膏狀蓄能納米絕熱外墻膩?zhàn)拥难兄?/h1>

2018-10-17 02:53:12劉成樓北京虹霞正升涂料有限責(zé)任公司北京102400

上海涂料訂閱 2018年5期 收藏

關(guān)鍵詞：海泡石膩?zhàn)?/a>微珠

劉成樓 （北京虹霞正升涂料有限責(zé)任公司，北京 102400）

0 引言［1-3］

大力發(fā)展綠色建筑、實(shí)施節(jié)能降耗、低碳環(huán)保是實(shí)現(xiàn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施。目前，我國(guó)建筑能耗已占社會(huì)總能耗的1/3，單位面積能耗比氣候條件接近的發(fā)達(dá)國(guó)家高2~3倍，建筑供暖造成的空氣污染比發(fā)達(dá)國(guó)家高2~5倍，供熱采暖能耗占社會(huì)總能耗的10%，約為1.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國(guó)既有建筑面積達(dá)400億m2，每年新增建筑面積30億m2，其中高能耗建筑占95%以上，為此國(guó)家將建筑節(jié)能指標(biāo)由50%提高到70%，大城市節(jié)能要求達(dá)到75%，并對(duì)既有建筑逐步進(jìn)行節(jié)能改造，同時(shí)要兼顧冬季采暖與夏季空調(diào)的能源平衡，建筑節(jié)能材料具有廣闊市場(chǎng)。

目前我國(guó)推行的EPS（膨脹聚苯乙烯泡沫板）/XPS（擠出聚苯乙烯泡沫板）板薄抹灰外保溫系統(tǒng)，存在著防火性能低的缺陷，并且為將來(lái)嚴(yán)重的白色垃圾污染埋下了隱患；聚氨酯硬泡噴涂系統(tǒng)，防火性能差、存在著安全隱患；巖棉板強(qiáng)度低、吸濕性強(qiáng)，吸濕后保溫效果大幅度降低；聚苯顆粒保溫漿料和玻化微珠保溫砂漿因涂層厚、施工周期長(zhǎng)、保溫效果差等原因已淡出市場(chǎng)。

本研究以彈性丙烯酸乳液和VAE707乳膠復(fù)配為基料，以納米二氧化硅氣凝膠、海泡石纖維、膨脹珍珠巖/石墨烯改性石蠟定型相變漿料、空心玻璃微珠等為填料，在多種功能助劑的配合下制備膏狀蓄能納米絕熱外墻膩?zhàn)印Ｋ瓷?、阻隔、輻射、相變?chǔ)能、保溫隔熱功能于一體，具有施工薄層、柔性抗裂、高效隔熱、耐高低溫、耐水防滲、經(jīng)久耐用、施工簡(jiǎn)便、性?xún)r(jià)比優(yōu)等特點(diǎn)。與太陽(yáng)熱反射隔熱涂料配套使用，可替代傳統(tǒng)厚層保溫隔熱系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于建筑和工業(yè)隔熱節(jié)能領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

SiO2氣凝膠，因素高科（北京）科技發(fā)展有限公司；海泡石纖維、膨脹珍珠巖，石家莊錦川礦業(yè)；石墨烯，成都有機(jī)化學(xué)公司；空心玻璃微珠，中鋼馬鞍山礦院新材料科技公司；石蠟48#（熔點(diǎn)50 ℃，潛熱205 J/g），燕山石化；VAE707乳膠，山西三維集團(tuán)；彈性丙烯酸乳液，陶氏化學(xué)；分散劑、潤(rùn)濕劑、消泡劑、防腐劑等，陶氏化學(xué)。

1.2 基礎(chǔ)配方

膏狀蓄能納米絕熱外墻膩?zhàn)拥幕A(chǔ)配方如下：

1.3 制備工藝

（1） SiO2氣凝膠漿料的制備：

將適量分散劑、潤(rùn)濕劑、消泡劑、穩(wěn)定劑、pH調(diào)節(jié)劑加入到80~85份（質(zhì)量分）去離子水中，攪拌分散均勻，緩慢加入15~20份（質(zhì)量分）SiO2氣凝膠，分散均勻后，超聲波振蕩0.5 h，制得SiO2氣凝膠漿料；

（2） 乳化石蠟漿的制備：

將48#石蠟20~30份（質(zhì)量分）、適量石墨烯粉加入水浴燒杯中，加熱至75~80 ℃，使石蠟熔融，高速攪拌均勻。加入復(fù)配乳化劑、適量甘油，攪拌均勻。在600~800 r/min轉(zhuǎn)速下滴加70~74 ℃的水10份（質(zhì)量分），然后呈細(xì)流狀加入余量70 ℃溫水，再于室溫下攪拌10 min。

（3） 定型相變蓄能漿料的制備：

將50~60份（質(zhì)量分）膨脹珍珠巖加入反應(yīng)釜中，于80 r/min攪拌下抽真空20 min，負(fù)壓為0.05~0.06 MPa，關(guān)閉抽真空閥并打開(kāi)液料閥，將乳化石蠟漿200~250份（質(zhì)量分）加入反應(yīng)釜內(nèi)，加完后關(guān)閉進(jìn)料閥，抽真空，負(fù)壓為0.09~0.1 MPa，攪拌速度調(diào)至120 r/min，反應(yīng)30 min，關(guān)閉真空泵，打開(kāi)加料孔，卸料、包裝。

（4） 膏狀蓄能納米絕熱外墻膩?zhàn)拥闹苽洌?/p>

將定型相變蓄能漿料、助劑加入分散釜中，攪拌均勻后加入海泡石纖維 、氣凝膠漿，中速分散20 min至均勻，變低速攪拌，加入復(fù)配乳液、空心玻璃微珠，繼續(xù)攪拌20 min，得到均勻膏狀體，計(jì)量包裝。

1.4 性能檢測(cè)

（1） 常規(guī)性能 ：按GB/T 17371—2008《硅酸鹽復(fù)合絕熱涂料》和JG 158—2004《膠粉聚苯顆粒外墻保溫系統(tǒng)》進(jìn)行檢測(cè)。

（2） 導(dǎo)熱系數(shù) ：按GB/T 20473—2006《建筑保溫砂漿》進(jìn)行檢測(cè)。

（3） 保溫隔熱性能：采用自制試驗(yàn)箱模擬工程實(shí)測(cè)方法進(jìn)行測(cè)試。自制2個(gè)相同的鋼板試驗(yàn)箱1#和2#，鋼板厚度1 mm，外形尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=1.2 m×0.6 m×1.2 m，1#箱外面包覆一層3 cm厚的聚苯泡沫板，2#箱外面涂刷1 mm厚的蓄能納米絕熱膩?zhàn)樱B(yǎng)護(hù)干燥。在夏季晴天最高溫度為38 ℃的條件下，將2個(gè)箱子架空在室外陽(yáng)光下曝曬，至下午3時(shí)同時(shí)檢測(cè)2個(gè)箱子內(nèi)部的溫度；在冬季-10 ℃條件下，將上述2個(gè)箱子內(nèi)部加熱至25 ℃，封閉后同時(shí)移至室外，經(jīng)2 h后，測(cè)試2個(gè)箱子內(nèi)部的溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液對(duì)膩?zhàn)有阅艿挠绊?/h3>

本研究選擇了自交聯(lián)型彈性丙烯酸乳液與VAE707乳液復(fù)配為基料，自交聯(lián)型彈性丙烯酸乳液最低成膜溫度（MFT）<0 ℃，具有優(yōu)異的斷裂延伸率、抗拉強(qiáng)度、耐水性、抗?jié)B性、機(jī)械穩(wěn)定性、耐久性和耐沾污性，并且涂膜具有“呼吸”透氣功能；VAE707乳液的MFT為0 ℃，固含量為56%，具有良好的柔韌性、黏結(jié)性、相容性和穩(wěn)定性。將兩者以適當(dāng)?shù)谋壤龔?fù)配，其涂膜不但綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠降低成本。在配方中基料用量固定且其它因素不變的前提下，僅改變彈性丙烯酸乳液與VAE707的質(zhì)量比，考察其對(duì)膩?zhàn)有阅艿挠绊懀Y(jié)果見(jiàn)表1。

表1 彈性丙烯酸乳液與VAE707的配比對(duì)膩?zhàn)有阅艿挠绊慣able 1 Effect of the ratio of elastic acrylic emulsion to VAE707 on the performance of putty

由表1可知：在復(fù)配乳液用量固定的條件下，隨著VAE707用量的減少，膩?zhàn)訉拥酿そY(jié)強(qiáng)度降低，但是耐水性、低溫貯存穩(wěn)定性、柔韌性提高，當(dāng)m（彈性丙烯酸乳液）∶m（VAE707）= 3∶1時(shí)，蓄能絕熱膩?zhàn)拥木C合性能較好。

2.2 保溫填料的選擇

本研究選擇了SiO2氣凝膠、空心玻璃微珠、定型相變材料、海泡石纖維為填料。

2.2.1 SiO2氣凝膠的特性及用量

SiO2氣凝膠是一種保溫隔熱性能非常優(yōu)異的輕質(zhì)納米多孔非晶固體材料，其孔隙率高達(dá)80%~99%，孔洞的典型尺寸為2~50 nm，平均孔徑為20 nm，比表面積為600~1 000 m2/g，表觀密度為0.003~0.35 g/cm3，室溫導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.013 W/（m·K），即使在800 ℃高溫下，其導(dǎo)熱系數(shù)亦只有0.043 W/（m·K），且高溫不分解，無(wú)有害氣體放出，是純綠色環(huán)保材料［4］。

在配方中其他因素不變的條件下，SiO2氣凝膠的用量對(duì)蓄能納米絕熱膩?zhàn)又饕阅艿挠绊懸?jiàn)表2。

表2 SiO2氣凝膠用量對(duì)膩?zhàn)訉有阅艿挠绊慣able 2 Effect of SiO2 aerogel amount on the performance of putty

由表2可知，隨著SiO2氣凝膠用量的增加，膩?zhàn)訉拥目估瓘?qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)均逐漸下降，即機(jī)械性能下降、隔熱性能提高。當(dāng)SiO2氣凝膠添加量>7%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)，這是因?yàn)镾iO2氣凝膠密度低、比表面積大，當(dāng)其添加量過(guò)多時(shí)，配方中的黏結(jié)劑不足以將其完全包覆，致使膩?zhàn)羽そY(jié)強(qiáng)度下降，并影響抗拉強(qiáng)度；SiO2氣凝膠粒子表面的疏水性，也會(huì)影響膩?zhàn)芋w系的融合性和黏結(jié)性。隨著SiO2氣凝膠用量的增加，膩?zhàn)痈擅芏冉档汀⑾嗤w積下納米微孔增加、導(dǎo)熱系數(shù)降低，保溫隔熱性能提高。當(dāng)SiO2氣凝膠用量在3%~6%時(shí)，膩?zhàn)拥木C合性能較好。

2.2.2 空心玻璃微珠的特性及用量

空心玻璃微珠是一種外殼堅(jiān)硬、內(nèi)部中空的封閉性球形微珠，殼內(nèi)充滿了N2或CO2惰性氣體，壁厚為直徑的8%~10%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.05~0.07 W/（m·K），堆積密度為200 kg/m3，粒度為25~48 μm，具有質(zhì)輕、保溫隔熱、耐高低溫、耐腐蝕、隔音、防輻射、吸水率低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。將適量空心玻璃微珠添加到絕熱膩?zhàn)又?，不但因滾珠效應(yīng)而改善其施工性，而且還可顯著提高膩?zhàn)拥谋匦阅堋?/p>

本研究選用的空心玻璃微珠堆積密度為200 kg/m3，粒度為62~120 μm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.04~0.05 W/（m·K），光反射率80%~90%。

空心玻璃微珠用量對(duì)膩?zhàn)有阅艿挠绊懸?jiàn)表3。

表3 空心玻璃微珠用量對(duì)膩?zhàn)有阅艿挠绊慣able 3 Effect of the amount of hollow glass microspheres on the performance of putty

由表3可知，隨著空心玻璃微珠用量的增加，膩?zhàn)拥目估瓘?qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、干密度、導(dǎo)熱系數(shù)均有不同程度的提高，黏結(jié)強(qiáng)度逐漸下降，空心玻璃微珠用量應(yīng)低于20%為宜。

2.2.3 定型相變蓄能漿料的作用［5］

本研究中的定型相變蓄能漿料由膨脹珍珠巖吸附石墨烯改性石蠟構(gòu)成。膨脹珍珠巖是以珍珠巖為原料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)、瞬間膨脹而成的輕質(zhì)多孔材料，其顆粒表面開(kāi)孔、內(nèi)部呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，因此吸水率達(dá)到65%。48#石蠟熔點(diǎn)為50 ℃，相變潛熱205 J/g，性能穩(wěn)定，無(wú)腐蝕性，價(jià)格便宜，無(wú)過(guò)冷析出現(xiàn)象，并有一定的抗張強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度、柔韌性、憎水密封性，但熱傳導(dǎo)性差、抗壓強(qiáng)度低。

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)，是一種“超級(jí)材料”，硬度超過(guò)鉆石，同時(shí)又像橡膠一樣可以伸展。它的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性超過(guò)任何銅線。

膨脹珍珠巖吸附改性石蠟以后，由于表面開(kāi)孔全部被防水性好的石蠟封堵，內(nèi)部仍為蜂窩狀亞納米級(jí)空心結(jié)構(gòu)，其吸水率大幅度降低至5.4%，并具有優(yōu)良的隔熱保溫性能。膨脹珍珠巖吸附飽和后剩余的少量乳化石蠟，在制備膩?zhàn)舆^(guò)程中又被海泡石纖維多孔結(jié)構(gòu)吸附。

在基礎(chǔ)配方各因素不變的條件下，僅改變定型相變蓄能漿料的用量，考察其對(duì)膩?zhàn)有阅艿挠绊?，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 定型相變蓄能漿料用量對(duì)膩?zhàn)有阅艿挠绊慣able 4 Effect of the dosage of shaped phase change energy storage slurry on the performance of putty

由表4可知，隨著定型相變蓄能漿料用量的增加，膩?zhàn)訉拥目箟簭?qiáng)度逐漸升高，其原因是定型相變蓄能漿料與膨脹珍珠巖相比，相對(duì)密度增大、抗壓強(qiáng)度提高；膩?zhàn)訉拥酿そY(jié)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，其原因是定型相變蓄能漿料表面的石蠟影響了其與有機(jī)基料的黏結(jié)融合性；在25 ℃條件下導(dǎo)熱系數(shù)逐漸升高，在70 ℃條件下導(dǎo)熱系數(shù)反而逐漸降低。這是因?yàn)?8#石蠟的熔點(diǎn)為50 ℃，在25 ℃條件下石蠟呈固態(tài)休眠狀態(tài)，在70 ℃條件下石蠟已經(jīng)相變成液態(tài)，在相變過(guò)程中吸收并貯存了大量輻射熱能，從而減少了熱量傳導(dǎo)，導(dǎo)致絕熱膩?zhàn)与S定型相變蓄能漿料用量增加，蓄熱量增加，導(dǎo)熱系數(shù)下降。

在水泥墻向陽(yáng)面分別涂抹不含石蠟的同配方膩?zhàn)雍托钅芗{米絕熱膩?zhàn)?，?guī)格為1 000 mm×1 000 mm×2 mm，于夏季晴天午后3時(shí)，氣溫38 ℃條件下同時(shí)測(cè)試2塊墻面膩?zhàn)訉拥谋砻鏈囟龋Y(jié)果如下：不含石蠟的同配方膩?zhàn)颖砻鏈囟葹?8 ℃，蓄能納米絕熱膩?zhàn)颖砻鏈囟葹?9 ℃，二者相差9 ℃，說(shuō)明相變蓄能漿料具有吸熱、儲(chǔ)熱、降低表面溫度、減少熱傳導(dǎo)的作用。

2.2.4 海泡石纖維的作用

海泡石纖維是一種天然富鎂型層鏈狀硅酸鹽，灰白色，呈針束狀，內(nèi)部多孔且孔隙相通，表面有凹槽，相對(duì)密度低，吸附性和水化性強(qiáng)，但吸水后不膨脹，其結(jié)構(gòu)中的Si—OH鍵能與有機(jī)物直接反應(yīng)，熔點(diǎn)1 650 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)0.032~0.042 W/（m·K），是一種耐熱、抗輻射、絕緣、吸音、隔熱、無(wú)毒的綠色天然礦物纖維。海泡石的針狀及表面凹槽結(jié)構(gòu)，有利于在膩?zhàn)又挟愊蚍植?、凹槽咬合、交?lián)，可有效改善膩?zhàn)拥奈锢硇阅埽ū?）。

表5 海泡石纖維用量對(duì)膩?zhàn)有阅艿挠绊慣able 5 Effect of the amount of sepiolite fiber on the performance of putty

由表5可知，隨著海泡石纖維用量的增加，蓄能絕熱膩?zhàn)拥目估瓘?qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度提高，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，保溫隔熱性提高。當(dāng)海泡石纖維用量為3%~5%時(shí)，膩?zhàn)拥木C合性能較好。

3 蓄能納米絕熱膩?zhàn)拥男阅芗案魺嵝Ч?/h2>

3.1 蓄能納米絕熱膩?zhàn)拥男阅?/h3>

蓄能納米絕熱膩?zhàn)拥男阅軝z測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

3.2 隔熱效果

按照1.4中的模擬工程檢測(cè)方法，夏季1#箱的內(nèi)部溫度為29.5 ℃，2#箱的內(nèi)部溫度為27 ℃。在冬季-10 ℃條件下，將上述2個(gè)箱子內(nèi)部加熱至25 ℃，封閉后同時(shí)移至室外，放置2 h后，1#箱的內(nèi)部溫度為13 ℃，2#箱的內(nèi)部溫度為12.5 ℃。

以上測(cè)試結(jié)果表明，1 mm厚的蓄能納米絕熱膩?zhàn)优c30 mm厚的聚苯泡沫板相比，夏季保溫隔熱效果更好，冬季效果大致相當(dāng)。

表6 蓄能納米絕熱膩?zhàn)拥男阅躎able 6 Performance of energy storage nano-insulation putty

4 結(jié)語(yǔ)

（1） 以復(fù)配乳液為成膜物，當(dāng)m（彈性丙烯酸乳液）∶m（VAE707）=3∶1左右時(shí)，膩?zhàn)拥木C合性能較好。

（2） SiO2氣凝膠用量為20%~50%、海泡石纖維用量為3%~5%、空心玻璃微珠用量為5%~10%、定型相變蓄能漿料用量為15%~25%時(shí)，膩?zhàn)拥某Ｒ?guī)性能指標(biāo)均超過(guò)GB/T 17371—2008標(biāo)準(zhǔn)和JG 158—2004標(biāo)準(zhǔn)。25 ℃條件下導(dǎo)熱系數(shù)為0.047 W/（m·K），70 ℃條件下導(dǎo)熱系數(shù)為0.049 W/（m·K），1 mm厚膩?zhàn)訉优c3 cm厚聚苯泡沫板隔熱效果相當(dāng)。

（3） 蓄能納米絕熱膩?zhàn)泳哂惺┕け?、安全防火、環(huán)保節(jié)能、性?xún)r(jià)比優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)。可廣泛應(yīng)用于建筑物內(nèi)外墻、倉(cāng)儲(chǔ)、冷庫(kù)等保溫隔熱工程。

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