面漆對鎳鈦黃建筑節(jié)能涂層性能的影響

楊光，鄧安仲*

（中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401331）

面漆對鎳鈦黃建筑節(jié)能涂層性能的影響

楊光，鄧安仲*

（中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401331）

將鎳鈦黃顏料與苯丙乳液混合制備了建筑節(jié)能涂層，并涂覆上硅溶膠和苯丙乳液制備的面漆。采用紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)、接觸角測量儀、紅外輻射率測量儀、精密色差儀和氙燈老化箱探究了不同硅溶膠添加量所制面漆對建筑節(jié)能涂層性能的影響。結(jié)果表明，涂覆面漆不會改變建筑節(jié)能涂層的外觀，而且硅溶膠與苯丙乳液比例適當(dāng)?shù)拿嫫嵊兄谔岣咂湫阅堋．?dāng)硅溶膠與苯丙乳液的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，涂層體系的太陽光反射比、水接觸角、附著力、鉛筆硬度、柔韌性和沖擊強(qiáng)度分別為0.7845、120.3°、6.54 MPa、3H、4 mm和65 kg·cm，耐沾污性、耐老化性和耐水性明顯提高。

建筑節(jié)能涂層；面漆；太陽光反射比；水接觸角；耐老化性

Abstract:An energy-efficient architectural coating was prepared by mixing styrene–acrylic emulsion with nickel titanium yellow as pigment, and then covered with a topcoat, which was prepared from silica sol and styrene–acrylic emulsion.The effects of the topcoats containing different amounts of silica sol on properties of the energy-efficient architectural coating were studied by ultraviolet/visible/near infrared spectrophotometer, contact angle meter, infrared radiometer, precision colorimeter and xenon arc lamp weatherometer.The results showed that the topcoat doesn’t change the appearance of the energy-efficient architectural coating, but helps to improve its performance when the silica sol and styrene–acrylic emulsion are mixed with a suitable proportion.The coating system with a topcoat prepared with silica sol and styrene–acrylic emulsion at a mass ratio of 2:1 features a total solar reflectance of 0.7845, water contact angle of 120.3°, adhesion strength of 6.54 MPa,pencil hardness of 3H, flexibility of 4 mm, impact resistance of 65 kg·cm, as well as enhanced resistance to stain, aging and water.

Keywords:energy-efficient architectural coating; topcoat; solar reflectance; water contact angle; aging resistance

First-author’s address:Army Logistics University of PLA, Chongqing 401331, China

建筑節(jié)能涂料主要應(yīng)用在建筑外墻、屋頂?shù)炔课?，它能夠被?dòng)地減少外部熱量向建筑內(nèi)部傳導(dǎo)，從而降低室內(nèi)溫度，達(dá)到降低能耗的目的[1-2]。為增強(qiáng)建筑節(jié)能涂層的反射、隔熱等性能，研究人員做了大量試驗(yàn)。馮夢萍[3]通過分析太陽輻射模型和建筑外表面熱作用，闡述了建筑用反射隔熱涂料的隔熱機(jī)理，為評估涂刷此類涂層的建筑的節(jié)能效果提供了一定的理論支持。沈航[4]通過使用特殊顏填料以及設(shè)計(jì)涂層結(jié)構(gòu)來改進(jìn)多彩仿石涂料體系，使其具有一定的反射隔熱性能，拓寬了水性多彩涂料的應(yīng)用范圍，并探究了基材處理、底涂、色點(diǎn)、顏料等因素對涂層性能的影響。

建筑節(jié)能涂料的大規(guī)模應(yīng)用受到涂層的耐沾污性和耐老化性的制約。涂層被污染或老化后，會發(fā)生粉化、脫落、色變、反射比嚴(yán)重下降等各種問題，極大地影響了其隔熱性、裝飾性及使用性。涂層的節(jié)能隔熱效果受材料本身和涂層結(jié)構(gòu)的影響，但目前關(guān)于面漆對涂層性能影響的報(bào)道較少。本文以鎳鈦黃建筑節(jié)能涂層[5]為例，在其上涂覆面漆，以期改善其耐水性、耐老化性和耐沾污性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

苯丙乳液503(固含量48%)，廣州特潤得化工有限公司；硅溶膠JN-30(固含量30%，平均粒徑5 ～ 25 nm)，青島海洋化工有限公司；鎳鈦黃B5302(平均粒徑2.5 μm)，湖南巨發(fā)科技有限公司；成膜助劑Texanol，美國伊士曼；分散劑BYK-163，德國畢克；消泡劑L-1311，美國亞什蘭；增稠劑SN-162，日本諾普科。以上試劑均為工業(yè)級。去離子水，自制；鋁合金板，市售。

1.2 建筑節(jié)能涂料的制備

將苯丙乳液用其5倍質(zhì)量的水稀釋，后續(xù)使用的均為稀釋后的乳液。向50 g苯丙乳液中加入5 g鎳鈦黃、1 g分散劑、2 g增稠劑、2 g成膜助劑和少量消泡劑，混合均勻后過濾出料。

1.3 面漆的制備

分別按質(zhì)量比0∶1、1∶2、1∶1和2∶1配制硅溶膠/苯丙復(fù)合乳液，向其中加入適量成膜助劑和消泡劑，攪拌均勻即可，分別記為A、B、C和D。

1.4 涂層的制備

在干凈的鋁合金板表面刷涂建筑節(jié)能涂料，待其表干后再刷涂面漆，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件[溫度(23 ± 2) °C，相對濕度50% ± 5%]下放置168 h，控制建筑節(jié)能涂層和面漆的干膜厚度分別約為150 μm和40 μm。

1.5 表征與性能測試

采用澳大利亞安捷倫的Cary-5000型紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)測量樣品的太陽光(400 ～ 2500 nm)和近紅外(780 ～ 2500 nm)波段的反射比ρ(λ)。采用上海漢譜光電科技有限公司的HP-200精密色差儀測量涂層的明度L*、紅綠性質(zhì)a*和黃藍(lán)性質(zhì)b*。參照J(rèn)G/T 235–2014《建筑反射隔熱涂料》測試涂層的太陽光反射比 TSR、近紅外反射比 NIR、污染后和人工氣候老化后涂層的太陽光反射比變化率(分別為ΔTSRw和ΔTSRL)以及色差ΔE*，。采用上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司的JC2000C1型靜態(tài)接觸角測量儀測量涂層的水接觸角。參照ASTM D4541–09 Standard Test Method for Pull-off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers，采用美國Defelsko公司的Positest AT-A型拉拔式全自動(dòng)附著力檢測儀測試涂層的附著力。按GB/T 9780–2013《建筑涂料涂層耐沾污性試驗(yàn)方法》中的A法對涂層進(jìn)行5次污染處理以考察其耐沾污性。涂層人工氣候老化按GB/T 1865–2009《色漆和清漆人工氣候老化和人工輻射曝露 濾過的氙弧輻射》進(jìn)行氙燈照射處理。分別按GB/T 1733–1993《漆膜耐水性測定法》(甲法)、GB/T 1731–1993《漆膜柔韌性測定法》、GB/T 1732–1993《漆膜耐沖擊測定法》和GB/T 6739–2006《色漆和清漆 鉛筆法測定漆膜硬度》測試涂層的耐水性、柔韌性、沖擊強(qiáng)度和鉛筆硬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 面漆對建筑節(jié)能涂層反射性能的影響

圖1 涂覆不同面漆的建筑節(jié)能涂層的反射性能Figure 1 Reflection performance of the energy-efficient architectural coating with different topcoats

圖1為覆蓋以不同硅溶膠/苯丙乳液質(zhì)量比的復(fù)合乳液為基料的面漆后，建筑節(jié)能涂層的反射光譜。有面漆的涂層在可見光波段的反射比曲線并沒有明顯變化，這是由于面漆為無色透明的薄膜，雖其組分配比不同，但未改變涂層的外觀，涂層仍舊呈現(xiàn)淡黃色。面漆對涂層反射比的影響主要體現(xiàn)在近紅外波段，這是因?yàn)槊嫫嶂泄枞苣z的添加量不同，使得納米二氧化硅含量也不同，所以面漆對近紅外光的反射強(qiáng)弱也不同。隨著硅溶膠用量增多，涂層的太陽光和近紅外反射比均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。這是因?yàn)?，向苯丙乳液中添加少量硅溶膠，固化后涂層的明度會由于納米二氧化硅對光線的散射而略微降低，但繼續(xù)增加硅溶膠添加量會增強(qiáng)納米二氧化硅對光線的反射，所以反射比先減后增。圖2顯示了涂覆不同面漆后涂層的反射太陽能量輻射曲線?？梢娛褂妹嫫峄疚磳ν繉臃瓷涮柲芰枯椛湫阅墚a(chǎn)生影響，進(jìn)一步證實(shí)面漆的使用并未降低涂層的反射性能。當(dāng)面漆中硅溶膠和苯丙乳液的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，涂層的反射比與未使用面漆的涂層基本一致，可認(rèn)為此時(shí)涂層的反射性能保持最好。

圖2 涂覆不同面漆的建筑節(jié)能涂層的反射太陽能量輻射曲線Figure 2 Solar radiation reflection curves for the energy-efficient architectural coating with different topcoats

2.2 面漆對建筑節(jié)能涂層老化前后性能的影響

使用不同面漆的建筑節(jié)能涂層在氙燈老化前后的性能如表1所示。在涂層老化處理前，隨著面漆中硅溶膠含量增多，涂層的明度增加，這是由于硅溶膠中的納米二氧化硅具有一定的反射可見光的能力。老化處理后，涂層的太陽光反射比均存在不同程度的降低，但使用面漆的涂層的下降幅度較小，且隨著硅溶膠用量增大，涂層的太陽光反射比變化率越來越小。這是因?yàn)槊嫫釋ㄖ?jié)能涂層而言相當(dāng)于一種“保護(hù)層”，被氙燈照射后，面漆中的苯丙有機(jī)高分子聚合物開始逐漸降解，涂層表面出現(xiàn)一定的缺陷，增加了對光線的無效散射，所以太陽光反射比下降。但納米二氧化硅并不會因?yàn)殡療粽丈涠l(fā)生較大改變，所以硅溶膠用量越多，涂層太陽光反射比下降越小。當(dāng)ΔE*＜0.5時(shí)，視覺感為痕跡；ΔE* = 0.5 ～ 1.5時(shí)，視覺感為輕微；ΔE* = 1.5 ～ 3.0 時(shí)，視覺感為可察覺；ΔE* = 3.0 ～ 6.0 時(shí)，視覺感為可識別；ΔE* = 6.0 ～ 12.0時(shí)，視覺感明顯。無面漆的涂層老化后，色差為可識別。這是由于建筑節(jié)能涂層在氙燈照射一段時(shí)間后，所含有機(jī)高分子中的分子鏈氧化、分解，產(chǎn)生一些發(fā)色基團(tuán)，致使涂層色變。使用面漆后，涂層老化后的色差減小。此外，涂層老化后的明度會略微增加，這是因?yàn)槔匣雇繉颖砻娴谋奖袡C(jī)聚合物發(fā)生降解而斷鏈，短鏈分子向表面遷移，最終引起涂層明度增高。當(dāng)面漆中硅溶膠和苯丙乳液的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，建筑節(jié)能涂層老化后太陽光反射比的變化最小，且色差較輕微，耐老化性最好。

表1 涂覆不同面漆的建筑節(jié)能涂層老化處理前后的太陽光反射比、明度和色差Table 1 Solar reflectance, luminosity and color difference of the energy-efficient architectural coating with different topcoats before and after aging treatment

2.3 面漆對建筑節(jié)能涂層耐沾污性的影響

耐沾污性直接影響了整個(gè)涂層體系的使用壽命和使用功能。測試了建筑節(jié)能涂層涂覆面漆后被污染前后的太陽光反射比變化率，對水的靜態(tài)接觸角，以及耐水性，結(jié)果見表 2。使用面漆可顯著增大涂層的水接觸角。這可能是因?yàn)槲词褂妹嫫釙r(shí)，在涂層表面存在較多孔隙等缺陷，容易被水滲入，導(dǎo)致對水的靜態(tài)接觸角較小。隨著硅溶膠含量增多，涂層的水接觸角由69.1°增至120.3°，達(dá)到疏水材料的要求。這是因?yàn)楣枞苣z中的納米二氧化硅在固化時(shí)填充進(jìn)了缺陷和孔隙中，增大了涂層的致密度和交聯(lián)程度。此外，它還在表層構(gòu)筑了一定的微納米結(jié)構(gòu)，也有助于涂層呈現(xiàn)出疏水性，所以涂層的水接觸角增大。水接觸角增大使得污染物不易粘附在涂層表面，易隨液體滾落，從而提升了涂層的耐沾污性，表現(xiàn)在涂層被污染后，太陽光反射比變化率由未涂覆面漆時(shí)的14.2%逐漸下降至覆有D面漆時(shí)的5.4%。面漆還能改善涂層的耐水性，這是由于面漆填充了涂層表面的缺陷和孔隙，對涂層進(jìn)行“密封”的結(jié)果。當(dāng)面漆中硅溶膠和苯丙乳液的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，涂層的耐沾污性和耐水性最好，水接觸角最大。

表2 涂覆不同面漆的建筑節(jié)能涂層的耐沾污性Table 2 Stain resistance of the energy-efficient architectural coating with different topcoats

2.4 面漆對建筑節(jié)能涂層基本力學(xué)性能的影響

涂層的力學(xué)性能對涂層的實(shí)際應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。涂覆不同面漆的建筑節(jié)能涂層的基本力學(xué)性能列于表3。可知使用面漆明顯增強(qiáng)了涂層的硬度、柔韌性和抗沖擊性。硅溶膠?苯丙復(fù)合涂層具有較好的交聯(lián)度，其內(nèi)部的有機(jī)?無機(jī)粒子形成了致密的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(見圖3)，從而增強(qiáng)了涂層的硬度，抗沖擊性也因此增強(qiáng)。另外，硅溶膠中的納米二氧化硅也能增強(qiáng)涂層的剛性和硬度。因?yàn)楦街Υ硗繉优c基材間的結(jié)合強(qiáng)度，所以面漆的使用對附著力基本無影響。但如果硅溶膠添加量過多，過量的納米二氧化硅會導(dǎo)致涂層由韌性體系向脆性體系轉(zhuǎn)變，反而降低了涂層的柔韌性，因此選擇硅溶膠與苯丙乳液質(zhì)量比為2∶1即可，此時(shí)涂層仍具有較令人滿意的力學(xué)性能。

表3 涂覆不同面漆的建筑節(jié)能涂層的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the energy-efficient architectural coating with different topcoats

圖3 面漆固化后形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Figure 3 Stereoscopic net structure of cured topcoat

3 結(jié)論

將硅溶膠與苯丙乳液混合制備了面漆，探究了不同硅溶膠添加量所制面漆對鎳鈦黃建筑節(jié)能涂層性能的影響。面漆對涂層外觀基本無影響，但可以顯著提升涂層的耐老化性、耐沾污性和耐水性，力學(xué)性能也略有提升。當(dāng)面漆中硅溶膠與苯丙乳液的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，涂層體系的性能最好，太陽光反射比、水接觸角、附著力、鉛筆硬度、柔韌性和沖擊強(qiáng)度分別為0.7845、120.3°、6.54 MPa、3H、4 mm和65 kg·cm，耐沾污性、耐老化性和耐水性均較好。

[1]ZINZI M, AGNOLI S.An energy and comfort comparison between passive cooling and mitigation urban heat island techniques for residential buildings in the Mediterranean region [J].Energy and Buildings, 2012, 55 (12): 66-76.

[2]ZAGROMOV Y A, KULIKOV V V, TOKAR B Z.Thermophysical characteristics of thermal insulation on metal backing [J].Journal of Engineering Physic,1978, 35 (1): 778-782.

[3]馮夢萍.建筑用反射隔熱涂料節(jié)能效果研究[D].杭州: 浙江大學(xué), 2015.

[4]沈航.反射隔熱多彩涂料的制備及性能探討[J].涂料工業(yè), 2016, 46 (2): 6-12, 17.

[5]楊光, 鄧安仲.3種黃色顏料對太陽熱反射隔熱涂層性能的影響[J].電鍍與涂飾, 2017, 36 (14): 731-735.

[ 編輯：杜娟娟 ]

《電鍍與涂飾》持續(xù)被Inspec數(shù)據(jù)庫收錄

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據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前Inspec總共收錄4342種期刊（比2017年4月公布的數(shù)據(jù)多了3種），其中中國大陸期刊維持220種（約占5.1%）?！峨婂兣c涂飾》是國內(nèi)表面處理及涂料涂裝領(lǐng)域唯一被收錄的專業(yè)性期刊。

Effect of topcoat on properties of energy-efficient architectural coating with nickel titanium yellow as pigment

YANG Guang, DENG An-zhong*

TU56; TQ630.7

A

1004 – 227X (2017) 18 – 0966 – 05

2017–05–01

2017–06–05

楊光（1990–），男，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生，主要從事建筑節(jié)能材料方面的研究。

鄧安仲，教授，(E-mail) denglin929@126.com。

10.19289/j.1004-227x.2017.18.003