发射率和反射率较高的填料。

3.3.1空心玻璃微珠对涂膜反射率的影响

功能性填料是影响涂膜反射隔热性的关键材料。具有镜面效应的物体对光的反射率高,所以在反光涂料中选用玻璃鳞片、玻璃微珠、铝银粉、珠光粉为填料。空心玻璃微珠既有镜面效应,又有保温隔热功能,还具有提高涂料的流平性、防沾污性、防腐性、耐候性等特性。几种空心微珠的太阳光反射率见表7。

表7 几种空心微珠的太阳光反射率

表7 几种空心微珠的太阳光反射率

粉煤灰漂珠由于球形率低、表面镜面效应差而导致反射率低,陶瓷空心微珠反射率虽高,但在水性涂料体系中容易出现后增稠现象。本文选取粒径(300~500目)均匀、强度高、流动性好的空心玻璃微珠为填料。在基础配方各因素不变的条件下,改变空心玻璃微珠的用量,对隔热涂料性能的影响见表8。

表8 空心玻璃微珠用量对涂膜性能的影响

表8 空心玻璃微珠用量对涂膜性能的影响

可知,随着空心玻璃微珠用量的增加,涂膜的反射率呈近线性增长;抗拉强度和断裂延伸率均先升后降,当添加6%时,抗拉强度和断裂延伸率出现最大值,当空心玻璃微珠的添加量超过10%时,涂膜的抗拉强度和断裂延长率均不能满足JG/T1040—2007的标准要求。因此,空心玻璃微珠的添加量以8%~10%为宜。

3.3.2红外辐射粉对涂膜发射率的影响

太阳热反射隔热涂料随色相(白色-浅淡色-深色)的变深,其涂膜对光热反射率逐渐降低、吸热率增加,为了提高涂膜的隔热降温性能,必须选择一种能将吸收的太阳能以长波形式发射到大气空间去的材料。

以SiO2、Al2O3为基料,以Fe2O3、Cu0、MnO等为添加剂,经高温烧结、粉碎研磨而成的陶瓷粉、纳米Fe2O3、纳米MnO、SiO2及纳米掺锑二氧化锡(ATO)、掺铟二氧化锡(ITO)等,都是优良的红外辐射材料,对太阳能的发射率>90%。这是因为陶瓷材料大部分为多晶体介质材料,金属氧化物在高温烧结时形成氧空位而产生自由载流子,晶体材料在太阳光热辐射作用下产生电子、空穴,材料的发射率与其产生电子、空穴浓度呈正相关。本文选用陶瓷粉作光热辐射材料。

在基础配方中其他因素不变的条件下,只改变陶瓷粉的用量,检测其对涂膜发射率的影响见表9。

表9 陶瓷粉对涂膜发射率的影响

表9 陶瓷粉对涂膜发射率的影响

可知,随着红外陶瓷粉用量的增加,涂膜的发射率相应上升,但是当用量超过6%时,反射率开始下降。

考虑到陶瓷粉颜色较灰,用量过多时会影响涂料配色,因此,陶瓷粉的用量选取3%~5%为宜。

3.4纳米SiO2的作用机理

纳米SiO2具有三维石结构,比表面积非常大,表面自由能高,表面存在着不饱和残键及不同状态的羟基,因缺氧而偏离了稳定的硅氧结构,因而具有很大的表面活性。将纳米SiO2分散到涂料中,与乳液和水发生界面反应,形成强大的互作用力,从而改善涂料的流变性和悬浮性;纳米SiO2细粒子填充于颜填料较粗粒子之间和颜填料与成膜之间的空隙,形成强大的活性吸附中心,在涂膜表面产生键合,大大提高了涂膜的致密性、韧性、耐洗刷性和耐沾污性。SiO2为无定型结构,具有极强的紫外吸收、红外反射特性,对波长小于4μm的紫外光吸收率达70%以上,对波长大于8μm的红外线反射率达70%以上,不但能显著降低由于紫外光照射而造成涂膜粉化速度,提高耐候耐久性,而且由于其红外辐射性能好,能将物体吸收热有效地发射出去,使物体降温。纳米SiO2与金红石钛白粉、空心玻璃微珠、红外陶瓷粉配合使用,不但能显著提高隔热涂料的常规物化性能,而且也能明显提高涂膜的光学性能。试验结果证明,纳米SiO2的添加量以2%~3%为好。

3.5PVC对涂膜性能的影响

在隔热涂料配方设计中,颜填料含量(即PVC)对涂膜性能的影响较大,一般确定PVC≤CPVC时涂膜的综合性最好。但是当PVC过低时,形成的涂膜内颜填料粒子分布稀疏、间距较大,不能形成毛细结构,透气性差,光热反射率和发射率均较低;当PVC大于临界体积浓度(CPVC)时,涂膜中的基料不足以完全浸润和包覆所有颜填料粒子,造成部分颜填料疏松裸露,形成的涂膜孔隙率大,物理性能下降。

在基础配方中其他因素不变的条件下,只改变颜填料体积浓度(PVC)制备成不同PVC浓度的太阳热反射隔热涂料,检测其涂膜性能,结果见表10。

表10 PVC变化对涂膜性能的影响

表10 PVC变化对涂膜性能的影响

表11 有色太阳热反射隔热外墙涂料的性能

表11 有色太阳热反射隔热外墙涂料的性能

本文设计的彩色太阳热反射隔热外墙涂料配方中,当PVC浓度在25%左右时,涂膜的综合性能最好。

3.6涂料的性能

制备的彩色太阳热反射隔热外墙涂料,全面性能检测见表11。

4·结语

彩色太阳热反射隔热外墙涂料的研制,打破了隔热涂料以白色或浅色为主的格局。通过对基料的选择、颜填料光学性能的研究,制备出集热反射、热发射、热阻隔于一身的多种色彩、色调的隔热涂料。

1)以自交联型丙烯酸弹性乳液2848NG和纯丙烯酸乳液AC-261复配为基料,二者配比为m(2848NG)∶m(AC-261)=2∶1,当基料含量为45%~50%时,涂膜具有优异的物化性能。

2)白色颜料以金红石钛白粉为最佳,着色颜料以颗径小、反射率高的钛铬黄、铁黄、铁红、酞菁绿、酞菁蓝、棕黑等为最好,用它们进行复配调配成目标颜色其反射率较高。

3)功能填料选用粒径均匀、强度高的空心玻璃微珠。空心玻璃微珠不但具有热阻隔功能,而且还有热反射特性,其含量在配方中占8%~10%为宜。红外热辐射材料选用陶瓷粉,将其分散在涂料中,能将涂膜吸收的太阳热通过“大气窗口”发射到大气空间去,从而使物体降温。在银灰色涂料中,当陶瓷粉含量达到5%左右时涂膜的发射率达88%。

4)纳米SiO2的加入,不但能提高涂膜的物理性能,也能提高涂膜对紫外线的吸收和对红外辐射热的发射率。

5)当PVC达到25%左右时,制备的彩色太阳热反射隔热外墙涂料综合性能最佳。

参考文献:

[1]徐永祥,李运德,师华,等.太阳热反射隔热涂料研究进展[J].涂料工业,2010,40(1):70-73.

[2]胡家晖.新型降温复合涂层[J].工程建设与设计,2004(3):56-57.

[3]胡传.隐身涂层技术[M].北京:化学工业出版社,2004:342-362.

[4]李少香,杨万国,郭飞.热红外屏蔽迷彩涂层材料的研究[J].现代涂料与涂装,2009,12(10):7-14,28.

[5]刘成楼.耐沾污弹性太阳热反射隔热外墙乳胶漆的研制[J].现代涂料与涂装,2007,10(6):21-24.

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