提高反射隔热涂料性能和质量方法探讨

中国新型涂料网讯：
摘要：基于国家对节能环保型绿色建材的大力推广，建筑反射隔热涂料的应用越来越广泛，但是目前市场上的反射隔热涂料性能和质量参差不齐，对行业的健康发展造成了很大的负面影响。因此，本文结合我们的研究内容对影响反射隔热涂料性能和质量的因素进行了总结分析，以期对反射隔热涂料行业的进步有所帮助。
关键字：反射隔热；空心玻璃微珠；纳米ATO
Key words: energy conservation coatings,reflecting insulated coatings, cool roof, interior wall heat preservation coatings, transparent glass insulated coatings
       能源的不可再生性使其成为影响世界发展的重要问题，而建筑住房的不断增多使得节能材料在建筑行业的运用日益广泛。尤其是在我国，建筑物大多都是高能耗非节能型建筑，单位建筑面积能耗大概占发达国家单位建筑能耗的3倍左右，这给我国的经济持续健康稳定发展带来很大的制约。因此，2013年国务院发布《绿色建筑行动方案》，要求切实抓好新建建筑节能工作，大力推进既有建筑节能改造，开展城镇供热系统改造，推进可再生能源建筑规模化应用，加强公共建筑节能管理，加快绿色建筑相关技术研发推广，大力发展绿色建材；并且我国在“十二五”绿色建筑和绿色生态城区发展规划中明确提出推动绿色建筑发展，党政机关、大型公共场所2014年起率先执行绿色建筑标准，并引导商业房地产开发企业建设绿色住宅小区，同时加快既有建筑节能改造。建筑反射隔热涂料作为一种使用方便、价格实惠、节能高效的绿色建材，近年来越来越广泛地被运用在绿色节能建筑中。
       建筑反射隔热涂料主要通过提高漆膜的太阳光反射比、增大涂层的热阻以及提高涂层的红外辐射率等途径来降低建筑物内外表面及内部的温度，从而减低空调、风扇等制冷设备的使用，节约能耗。因此，理想的建筑反射隔热涂料必须满足以下条件：（1）除隔热性能以外的其他性能满足并优于传统外墙涂料；（2)在200nm至2500nm波长范围内的，对可见光和近红外光有较好的反射比；（3）涂层的导热系数必须较低；（ 4）在8μm至13.5μm远红外波段内具有较高的辐射率。
       本文主要是对我们近年来在建筑反射隔热领域的研究成果进行一定的总结，概括出影响反射隔热涂料性能和质量的因素，以期能够对于反射隔热涂料性能和质量的提高有一定的参考价值。
1　树脂种类对于反射隔热涂料性能影响
       对于反射隔热涂料用乳液（树脂），首先必须满足对太阳光的吸收率尽可能小。表1列出了几种涂层的太阳光热吸收率，我们可以发现，在使用TiO2颜料基础上，各种树脂的吸收率差别不大，并且各种树脂的折光指数都在1.45-1.5之间，差别很小。因此，我们可以认为树脂的种类对于反射隔热涂料的热反射性能影响很小。
表1 几种涂层的太阳热吸收率
 
       另一方面，反射隔热涂料作为一种功能性的外墙涂料，其树脂的种类对于涂层的耐候性、耐沾污性、热反射性能的稳定性及涂层的使用寿命存在决定性的影响。在常用树脂中，环氧树脂因它的苯环基团和环氧基团易致黄变而很少用于外墙涂料，有机硅树脂和聚氨酯树脂由于价格较高同样未能成为外墙隔热涂料的最佳选择。因此，我们在文献1中选择了四种不同的丙烯酸类树脂，考察了不同丙烯酸类树脂对于漆膜性能的影响，结果如表2所示。
表2 不同丙烯酸类树脂对于漆膜性能的影响
 
       由表2测试结果可以看出，苯丙乳液B和弹性乳液D制成的漆膜经600h紫外加速老化仪照射后出现轻微黄变，且弹性乳液D的硬度较低，耐沾污性能差硅，丙乳液C 的附着力较差；纯丙乳液A 具有较高的硬度和优异的附着力，制成的漆膜耐沾污性能最好。因此，选择纯丙乳液A作为反射隔热涂料的树脂是最优的选择。
2　颜填料种类对反射隔热涂料性能影响
       颜填料种类对于反射隔热涂料的性能具有很大的影响，尤其是热反射性能，并且颜填料对涂层热反射性能的影响一直是反射隔热涂料领域研究的重点。经过研究发现高折光颜料是反射隔热涂料配方中不可缺少的颜料，其中，金红石型钛白粉以2.80的高折光指数成为了反射隔热涂料的首选。此外，隔热功能填料在反射隔热涂料配方中也有非常重要的意义，近年来，隔热功能填料取得了很大的进展，从几年前的空心玻璃微珠占统治地位逐渐呈现出各类反射隔热粉、空心玻璃微珠、辐射粉体、纳米粒子等功能填料竞相发展的格局。
2.1　普通隔热功能填料对反射隔热涂料性能影响
2.1.1 空心玻璃微珠种类和用量对反射隔热涂料隔热性能影响
       在含空心玻璃微珠的反射隔热体系中，空心玻璃微珠种类对于隔热涂料的隔热效果具有很大的影响，本实验室分别选择了粒径不同的空心玻璃微珠K1和S38，比较了采用二者制备的隔热涂料隔热效果，结果如图1所示。由图1可知，粒径更大的K1制备的隔热涂料隔热效果更好，这是因为单位体积内由粒径更大的空心玻璃微珠制备的涂层具有更多的空气腔，涂层的导热系数更小。
2.2 体质颜料对反射隔热涂料性能影响
       绢云母广泛应用于涂料工业中，它能够作为体质填料增加漆膜的丰满度，能够防止紫外线穿透而改变涂膜的耐候性及耐热性。绢云母属于单斜晶系，一轴平行薄片平面，粉体具有一定的厚径比，易于成有序定向排列，易产生消光效应，可以阻挡可见光，也能屏蔽紫外线和红外辐射，理论上讲还可以阻挡微波。由于绢云母具备良好的光学性能，因此，它对漆膜的反射隔热能力同样可以产生一定影响。本实验室比较过超细硫酸钡和绢云母的隔热效果，发现绢云母在一定程度上能够提高提高涂层的隔热性能。在文献2中将绢云母按照质量分数为9.5％、11.5％、13.5％、15.5％、17.5％的比例添加至仅含Ti02的涂料中，分别标为1#一5#，标注普通外墙漆为0#，所得的漆膜隔热能力如图3所示。 2.3　纳米粒子对反射隔热涂料性能影响
       具有屏蔽红外光和紫外线的纳米粒子在反射隔热涂料中具有很好的发展前景，目前已经证明能够提高反射隔热涂料隔热性能的纳米粒子包括纳米氧化钛、纳米氧化锆、纳米ATO、纳米ITO等。本实验室对这些材料在反射隔热涂料体系中的应用有过较系统的研究，其中纳米ATO的应用最为引人关注。在文献3中，选用纳米ATO粉体作为隔热填料，并将其制备的纳米ATO浆料应用到涂料中，使用自制的仿真涂层反射隔热测试仪测定其隔热效果，结果如图4所示。        由图4可见，纳米ATO浆料在质量分数为10％时，涂层的隔热效果最优。当纳米ATO浆料的质量分数小于10％时，涂层的隔热性能随着纳米ATO浆料添加量的增加而提高；在超过10％之后，涂层的隔热性能出现下降趋势。原因可能是由于ATO粉体本身呈蓝灰色，添加到涂层中，必然会对涂层的色泽产生影响。添加量越大，涂层的颜色越偏向于蓝黑色。而深色的物质对太阳热辐射能的吸收能力较强，颜色越深，吸收的热量越多。因此，ATO粉体自身的近红外光反射能力会与涂层颜色的热辐射吸收能力构成竞争效应。当反射能力大于吸收能力时，涂层表现出良好的隔热效应；当反射能力小于吸收能力时，涂层的隔热效应开始变差。
3涂料粘度对反射隔热涂料质量影响
       由于空心玻璃微珠为轻质填料，在以空心玻璃微珠为基础制备的隔热涂料在贮存过程中空心玻璃微珠有一定的上浮，导致整个体系的粘度升高及结皮。我们在研究过程中发现通过提高体系粘度，可以有效改善涂料的贮存性能。通过使用增稠剂调节体系粘度，隔热涂料的贮存性能如表4所示。由表4可见，应用增稠剂调节初始粘度至100KU以上可以有效避免空心微珠上浮，从而获得稳定的悬浮涂料体系。
表4 粘度对含K1体系稳定性的影响
4 空心玻璃微珠添加工艺对隔热涂料性能影响
       空心玻璃微珠抗压强度较低。在高速分散时随二氧化钛等颜填料加入，会造成微珠的大面积破碎。如果在涂料制备的最后阶段，分次逐步添加，则能够有效地保护微珠，使其在漆膜中形成紧密的排布层。高速分散后的含空心微珠漆膜与后期低速加入微珠形成漆膜的电镜照片如图5、图6所示。我们同时测定了两种不同添加工艺涂层的隔热效果，结果显示高速分散后的涂层隔热性能大幅度下降。这主要是因为空心玻璃微珠大量破碎，造成漆膜内反射填料的减少；同时破碎的空心玻璃微珠导热系数明显增大，导致漆膜的热阻减小，隔热效果变差。       （2）目前市场上反射隔热粉已经非常普遍，因此，对于反射隔热粉的应用研究及开发更多性能更好的反射隔热粉将成为下一阶段反射隔热涂料的研究重点。
      （3）在含空心玻璃微珠的反射隔热涂料体系中，空心玻璃微珠的种类、用量、添加工艺及体系粘度都对反射隔热涂料的性能和质量具有一定的影响，应多加注意。
      （4）对于添加纳米粒子的反射隔热涂料体系，尤其是添加纳米ATO这类蓝灰色的填料，一定要注意纳米粒子的添加量及纳米粒子的充分分散，否则，不仅不能充分发挥纳米粒子的隔热作用，还有可能对涂料的性能造成负面影响。

参考文献
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[5] 张广发, 陈中华. 纳米TiO2在保温隔热涂料中的应用[J]. 化工新型材料, 2008, 36(8):98-99.

专家介绍：
       陈中华，华南理工大学材料科学与工程学院 教授/博士生导师,中国建筑涂料协会专家组成员，广州集泰化工有限公司  研发总监，广东省特种涂料工程技术研究开发中心主任、住房和城乡建设部全国建筑节能与建设科技推广服务平台专家组成员及建筑用反射隔热涂料技术协作网专家组成员，中国建筑金属结构协会铝门窗幕墙委员会专家组成员，广东省/教育部高性能、环境友好纳米复合涂料产学研基地主任，广州市水性涂料工程技术研究开发中心主任，广东涂料行业协会副会长，广东省材料研究学会理事、《涂料工业》、《电镀与涂饰》及《中国涂料》编委，广东省涂料产业技术交流中心防腐涂料组组长，广东省涂料和颜料标准化技术委员会委员。发表学术论文70多篇；申请国家发明专利14项，授权8项；通过了两项省部级科技成果鉴定，其中“纳米复合水性罐内金属防腐蚀抗静电涂料”填补了国内空白，达到了国际先进水平。获得中国石油和化学工业科技进步二等奖一次、中国腐蚀与防护学会科技进步三等奖一次、全国石油和化学工业劳动模范。