紫外光固化薄層保溫隔熱涂料的研制

談素芬，魯鋼*

（南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210009）

世界能源危機(jī)的出現(xiàn)使各國掀起了環(huán)保和節(jié)能的浪潮。在涂料中加入一種具有特殊功能的填料，可使其在惡劣的環(huán)境溫度下利用自身溫控物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)和釋放，從而達(dá)到保溫節(jié)能的效果[1]。中空玻璃微珠具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、耐高溫、隔熱保溫性能好等特點(diǎn)，可直接填充于絕大部分樹脂中，起到減輕產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、改善隔熱和保溫性等作用，用其改性聚合物成為研究的熱點(diǎn)，其不失為一種理想的保溫隔熱填料[2]。高效、環(huán)保、節(jié)能的紫外光固化技術(shù)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，目前紫外光固化涂料開始盛行，而功能性光固化涂料的研究鮮有報(bào)道。將中空玻璃微珠引入紫外光固化涂料，可得到一種新型的功能涂料，是一種具有廣闊市場前景的涂料新品種[3]。

本文以高性能中空玻璃微珠作為功能填料，制備出具有良好保溫隔熱性能的 UV涂料，并研究了填料含量、涂膜厚度等因素對(duì)涂層保溫隔熱性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 原料

中空玻璃微珠(粒徑分布15 ～ 85 μm)，3M公司；復(fù)合光引發(fā)劑(奪氫型自由基光引發(fā)劑和裂解型自由基光引發(fā)劑按一定比例復(fù)配而得)；樹脂 4310環(huán)氧大豆油丙烯酸酯，科田化工公司；硅烷偶聯(lián)劑KH-550(γ-氨基丙基三乙氧基硅烷)，分析純，張家港市國泰華榮化工新材料有限公司；消泡劑、分散劑，華夏助劑公司。

1. 2 儀器與設(shè)備

手提型紫外光固化機(jī)，涿洲市藍(lán)天特?zé)舭l(fā)展有限公司；UV3101PC，日本島津公司；TSP 2500導(dǎo)熱系數(shù)儀，瑞士Hot Disk公司。

1. 3 保溫隔熱色漆的配制

首先用電子天平分別稱取環(huán)氧大豆油丙烯酸酯、復(fù)合光引發(fā)劑、稀釋劑、消泡劑以及分散劑，在磁力趨于飽和，其在表面的排列也隨之更緊湊，導(dǎo)熱率變小。當(dāng)摻雜量為10%時(shí)，即中空玻璃微珠用量過大時(shí)，涂層的顏料體積濃度(PVC)過大，致密性下降，涂層中存在空氣對(duì)流而使導(dǎo)熱率變大。因此，中空玻璃微珠適宜的用量為8%。

圖1 不同含量中空玻璃微珠涂層的導(dǎo)熱率Figure 1 Thermal conductivity of the coatings with different contents of hollow glass bead

2. 3 保溫隔熱涂料涂層熱反射率的測試

2. 3. 1 中空玻璃微珠添加量對(duì)涂層熱反射率的影響

材料的反射率是影響其本身隔熱性質(zhì)的重要因素之一。不同中空玻璃微珠涂層熱反射率的測試結(jié)果見圖2?？芍c空白樣相比，摻雜中空玻璃微珠后，涂層的反射率都明顯提高。同一波長范圍內(nèi)，隨著中空玻璃微珠添加量的增多，涂膜的漫反射率逐漸增大，當(dāng)填充量為8%，漫反射率達(dá)最大值。這可能因?yàn)槌赡の?中空玻璃微珠復(fù)合涂層屬于三相復(fù)合材料，包括成膜物和其他有機(jī)助劑形成的有機(jī)成分連續(xù)相、中空玻璃微球球殼相和氣體相。由傅里葉傳熱定律可知，中空玻璃微珠的導(dǎo)熱系數(shù)很低，當(dāng)熱流遇到中空玻璃微珠時(shí)將會(huì)發(fā)生分流，熱流在保溫隔熱涂料中的傳遞路徑變長并且復(fù)雜化，導(dǎo)致保溫隔熱涂料的傳熱性能降低；在光固化成膜過程中，中空玻璃微珠將進(jìn)行多級(jí)組合排列，形成一層熱緩沖層來進(jìn)一步阻隔熱量傳遞。但當(dāng)中空玻璃微珠用量過多時(shí)，中空玻璃微珠和體系中的其他組分相互混合變得困難，造成體系不穩(wěn)定，中空玻璃微珠易浮到表面形成結(jié)膜，從而降低反射率。與此同時(shí)，體系黏度的增加也致使施工難度增大。因此，中空玻璃微珠適宜的用量為8%。

圖2 含不同用量中空玻璃微珠涂層的漫反射率Figure 2 Diffuse reflectance of the coatings with different contents of hollow glass bead

2. 3. 2 涂層厚度對(duì)熱反射率的影響

涂膜厚度對(duì)熱量的傳導(dǎo)有阻礙作用[5]。確定中空玻璃微珠的摻雜量為8%，測試了涂層厚度對(duì)熱反射率的影響，見圖3。它表明，隨著涂膜厚度的增加，反射率呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)涂膜厚度從100 μm逐漸增加到200 μm，涂層的漫反射率顯著增加。但當(dāng)涂膜厚度繼續(xù)增加到300 μm時(shí)，漫反射率反而下降。這是因?yàn)橥繉犹r(shí)，其無法遮蓋住底色；太厚，則又容易發(fā)生顆粒間的相互折射吸收，而影響反射效果。因此，適宜的涂層厚度為200 μm。

圖3 不同厚度涂層的漫反射率Figure 3 Diffuse reflectance of the coatings with different thicknesses

2. 4 保溫隔熱涂料的保溫效果

2. 4. 1 中空玻璃微珠添加量對(duì)涂層的保溫效果的影響

中空玻璃微珠添加量對(duì)涂層保溫效果的影響見圖4?？梢钥闯?，隨著時(shí)間的延長，瓶內(nèi)的水的溫度逐漸降低。但隨著涂層中所含中空玻璃微珠含量的增加，瓶內(nèi)水溫的降低速率越來越小(斜率越來越小)，說明涂層的保溫性能逐漸增加；且當(dāng)填充量為8%時(shí)，0.5 h后瓶內(nèi)的水溫最高，為61 °C，保溫效果較好。

圖4 不同中空玻璃微珠含量對(duì)涂層保溫性的影響Figure 4 Effect of the content of hollow glass bead on heat-insulating performance of cured coating

2. 4. 2 涂層厚度對(duì)保溫效果的影響

確定中空玻璃微珠的用量為8%，研究了不同厚度涂層的保溫效果，結(jié)果見圖5。

圖5 不同厚度涂層的保溫效果對(duì)比Figure 5 Comparison between insulation effect of the coatings with different thicknesses

由圖5可知，隨著時(shí)間的延長，未涂覆保溫涂料(空白)的瓶內(nèi)水溫迅速降低，隨著保溫涂層厚度的增加，保溫性能呈先增后減的趨勢。30 min后，厚度為100 μm的涂層其水溫與空白試管的水溫溫差為21 °C；涂層厚度為200 μm時(shí)，其水溫與空白試管的水溫溫差增加到26 °C；但當(dāng)涂層厚度增加到300 μm時(shí)，水溫溫差僅為7 °C。因此，當(dāng)涂層厚度為200 μm時(shí)，保溫效果較好。隨著厚度的增加，體系中中空玻璃微珠越來越趨于飽和，其在表面的排列也隨之不斷緊密，這時(shí)反射作用逐漸增加，可以說此時(shí)體系的保溫性能主要由反射起主導(dǎo)作用。

2. 5 保溫隔熱涂料的隔熱效果

不同厚度、含不同用量中空玻璃微珠的保溫隔熱涂層的隔熱效果測試結(jié)果見圖6。

圖6 涂層厚度和中空玻璃微珠用量對(duì)涂層隔熱性能的影響Figure 6 Effects of coating thickness and hollow glass bead content on heat insulation performance of cured coating

由圖6可知，在同一厚度下，?θ隨著中空玻璃微珠用量的增大而先增加，然后急劇下降；當(dāng)中空玻璃微珠的用量為8%時(shí)，?θ達(dá)到最高。含8%中空玻璃微珠的涂層的隔熱效果最好，?θmax可達(dá) 27 °C；當(dāng)中空玻璃微珠含量增加到8%時(shí)，中空玻璃微珠在涂膜中排列較密集，分散均勻，形成一個(gè)完整的空心隔離層，此時(shí)熱阻隔效果明顯增強(qiáng)。對(duì)比含8%中空玻璃微珠的不同厚度的涂層的?θ時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)涂層厚度為200 μm時(shí)，?θ最大，可達(dá)27 °C。當(dāng)中空玻璃微珠填充量較少時(shí)，隨著涂層厚度的增加，?θ也顯著增大。但當(dāng)涂層中所含的中空玻璃微珠達(dá)到極限值且涂層達(dá)到一定厚度時(shí)，單純提高隔熱涂層的厚度并不能進(jìn)一步改善其隔熱效果。結(jié)合上述漫反射率測試結(jié)果可知，膜厚較低時(shí)，漫反射率較低，因此隔熱效果較差。在一定膜厚范圍內(nèi)，隨著涂膜厚度的增加，漫反射率也隨之增加。因此，反射率和隔熱效果也隨之增加。當(dāng)膜厚達(dá)到一定值時(shí)，再繼續(xù)增加厚度，漫反射率反而稍有下降，因此隔熱性效果也不佳。

綜上所述，中空玻璃微珠的含量以8%為佳，所制備的保溫隔熱涂料的黏度為 98 s，涂層厚度確定為200 μm，在此條件下所得涂層機(jī)械性能較好，并具有較好的隔熱保溫性能。

3 結(jié)論

以環(huán)氧大豆油丙烯酸酯作為成膜物質(zhì)，以中空玻璃微珠為隔熱填料，制得了 UV固化保溫隔熱涂料。當(dāng)中空玻璃微珠含量為8%，涂層厚度為200 μm時(shí)，所制備的保溫涂層的導(dǎo)熱率為0.069 W/(m·K)，漫反射率達(dá)75%，30 min后的水溫與空白試樣的水溫溫差為26 °C，隔熱溫差達(dá)27 °C，涂膜的附著力為1級(jí)，硬度4H，沖擊強(qiáng)度大于50 kg·cm。

[1] 呂霞, 俞成丙, 張?jiān)? 等. 保溫涂料的研究現(xiàn)狀及其展望[J]. 涂料工業(yè),2011, 41 (3)： 45-48.

[2] FERREIRA J A M, CAPELA C, COSTA J D. A study of the mechanical behaviour on fibre reinforced hollow microspheres hybrid composites [J].Composites Part A： Applied Science and Manufacturing, 2010, 41 (3)：345-352.

[3] 王瑾璐. 復(fù)合型保溫隔熱涂料的制備及性能研究[D]. 西安： 西安科技大學(xué), 2009.

[4] 蔡玉斌, 吳國堅(jiān), 金駿. 薄層隔熱涂料導(dǎo)熱系數(shù)測定方法的研究[J].新型建筑材料, 2011, 38 (4)： 89-91.

[5] 張雯華, 張發(fā)愛. 涂料原料和涂層厚度對(duì)反射隔熱保溫性能影響研究[J].涂料工業(yè), 2007, 37 (6)： 30-32, 37.