TiO2包覆空心微珠建筑涂料保溫隔熱性能的研究

何 理 陳 喆 劉可為 沈哲驍 邵榮標 楊 瑩 花 蕾

(同濟大學浙江學院土木工程系，浙江 嘉興 314051)

空心玻璃微珠(下稱微珠)是一種直徑分布于幾十微米范圍內(nèi)的空心玻璃球體，密度低且導(dǎo)熱系數(shù)小[1]。由于微珠反射率較低，當被太陽光長時間照射時其表面的熱量會不斷地積累導(dǎo)致表面溫度上升，限制了它在建筑保溫隔熱涂料領(lǐng)域的進一步應(yīng)用[2]。TiO2對太陽光能量尤其是近紅外線有很強的反射能力，如果在微珠表面包覆一層TiO2薄膜，使其表面具備TiO2高反射率的功能可有效地提高微珠對太陽光的反射效果。常見的TiO2包覆空心微珠有兩種方法，一種是溶膠凝膠法[3]、另一種為非均相沉淀法[4]。前期大量的研究表明兩種方法制備的TiO2包覆微珠均有良好的保溫隔熱效果，但研究者們尚未對比這兩種方法制備TiO2包覆微珠涂料在保溫隔熱效果上的差異。因此本研究的主要內(nèi)容為對比兩種不同方法制備的TiO2包覆微珠涂料在保溫隔熱性能的差異，旨在拓展其在建筑功能涂料領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 實驗

1.1 實驗試劑和儀器設(shè)備

本實驗所用試劑及原料有：硫酸鈦(≥96%)、鈦酸四丁酯(≥99.0%)、冰乙酸(≥99.8%)、無水乙醇(≥99.8%)、納米二氧化鈦(鈦白粉，99.8%，100 nm)、苯丙乳液、碳酸鈣(99.5%，≤30 μm)、輕質(zhì)碳酸鈣(1 250目)及滑石粉(800目)，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯(97%)、消泡劑、分散劑、潤濕劑以及微珠(粒徑30 μm)。實驗用的儀器有：電動攪拌機、電熱恒溫鼓風干燥箱、分析天平、恒溫磁力攪拌器、箱式電阻爐、集熱式磁力攪拌油浴鍋。測試設(shè)備有：掃描電子顯微鏡；X-射線衍射儀；導(dǎo)熱系數(shù)儀；激光粒度分析儀等。

1.2 樣品的制備

1.2.1TiO2包覆微珠

本研究中溶膠凝膠法包覆空心微珠主要采用鈦酸四丁酯為前驅(qū)體[5]，而非均相沉淀法中則采用硫酸鈦為前驅(qū)體[3]。兩種方法制備TiO2包覆微珠均置于馬弗爐中600 ℃煅燒2 h后冷卻備用。

1.2.2涂料的制備

涂料樣品的制備：粒徑為30 μm的微珠按一定的量配制成涂料均勻地涂刷于馬口鐵上，自然風干后置于30 ℃烘箱內(nèi)烘干直到樣片質(zhì)量不再發(fā)生變化，取出待測。樣品名稱為C-30-1,C-30-2,C-30-3，其配方信息如表1所示。涂料配方中主要含有微珠、苯丙乳液、潤濕劑、消泡劑、成膜劑、滑石粉、碳酸鈣、鈦白粉等。TiO2包覆微珠涂料的制備：將兩種方法制備得到TiO2包覆微珠以一定的量配成涂料樣品C-FBG-30(非均相沉淀法制備的樣品)及C-RBG-30(溶膠凝膠法制備的樣品)，配方信息同樣記入在表1中。

表1 涂料配方信息 g

1.3 保溫隔熱性能測試

1.3.1隔熱性測試

將制備好的涂料涂覆于330×300×0.3 mm馬口鐵板上烘干后形成涂層。將表面涂有涂層的馬口鐵板豎直地封在300 ℃的馬弗爐開口處，涂層面向外，利用紅外測溫計對馬口鐵表面涂層進行溫度測試。實驗開始后每隔3 min讀取一次數(shù)據(jù)，記錄10個點數(shù)據(jù)并計算平均值，測試時間總長為15 min。圖1為本次實驗中涂膜隔熱性測試的裝置圖，測試結(jié)果記錄在表2。

1.3.2導(dǎo)熱系數(shù)測試

在本實驗中準備3塊300×300 mm2大小的水泥板，在30 ℃烘箱干燥一周直到水泥板質(zhì)量不再發(fā)生變化，測試水泥板的導(dǎo)熱系數(shù)記錄在表3中。稱取90 g涂料均勻地涂覆于干燥的水泥板表面，將此水泥板放到30 ℃烘箱干燥一周直到此水泥板的重量不再變化，對此水泥板再次進行導(dǎo)熱系數(shù)測定，數(shù)據(jù)同樣記錄在表3。

2 實驗測試結(jié)果分析

2.1 SEM分析

圖2是不同方法制備TiO2包覆微珠的SEM圖。圖2a)是未經(jīng)過包覆過的微珠，其表面圓潤有光澤；圖2b)和圖2c)是非均相以及溶膠凝膠法包覆的微珠，其表面看上去非常粗糙，明顯地被包覆了一層膜層。

2.2 粒徑分析

利用激光粒度儀對微珠直徑分布進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)未包覆微珠D50=30.08 μm，非均相沉淀法包覆的微珠D50=31.02 μm，溶膠凝膠法包覆微珠D50=40.50 μm。經(jīng)過TiO2包覆微珠的平均粒徑明顯大于未包覆微珠的平均粒徑。此結(jié)果驗證了通過兩種方法均能在微珠表面包覆一層膜層，且溶膠凝膠法包覆微珠的效果更為優(yōu)異。

2.3 XRD分析

3 涂料保溫隔熱性能研究

3.1 隔熱性能測試

C-30-1,C-30-2及C-30-3樣品隔熱性能測試結(jié)果如圖5所示，數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表2所示。在0 min時C-30-1,C-30-2,C-30-3的溫度分別為50 ℃,53 ℃,39 ℃，說明涂料中加入微珠可以明顯的起到隔熱效果，且玻璃微珠摻入量越多，隔熱性能越好。對于C-30-1,C-30-2,C-30-3在15 min內(nèi)樣板表面溫差分別為ΔT1=23 ℃,ΔT2=13 ℃,ΔT3=26 ℃。從上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)C-30-2樣板的溫差最小，說明該樣板涂層隔熱的穩(wěn)定性最好。

表2 0 min,15 min樣品表面涂層的溫度及溫度差 ℃

C-30-2,C-FBG-30,C-RBG-30隔熱性能如圖6所示。在0～15 min測試時間內(nèi)，C-FBG-30和C-RBG-30樣品表面溫度均低于C-30-2表面溫度，說明當摻入同樣含量的微珠時，表面包覆TiO2涂料的隔熱性能比沒有包覆TiO2涂料的隔熱性能更為優(yōu)異。例如經(jīng)過9 min后C-FBG-30及C-RBG-30表面測得溫度比C-30-2涂層表面溫度分別降低了11 ℃和12 ℃。隨著測試時間的延長，C-FBG-30及C-RBG-30涂層依舊保持良好的隔熱性能，這是由于在微珠表面附上一層銳鈦型的TiO2薄膜，增強了反射光輻射和阻隔熱傳導(dǎo)的能力，使其隔熱性能得到了提升。在15 min內(nèi)，對于C-FBG-30及C-RBG-30樣品表面溫度差分別為ΔT4=23 ℃及ΔT5=10 ℃，該結(jié)果說明C-RBG-30涂層隔熱的穩(wěn)定性最好，其原因可歸結(jié)為溶膠凝膠法制得微珠表面TiO2包覆效果更好，使得C-RBG-30具有良好的隔熱穩(wěn)定性能。

3.2 導(dǎo)熱系數(shù)測試

表3為C-30-2,C-FBG-30,C-RBG-30樣品的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值。第1組中，空白水泥板的導(dǎo)熱系數(shù)0.647 W/(m·K)，在表面涂覆一定量的C-30-2后，其導(dǎo)熱系數(shù)下降為0.418 W/(m·K)，下降幅度為25.66%；第2組樣品中，空白水泥板的導(dǎo)熱系數(shù)0.609 W/(m·K)，在表面涂上一定量的C-FBG-30后，其導(dǎo)熱系數(shù)下降為0.385 W/(m·K)，下降幅度達到36.78%；第3組樣品，空白水泥板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.623 W/(m·K)，在表面涂上一定量的C-RBG-30涂料后，其導(dǎo)熱系數(shù)下降為0.325 W/(m·K)，下降幅度達到47.83%。此結(jié)果表明，涂覆保溫隔熱涂料均能降低水泥板的導(dǎo)熱系數(shù)，但是利用溶膠凝膠法包覆的微珠制備涂料的導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度最大，說明該涂料配方的保溫隔熱效果最優(yōu)。此結(jié)果與隔熱性測試的結(jié)果相一致，說明溶膠凝膠法表面包覆效率更高，涂料的保溫隔熱性能最好。其原因在于溶膠凝膠法包覆過程中微珠在前驅(qū)體液體中的靜置時間對微珠表面納米級TiO2包覆效果有很大影響。前期研究表明靜置時間為8 h～12 h所得到微珠的包覆效果較好[3]。在本實驗中溶膠凝膠法制備TiO2包覆微珠時，選擇的靜置時間為10 h，因此可以得到包覆率較高的TiO2包覆微珠。

表3 C-30-2,C-FBG-30,C-RBG-30導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果

4 結(jié)論

本研究的結(jié)論如下：本文利用溶膠凝膠法、非均相沉淀法對30 μm空心玻璃微珠進行包覆。通過涂料的隔熱性以及導(dǎo)熱系數(shù)測試研究了這兩種方法包覆微珠制備涂料的保溫隔熱性能，結(jié)論如下：

1)表面包覆TiO2微珠制備涂料的隔熱性能優(yōu)于未包覆TiO2微珠制備的涂料；

2)溶膠凝膠法包覆微珠制備涂料的保溫隔熱效果優(yōu)于非均相沉淀法包覆微珠制備涂料。