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摘 要：通过正交试验设计和自制隔热检测装置确定了最佳实验方案，自制水性薄型热反射隔热保温涂料的性能达到了建筑外表面用热反射隔热涂料标准（JC/T 1040-2007）的要求，其中两项关键性能指标太阳反射比（白色）和半球发射率均高于标准要求。
关键词：水性涂料；隔热保温涂料；太阳反射比；半球发射率
0 前言
节能降耗、提高经济效益是科学研究和技术开发的基本目标之一，涂料技术也不例外。20世纪70年代后，世界气候变暖，地球资源日趋枯竭。
保温技术向高效、薄层、隔热防水户外一体化方向发展，如何充分利用传热机理研制新型节能材料是重要发展方向。薄层隔热保温涂料不仅自身热阻大、导热系数低，而且热反射率很高，能有效地降低辐射传热及对流，并可与传热多孔保温材料复合使用，提高保温效率。因此，开发水性薄型热反射隔热保温涂料具有较大的现实意义。
1 实验部分
1.1 原材料
pH调节剂，进口；分散剂，进口；消泡剂，进口；成膜助剂，国产；金红石型钛白粉，进口；空心玻璃微珠，进口；空心陶瓷微珠，进口；隔热粉，京红化工；纯丙乳液，国产；硅丙乳液，国产；增稠剂，进口；杀菌剂，进口；防霉剂，进口。
1.2 仪器和设备
高速分散机；斯托默粘度计；电子天平；烘箱；数显温度计；自制隔热检测装置等。
1.3 实验设计
1.3.1 乳液和钛白粉加量的确定
利用正交设计法，制定一个3因素2位级的L4（23）正交表（表1），确定乳液和钛白粉的加量。
表1 L4（23）正交实验表
|
|
硅丙乳液
|
纯丙乳液
|
钛白粉
|
隔热效果检测（详见1.4）
|
|
正-反（温差）/℃
|
||||
|
1
|
1（20）
|
1（20）
|
1（20）
|
67-54（13）
|
|
2
|
2（15）
|
1（20）
|
2（15）
|
69-59（10）
|
|
3
|
1（20）
|
2（15）
|
2（15）
|
69-58（11）
|
|
4
|
2（15）
|
2（15）
|
1（20）
|
69-57（12）
|
结论：1号实验隔热效果较好，且涂膜外观也最好，所以选择1号实验乳液和钛白粉的加量。
1.3.2 功能性填料加量的确定
通过以上实验确定了乳液和钛白粉的加量后，利用正交设计法，制定一个4因素3位级的L9（34）正交实验表（表2），确定功能性填料的加量，并确定最终配方。
表2 L9（34）正交实验表
|
|
玻璃微珠
|
陶瓷微珠
|
超细重钙
|
隔热粉
|
隔热效果检测（详见1.4）
|
|
正-反（温差）/℃
|
|||||
|
1
|
1（2）
|
1（2）
|
3（9）
|
2（4）
|
62-52（10）
|
|
2
|
2（5）
|
1（2）
|
1（3）
|
1（2）
|
61-50（11）
|
|
3
|
3（8）
|
1（2）
|
2（6）
|
3（8）
|
58-47（11）
|
|
4
|
1（2）
|
2（5）
|
2（6）
|
1（2）
|
59-48（11）
|
|
5
|
2（5）
|
2（5）
|
3（9）
|
3（8）
|
58-45（13）
|
|
6
|
3（8）
|
2（5）
|
1（3）
|
2（4）
|
56-36（20）
|
|
7
|
1（2）
|
3（8）
|
1（3）
|
3（8）
|
50-45（14）
|
|
8
|
2（5）
|
3（8）
|
2（6）
|
2（4）
|
58-42（16）
|
|
9
|
3（8）
|
3（8）
|
3（9）
|
1（2）
|
60-43（17）
|
结论：在达到标准中性能指标的前提下，6号实验配方隔热效果最好，所以选择6号实验配方为功能性填料的最佳加量。
1.4 隔热效果检测
制板涂膜干膜厚度均为300 μm，分别放入自制的检测装置内（图1），在同一功率的光源下，光照相同的时间后，用灵敏度为0.1 ℃的数显温度计分别测量样板的正面温度和反面温度，通过正反面的温度差，考察隔热效果（见表2），6号实验样板隔热效果最好，确定6号实验设计为最佳实验方案。
图1 隔热检测装置（自制）
1.5 配方
6号实验配方见表3。
表3 6号实验配方
|
原 料
|
规 格
|
用量/%
|
|
去离子水
|
自制
|
15
|
|
pH调节剂
|
进口
|
0.1
|
|
分散剂
|
进口
|
1
|
|
消泡剂
|
进口
|
0.1
|
|
成膜助剂
|
国产
|
1.2
|
|
金红石型钛白粉
|
进口
|
20
|
|
空心玻璃微珠
|
进口
|
8
|
|
空心陶瓷微珠
|
进口
|
5
|
|
隔热粉
|
京红化工
|
4
|
|
超细重钙
|
国产
|
3
|
|
硅丙乳液
|
进口
|
20
|
|
纯丙乳液
|
国产
|
20
|
|
增稠剂
|
进口
|
0.45
|
|
防冻剂
|
国产
|
2
|
|
杀菌剂
|
进口
|
0.1
|
|
防霉剂
|
进口
|
0.05
|
|
合计
|
--
|
100.00
|
1.6 样板制备及性能检测
1.6.1 样板的制备
配料 → 充分分散 → 制浆 → 制漆 → 制样板 → 检测性能。
1.6.2 性能检测
涂料的技术指标见表4。
表4 涂料的技术指标
|
检测项目
|
技术指标
|
检测结果
|
|
细度/μm
|
≤ 50
|
50
|
|
pH值
|
8~9
|
9
|
|
固体含量/%
|
60±2
|
61.5
|
|
黏度/KU
|
90±2
|
89
|
按建筑外表面用热反射隔热涂料标准（JC/T 1040-2007）进行隔热性能检测，结果见表5。
表5 涂膜性能检测结果
|
检测项目
|
技术指标
|
检测结果
|
执行标准
|
|
涂膜外观
|
无针孔、流挂，涂抹均匀
|
通过
|
--
|
|
低温稳定性
|
无硬块、凝聚及分离
|
通过
|
--
|
|
表干时间/h
|
≤ 2
|
通过
|
GB/T 1728-1979 |
|
耐碱性
|
48 h无异常 |
通过
|
GB/T 9265 |
|
耐水性
|
96 h无异常 |
通过
|
GB/T 1733-1993 |
|
耐洗刷性/次
|
2000
|
8000
|
GB/T 9266 |
|
涂层耐温变性
|
5次循环无异常
|
通过
|
JQ/T 25-1999 |
|
耐人工老化性（400 h）
|
不起泡、不剥落、无裂纹，粉化≤ 1级，变色≤ 2级
|
1000 h，粉化≤1级，变色≤1级 |
GB/T 1865-1997 |
|
太阳反射比（白色）
|
≥ 0.83
|
JC/T 1040-2007 |
|
|
半球反射率
|
≥ 0.85
|
JC/T 1040-2007 |
2 结果与讨论
2.1 乳液的选择
本实验选取了对可见光和近红外光吸收率低及耐候性、耐水性好，表面张力相对较低，附着力优异，安全环保的硅丙乳液和纯丙乳液相配合使用，获得了较好的涂膜外观和优异的理化性能。
2.2 功能性填料的选取
研制薄型热反射隔热保温涂料的关键是选取性能优良及粒径合适的功能性填料，空心玻璃微珠和空心陶瓷微珠对近红外光的反射比＞ 90 %，远远高于其他普通涂料，两种原因因其空心结构，具有导热系数小、折光指数高、隔热性能好、环保无毒、耐高温、耐腐蚀等特性，其隔热保温效果也远远高于其他普通填料，通过正交设计确定了两种原料的最佳加量比例。
2.3 颜填料的选取
本实验对填料有特殊的光学性能要求，必须以增强涂膜的光反射隔热性能要求，必须以增强涂膜的光反射隔热性能为前提，以提高涂膜的反射率和发射率为目标。实验中选取了折光率高和吸收率小的金红石型钛白、重钙和隔热粉3种颜填料相结合使用，与空心玻璃微珠和空心陶瓷微珠搭配使用，使涂膜具有较高的太阳反射比（白色）和半球发射率。
2.4 助剂的选择
本实验选取了无毒、无味、环保型的pH调节剂，得到相对稳定的涂料体系；其他助剂的加入，也增强了涂料的贮存稳定性，得到较好的涂膜外观和优异的性能。
3 结语
本课题研制的水性薄层热反射隔热涂料具有较高的的太阳光反射比（白色）和半球发射率，隔热保温效果好，属于环保节能涂料，材料来源广泛，施工工艺简单，具有良好的防水性和防腐性，可用于石油化工行业储罐、成品油罐及外墙的隔热保温，综合经济效益高。
