反射型藍色隔熱節(jié)能涂層的制備及隔熱性能

余茂林，孫皓，楊雨浛，鄧安仲，羅盛，袁旺

反射型藍色隔熱節(jié)能涂層的制備及隔熱性能

余茂林1，孫皓1，楊雨浛1，鄧安仲1，羅盛1，袁旺2

（1.中國人民解放軍陸軍勤務學院，重慶 401311；2.陸軍工程防化第84旅，拉薩 850000）

針對目前廣泛應用的傳統(tǒng)型保溫隔熱建筑材料存在的施工困難、體系過厚、裝飾性安全性較差等不足，制備力學性能和裝飾性優(yōu)異的隔熱節(jié)能涂層。使用KH560對硅溶膠進行改性，與苯丙乳液進行復合制備隔熱節(jié)能涂料的成膜基料，加入質(zhì)量分數(shù)分別為5%、10%、15%、20%的群青、鈷藍顏漿，制備8種隔熱節(jié)能涂層。采用傅里葉紅外變換光譜儀、馬爾文Zeta電位儀、掃描電鏡和熱重分析儀分別對硅溶膠的接枝改性效果、粒徑分布、微觀形貌及熱穩(wěn)定性進行測試。采用掃描電鏡、X射線衍射儀、電子探針分別對2種顏料的微觀形貌、晶體特性和元素組成進行分析。采用紫外/可見/近紅外分光光度計測試2種藍色顏料和節(jié)能涂層的太陽光反射比和近紅外反射比。采用紅外熱像儀對涂層試板隔熱性能進行測試。采用多種涂層力學測試工具和掃描電鏡分別對涂層的綜合力學性能、微觀形貌進行表征。KH560對無機硅溶膠改性效果較好，可以顯著降低硅溶膠的團聚，提升硅溶膠的熱穩(wěn)定性及其在有機乳液的分散性。群青和鈷藍顏料的添加量為5%時，2種涂層的節(jié)能隔熱效果達到最優(yōu)。添加量為5%群青的涂層的太陽光反射比、近紅外反射比分別為0.462、0.533，添加量為5%鈷藍的涂層的太陽光反射比、近紅外反射比分別為0.311、0.522。紅外熱像圖顯示，添加量為5%群青的涂層和5%鈷藍的涂層的背面熱平衡溫度分別為68.0、65.5 ℃，較空白板分別降低了4.9、7.4 ℃。顏料的添加量5%時，2種涂層均具有優(yōu)異的力學性能，經(jīng)鹽溶液浸泡30 d后2種涂層均無明顯微觀和宏觀缺陷，能滿足實際使用需要。隔熱反射性能測試結果表明，制備的反射型隔熱節(jié)能涂層的隔熱性能較優(yōu)異，同時兼具較好的力學性能和耐腐蝕性能，符合當下綠色環(huán)保的發(fā)展理念。

硅溶膠；硅烷偶聯(lián)劑；涂層；隔熱節(jié)能；太陽光反射比

太陽熱輻射以及地表交通等人類活動都會加劇城市的熱島效應，促使建筑的溫度升高。與室內(nèi)升溫1 ℃相比，室內(nèi)降溫1 ℃要增加30%的能源消耗，統(tǒng)計表明建筑能耗約占社會總能耗的三分之一[1-2]。目前應用較為廣泛的建筑隔熱節(jié)能材料，如聚苯乙烯泡沫板外墻保溫體系、聚氨酯氣霧泡沫技術和現(xiàn)澆混凝土內(nèi)置保溫隔熱板等，均存在施工工藝繁雜、隔熱體系過厚、裝飾性耐久性不足等問題，因此研發(fā)高性能、裝飾性優(yōu)良、施工簡便的彩色建筑隔熱節(jié)能涂層具有十分重要的意義[3-4]。

Santamouris等[5]認為，近紅外反射率較高的涂層可以較大程度地反射太陽輻射，可以有效提升建筑的隔熱節(jié)能效果；Guo等[6]研究表明，反射隔熱涂料對建筑隔熱節(jié)能效果的影響顯著，使用后夏季室內(nèi)溫度最大可降低約10 ℃，室內(nèi)空間月空調(diào)能耗可降低5.8 kW·h/m2；楊光等[7]以苯丙乳液為節(jié)能涂層成膜基料，探究了紅外輻射型、近紅外反射型和阻隔型填料對涂層節(jié)能性能的影響，結果表明，遠紅外陶瓷粉、空心玻璃微珠、金紅石型納米二氧化鈦最佳添加量（文中均用質(zhì)量分數(shù)表示）分別為25%、9%、9%時，

節(jié)能涂層的隔熱效果最優(yōu)。在以往的研究中發(fā)現(xiàn)，節(jié)能隔熱涂層均以白色為主。成膜基料要求具有較高的近紅外反射比，以苯丙乳液、氟碳涂料居多，選擇性較少[8]。筆者課題組前期研究成果表明，改性硅溶膠-苯丙乳液復合涂層具有較高的近紅外反射比和良好的物理力學性能[9]。文中以改性硅溶膠-苯丙乳液復合涂料為基料，分別以具有較高近紅外反射率的鈷藍和群青顏料為功能性顏填料，制備性能優(yōu)異的彩色建筑隔熱節(jié)能涂料，測試涂層的實際隔熱性能，并系統(tǒng)闡述其隔熱節(jié)能機理，研究成果可以較好地為兼具裝飾性的彩色建筑節(jié)能隔熱涂層的研發(fā)提供一定參考價值。

1 實驗

1.1 原材料

主要材料：群青5003，粒徑約為2.5 μm，英國好利得公司；鈷藍B2805，粒徑約為4 μm，湖南巨發(fā)科技公司；硅溶膠JN-30，固含量為30%，pH值約為9，德州市晶火技術玻璃公司；硅烷偶聯(lián)劑KH560，即γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，分析純，南京創(chuàng)世化工助劑有限公司；苯丙乳液，固含量為40%，鄭州高士麗涂料公司；十二碳醇酯成膜助劑C12H25O3，濮陽宏業(yè)高新科技發(fā)展公司；多功能助劑CS-555，南京創(chuàng)世化工助劑公司；分散劑BYK-163，德國畢克化學品公司；有機硅消泡劑，重慶名宏化工公司；HCl，分析純，密度為1.18 g/mL，雄大化工有限公司；Na2SO4粉末，工業(yè)級，九重化工有限公司；馬口鐵試板和纖維增強水泥試板，規(guī)格分別為50 mm× 120 mm×0.3 mm、50 mm×120 mm×4 mm，北京申克建儀儀器公司；去離子水，實驗室自制。

1.2 節(jié)能隔熱涂層的制備

1）改性硅溶膠的制備[10]。硅溶膠中納米SiO2表面官能團單一，具有大量的親水性羥基，容易造成團聚，且作為無機物與有機乳液的相容性較差，所以需要對硅溶膠表面進行改性，以提升硅溶膠在有機乳液中的分散性[11]。將質(zhì)量比為1∶1的無水乙醇與去離子水混合液注入三口燒瓶，然后緩慢滴入與混合液同等質(zhì)量的硅溶膠，超聲分散0.5 h。將燒瓶在60 ℃的水浴箱中加熱，并進行電磁攪拌，緩慢滴入硅溶膠質(zhì)量分數(shù)為12.5%的KH560。插入冷凝管、溫度傳感裝置后恒溫水浴加熱5 h，即得到改性硅溶膠，合成路線如下：

2）色漿的制備。將顏料制備成色漿能有效避免顏料團聚所造成的分散性問題。將質(zhì)量比為1∶1的去離子水與顏料混合，充分攪拌后加入約為混合料質(zhì)量1%的分散劑，在三輥研磨機中研磨約10 min后過5 μm篩。

3）涂料的制備。在水浴加熱條件下，向苯丙乳液中加入質(zhì)量為其25%的改性硅溶膠，攪拌均勻后，即得到節(jié)能隔熱涂料基料。依次向4份基料中加入質(zhì)量占比為5%、10%、15%、20%的色漿，以及適量的成膜助劑、消泡劑和多功能助劑，攪拌均勻后即得到節(jié)能隔熱涂料。

4）涂層制備。噴槍噴涂壓力為0.3 MPa，涂料噴涂量為0.6 kg/m2，在距離馬口鐵、纖維增強水泥板30 cm處進行噴涂，干燥后在室溫下養(yǎng)護1周。馬口鐵板涂層用于測量反射特性、力學性能和耐腐蝕性，纖維增強水泥板用于測試涂層隔熱性能。

1.3 涂層隔熱節(jié)能測試裝置的設計

參照JG/T 235-2014，涂層隔熱節(jié)能裝置設計示意見圖1。采用E27型紅外燈模擬太陽光源。在實驗過程中每5 min讀1次溫度傳感器的讀數(shù)，時間為30 min（此時已達到平衡溫度）。然后關閉燈源，等裝置冷卻后，交換試板，再重新依照上述方法進行實驗，以排除涂層試板位置對實驗的影響。2次測量平衡溫差須在1 ℃以內(nèi)。

1.4 性能測試與表征

1.4.1 硅溶膠接枝改性效果表征

采用美國生產(chǎn)的Nicolet-6700型傅里葉紅外光譜儀測定KH560，以及改性前后硅溶膠樣品FT-IR光譜。掃描范圍為400～4000 cm?1，掃描次數(shù)為32，分辨率為4 cm?1。采用英國ZETASIZER nano-ZS90型Zeta電位儀測定改性前后硅溶膠的粒徑分布。采用日本日立S-3700N型掃描電子顯微鏡觀察硅溶膠改性前后微觀形貌。采用SDTQ600型熱重分析儀測定改性前后硅溶膠樣品的熱重曲線，其中升溫速率為20 ℃/min，采用氮氣氛圍，氮氣速率為50 mL/min。

圖1 涂層隔熱節(jié)能裝置設計示意

1.4.2 顏料組成及性能表征

采用日本日立S-3700N型掃描電子顯微鏡觀察群青和鈷藍顏料的微觀形貌。采用電子探針和能譜儀分析顏料的元素組成和相對含量。采用帶積分球的Cary-5000型紫外/可見/近紅外分光光度計測試顏料的太陽光反射比和近紅外反射比。

1.4.3 涂層反射特性及隔熱性能表征

采用帶積分球的Cary-5000型紫外/可見/近紅外分光光度計測試涂層的太陽光反射比和近紅外反射比。采用中科紅外測溫儀測試試板背面測試點的溫度，達到平衡溫度后采用紅外熱像儀測定并分析試板的紅外熱像圖。

1.4.4 涂層綜合力學性能測試

根據(jù)GB/T 9286—1998測試涂層附著力的等級。參照GB/T 6739—2006測試涂層的硬度。參照GB/T 1732—2020測試涂層的耐沖擊性。根據(jù)GB/T 1733—1993測試涂層的耐溶液腐蝕性，浸泡液為硫酸鈉溶液（pH值約為6，質(zhì)量分數(shù)為20%），浸泡30 d后將涂層用液氮脆斷，采用SEM觀察涂層的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 硅溶膠接枝改性效果分析

2.1.1 FT-IR分析

采用KH560改性前后硅溶膠的紅外譜見圖2。在470、795、1110 cm?1處分別為Si—O—Si鍵的彎曲振動、對稱伸縮以及反對稱伸縮[12]。在950、2875、2938 cm?1處分別為環(huán)氧基C—O—C、—CH3、—CH2吸收峰。在3435 cm?1處為硅溶膠表面—OH伸縮振動吸收峰。采用KH560改性后，硅溶膠在796 cm?1和1111 cm?1處Si—O—Si吸收峰增強，3435 cm?1處硅羥基吸收峰減弱，并在950、2875、2938 cm?1處產(chǎn)生新的—CH2、C—O—C、—CH3吸收峰，這表明KH560已經(jīng)存在于硅溶膠中納米二氧化硅顆粒表面，并與二氧化硅粒子表面的羥基發(fā)生反應，成功對硅溶膠進行了接枝改性。

圖2 采用KH560改性前后硅溶膠的紅外譜

2.1.2 改性前后硅溶膠粒徑及微觀形貌分析

由圖3可知，改性前硅溶膠的平均粒徑為987.3 nm，分布較寬且不均勻，說明此時硅溶膠存在較大程度的團聚。改性后，硅溶膠的平均粒徑為127.8 nm，粒徑減小顯著，且粒徑分布均勻。這是因為KH560水解出的硅醇基與硅溶膠中納米SiO2表面的—OH縮合形成了Si—O—Si鍵，促使KH560接枝到硅溶膠中的納米SiO2表面后，硅烷分子鏈段相互交織，產(chǎn)生了空間位阻，有效提升了硅溶膠的分散性，阻止了硅溶膠的團聚[13-15]。硅溶膠改性前后微觀形貌分別見圖4a—b，可以看出，改性前硅溶膠粒子間相互聯(lián)結，有明顯的團聚現(xiàn)象，改性后硅溶膠粒子間輪廓明顯且清晰，分散性較好。這表明KH560對硅溶膠改性后確實提升了硅溶膠的分散性，且實際效果較好。

圖3 改性前后硅溶膠的粒徑分布

圖4 改性前后硅溶膠中SiO2的SEM圖

2.1.3 TG分析

建筑節(jié)能涂層在太陽光和熱環(huán)境下長期服役，就要求復合涂層中硅溶膠具有較好的熱穩(wěn)定性。改性前后硅溶膠的熱重曲線見圖5，可以觀察到改性前后硅溶膠的失重分為3個階段。圖5a—b中階段Ⅰ為硅溶膠粉體中殘留的自由水和溶劑蒸發(fā)造成的吸熱失重，階段Ⅱ為Si—OH之間的脫水縮聚形成的吸熱失重[16]。硅溶膠的分解溫度一般認為是開始失去結合水時的溫度[10]。對比圖5a—b中階段Ⅱ熱失重開始溫度可

圖5 改性前后硅溶膠的熱重曲線

知，改性后硅溶膠的初始分解溫度約為210 ℃，比改性前的80 ℃高130 ℃。這表明硅溶膠經(jīng)過KH560改性后熱穩(wěn)定性得到顯著提高。這是因為KH560與硅溶膠中SiO2反應形成鍵能較高的Si—O—Si共價鍵，引入有機官能團后增加了SiO2表面官能團，提升了硅溶膠的ξ電位及空間靜電排斥力，從而增加了硅溶膠的表面活化能，促使硅溶膠具有較好的熱穩(wěn)定性[17-18]。

未改性硅溶膠Ⅲ階段為殘余的Si—OH的縮聚熱解失重[19-20]，改性后硅溶膠階段Ⅲ熱重損失為9.4%，較未改性硅溶膠高7.22%。這是由改性硅溶膠表面亞甲基、甲基和環(huán)氧基團等有機基團分解造成，再次表明KH560有機鏈段成功接枝到硅溶膠粒子表面[21]。

2.2 顏料組成及性能分析

2.2.1 顏料微觀形貌及元素組成分析

群青及鈷藍的SEM圖和XRD譜圖如圖6所示，其電子探針定量成分檢測見表1。由圖6a—c可知，2種藍顏料均為粉末狀顆粒，粒徑為微米級。SEM圖中鈷藍和群青顆粒輪廓均較為明顯，顆粒之間界限清晰，分散性較好，團聚程度較低。XRD圖譜表明，群青雜峰較少，結晶程度較高。根據(jù)Jade分析和Debye-Scherrer公式（=/cos，式中為Scherrer常數(shù)，為晶粒垂直于晶面方向的平均厚度，為衍射峰積分寬度，為布拉格角，為X射線波長）分析可知，群青為金紅石型晶型，晶體尺寸為98.3 nm；鈷藍為堅金石型晶型，晶體尺寸為79.1 nm。由表1可知，2種顏料均為氧化物，群青主晶相可近似表示為Na6Al4Si6S4O20，鈷藍主晶相可近似表示為Co(AlO2)2。

圖6 藍色顏料的SEM圖和XRD譜圖

表1 群青和鈷藍顏料的電子探針定量成分檢測

Tab.1 EPMA quantification of ultramarine and cobalt blue pigment

2.2.2 顏料反色特性分析

群青及鈷藍顏料的反射比曲線見圖7，可以觀察到群青和鈷藍在波長442 m處存在藍色光的強反射峰。2種藍顏料在波長584 nm處存在強吸收峰，說明這2種顏料對黃色光存在較強吸收。有研究指出，這是因為藍顏料在可見光波段會吸收較多深藍色光[21-22]。鈷藍在1300～1500 nm處存在較大波段的強吸收，這是鈷藍中Co2+的強吸收帶造成的[23]。由反射比曲線可知，群青太陽光反射比和近紅外反射比分別為0.567、0.649，分別比鈷藍高8.86%、35.2%。由圖8可知，這是因為鈷藍晶體尺寸相對較小，入射光就容易在晶體間多重散射，導致吸收強度的增加[24-25]。同時，群青雜質(zhì)和晶體缺陷相對較少，這可能也是原因之一。

圖7 群青及鈷藍顏料的反射比曲線

圖8 顏料晶粒尺寸影響其近紅外反射比示意

2.3 涂層反射特性及隔熱性能分析

2.3.1 涂層反射特性分析

太陽光波段的分區(qū)、各區(qū)波段范圍和能量占比如圖9所示。太陽光波段（簡稱TSR，下同）可分為紫外區(qū)（UV）、可見光區(qū)（VIS）和紅外區(qū)（IR），在太陽光能量中占比依次為5%、45%和50%[26]。太陽光在節(jié)能涂層表面存在3種路徑形式：光反射、光透射和光吸收。光反射比、光透射比和光吸收比具備如下關系[27-28]：

++= 1 (1)

建筑涂層的基材一般不透光，能夠提升涂層的光反射比，降低涂層的光吸收比，理論上就能達到較好的隔熱節(jié)能效果。

圖9 太陽光能量分布光譜

節(jié)能涂層反射比隨2種藍顏料摻入量變化的曲線見圖10。對比圖7和圖10可以發(fā)現(xiàn)，在VIS波段，群青和鈷藍顏料涂層的反射比變化趨勢與其顏料本身的變化趨勢基本相似，這是因為改性硅溶膠-苯丙乳液復合涂層本身具有較好的透明性，對反射型藍顏料的VIS反射率性能影響較小。在NIR波段（即近紅外光，波長780～2500 nm），群青和鈷藍顏料涂層的反射比曲線出現(xiàn)了較多的吸收峰，與顏料的反射比曲線相差較大，有研究表明這是改性硅溶膠苯丙乳液復合涂層自身在NIR波段具有一定的吸收能力所致[9]。同時，紅外線自身的熱效應性能會在有機涂層縱向和表面形成溫度梯度，導致涂層反射比曲線出現(xiàn)波動。

群青和鈷藍在添加量為5%時，2種藍色涂層的TSR和NIR反射比達到最大值，TSR反射比最大值分別為0.462、0.311。繼續(xù)增加顏料的用量，涂層的反射比會下降。根據(jù)顆粒粒子對光線的散射理論[29]可知，在一定涂層體積范圍內(nèi)，反射型顏料粒子數(shù)量適宜時，近紅外光在顏料粒子間的多重散射會減小，進而減小涂層對光輻射的吸收比。當顏料粒子過多時，易在涂層內(nèi)部發(fā)生團聚，同時對光輻射的反射是雜亂無章且不規(guī)則的，表現(xiàn)為無效散射[30]。值得注意的是，鈷藍涂層中Co2+在NIR波段存在較強、較寬的吸收帶，因此隨著鈷藍顏料添加量的增加，涂層反射比下降得更為明顯。

圖10 節(jié)能涂層反射比隨2種藍顏料摻入量的變化曲線

2.3.2 涂層隔熱節(jié)能效果分析

添加量為5%時群青/鈷藍涂層背面試板溫升曲線見圖11，在試板達到平衡溫度狀態(tài)后的紅外像圖如圖12所示。從圖12可以看出，試板在15 min時就達到了平衡溫度。無涂層試板、鈷藍涂層試板和群青涂層試板的平衡溫度依次為72.9、68.0、65.5 ℃，說明鈷藍涂層和群青涂層可以有效降低試板的平衡溫度。

圖11 群青/鈷藍（5%）涂層背面試板溫升曲線

圖12 涂層試板紅外熱像圖

2.4 涂層綜合力學性能分析

對群青及鈷藍添加量為5%時涂層的綜合力學性能進行了測試，測試結果見表2。由表2可以看出，群青涂層和鈷藍涂層的基本力學性能均較好且相差不大，均滿足1.4.4節(jié)中實驗所參照的標準規(guī)范要求。采用pH值為6、質(zhì)量分數(shù)為20%的Na2SO4溶液將涂層浸泡30 d后，對涂層進行液氮脆斷取樣，其微觀形貌如圖13所示。

表2 顏料添加量為5%時涂層的力學性能

Tab.2 Mechanical properties of coating with 5% pigment content

圖13 涂層浸泡30 d后SEM圖

涂層浸泡30 d后的SEM圖如圖13所示。由圖13a、b可以看出，2種隔熱節(jié)能涂層經(jīng)過高濃度酸性鹽溶液長期浸泡后，表面仍保持完整，無明顯脫落和孔隙等微觀缺陷。在苯丙乳液涂層表面出現(xiàn)了20 μm的孔洞，以及較為密集的針孔狀孔隙。這是因為硅溶膠作為無機物，Si—O—Si鍵較為穩(wěn)定，摻入苯丙乳液中后，復合涂層在具有有機涂層的成膜完整性同時，兼具無機涂層的耐腐蝕介質(zhì)等特性，因而提升了涂層的耐腐蝕性能[31]。

3 結論

對改性前后的硅溶膠進行了紅外光譜分析、粒徑分布測試、微觀形貌測試和熱重分析，結果表明，硅烷偶聯(lián)劑KH560能有效對硅溶膠進行接枝改性，提升了硅溶膠的分散性以及與乳液的相容性，并增強了硅溶膠的熱穩(wěn)定性。

在VIS波段，節(jié)能涂層反射比和顏料反射比具有較好的一致性，但在NIR波段反射比曲線出現(xiàn)了一定程度的波動。這是由改性硅溶膠苯丙乳液復合涂料NIR吸收特性造成的。

在群青和鈷藍的添加量為5%時，2種藍色涂層的TSR和NIR反射比達到最大值，TSR反射比最大值分別為0.462、0.311。涂層的隔熱性能測試表明，無涂層試板、添加量為5%的鈷藍涂層試板、添加量為5%群青涂層試板的平衡溫度依次為72.9、68.0、65.5 ℃。力學性能和耐腐蝕性測試表明，添加量為5%的鈷藍涂層和群青涂層試板均符合標準規(guī)定，滿足實際使用要求。

[1] ZHONG Ke, FU Hai-ming, KANG Yan-ming, et al. Indoor Thermal Conditions and the Potential of Energy Conservation of Naturally Ventilated Rooms in Summer, China[J]. Energy and Buildings, 2012, 55: 183-188.

[2] 黃德中, 沈吉寶. 建筑節(jié)能技術綜述[J]. 太陽能學報, 2007, 28(6): 682-688.

HUANG De-zhong, SHEN Ji-bao. The Energy Saving of Buildings[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2007, 28(6): 682-688.

[3] LU Deng-hui, GAO Qiang, WU Xiao-mei, et al. ZnO Nanostructures Decorated Hollow Glass Microspheres as Near Infrared Reflective Pigment[J]. Ceramics Interna-tional, 2017, 43(12): 67-73.

[4] 何燕, 張雄, 管建. 金屬氧化物顏料對隔熱涂料發(fā)射率和反射率的影響[J]. 建筑材料學報, 2015, 18(5): 784- 789.

HE Yan, ZHANG Xiong, GUAN Jian. Influence of Meta-llic Oxide Pigment on Emissivity and Solar Reflectance of Insulation Coating[J]. Journal of Building Materials, 2015, 18(5): 784-789.

[5] SANTAMOURIS M, SYNNEFA A, KARLESSI T. Using Advanced Cool Materials in the Urban Built Environment to Mitigate Heat Islands and Improve Thermal Comfort Conditions[J]. Solar Energy, 2011, 85(12): 3085-3102.

[6] GUO W, QIAO X, HUANG Y, et al. Study on Energy Saving Effect of Heat-Reflective Insulation Coating on Envelopes in the Hot Summer and Cold Winter Zone[J]. Energy and Buildings, 2012, 50: 196-203.

[7] 楊光, 鄧安仲. 填料對建筑節(jié)能涂層隔熱性能的影響和機理[J]. 表面技術, 2017, 46(10): 218-223.

YANG Guang, DENG An-zhong. Effects and Mechanism of Functional Fillers on Insulation Performance of Buil-ding Energy-Saving Coating[J]. Surface Technology, 2017, 46(10): 218-223.

[8] 趙蘇, 呂劍, 孫艷麗, 等. 外墻隔熱涂料用復合苯丙乳液的研制[J]. 沈陽建筑大學學報(自然科學版), 2016, 32(1): 132-140.

ZHAO Su, LYU Jian, SUN Yan-li, et al. Development of Composite Acrylic Emulsion Paint for External Wall Insulation[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science), 2016, 32(1): 132-140.

[9] 楊光, 鄧安仲, 陳靜波. KH560改性納米硅溶膠對苯丙涂層性能的影響[J]. 表面技術, 2017, 46(8): 49-54.

YANG Guang, DENG An-zhong, CHEN Jing-bo. Effects of Nano Silica Sol Modified by KH650 on Properties of Styrene Acrylic Coating[J]. Surface Technology, 2017, 46(8): 49-54.

[10] 楊光, 鄧安仲, 陳靜波. 偶聯(lián)劑改性納米硅溶膠的接枝率及穩(wěn)定性[J]. 材料科學與工程學報, 2018, 36(2): 286-290.

YANG Guang, DENG An-zhong, CHEN Jing-bo. Grafting Ratio and Stability of Nano Silica Sol Modification with Silane Coupling Agent[J]. Journal of Materials Science and Engineering, 2018, 36(2): 286-290.

[11] LIU Qiang-qiang, CHAI Yu-bo, NI Lin, et al. Flame Retardant Properties and Thermal Decomposition Kinetics of Wood Treated with Boric Acid Modified Silica Sol[J]. Materials (Basel, Switzerland), 2020, 13(20): 4478.

[12] 魏震, 汪為磊, 劉衛(wèi)麗, 等. 硅溶膠的有機改性及應用[J]. 應用化工, 2020, 49(3): 536-539.

WEI Zhen, WANG Wei-lei, LIU Wei-li, et al. Organic Modification and Application of Silica Sol[J]. Applied Chemical Industry, 2020, 49(3): 536-539.

[13] 楚景慧, 佟立波, 江忠浩. 氧化石墨烯/硅烷自組裝涂層對鎂合金耐腐蝕和耐磨損性能的影響[J]. 表面技術, 2019, 48(3): 62-68.

CHU Jing-hui, TONG Li-bo, JIANG Zhong-hao. Effect of Graphene Oxide/Silane Self-Assemble Coating on Corro-sion and Wear Resistance of Mg Alloy[J]. Surface Tech-nology, 2019, 48(3): 62-68.

[14] HASHEMI-NASAB R, MIRABEDINI S M. Effect of Silica Nanoparticles Surface Treatment on in Situ Poly-merization of Styrene-Butyl Acrylate Latex[J]. Progress in Organic Coatings, 2013, 76(7/8): 1016-1023.

[15] 余茂林, 鄧安仲, 孫皓, 等. 改性硅溶膠對水泥基復合材料力學性能的影響及機制[J]. 合成纖維, 2021, 50(8): 38-42.

YU Mao-lin, DENG An-zhong, SUN Hao, et al. Effect of Modified Silica Sol on Mechanical Properties of Cement- Based Composites and Its Mechanism[J]. Synthetic Fiber in China, 2021, 50(8): 38-42.

[16] 張迎春, 翁凌, 張笑瑞. 溶膠-凝膠法制備二氧化硅薄膜及其性能研究[J]. 材料導報, 2017, 31(S2): 302-306.

ZHANG Ying-chun, WENG Ling, ZHANG Xiao-rui. Preparation of Silica Membrane by Sol-Gel Method and ItsPerformances[J]. Materials Review, 2017, 31(S2): 302-306.

[17] 余茂林, 鄧安仲, 羅盛, 等. 混凝土表面防護涂層材料的研究進展[J]. 混凝土與水泥制品, 2021(10): 29-34.

YU Mao-lin, DENG An-zhong, LUO Sheng, et al. Advances in Surface Protective Coating of Concrete[J]. China Concrete and Cement Products, 2021(10): 29-34.

[18] CHEN Guo-dong, ZHOU Shu-xue, GU Guang-xin, et al. Modification of Colloidal Silica on the Mechanical Pro-perties of Acrylic Based Polyurethane/Silica Composites [J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and En-gineering Aspects, 2007, 296(1/3): 29-36.

[19] 何巖, 郝博, 李國軍, 等. 溶劑型有機硅改性硅溶膠的合成與性能研究[J]. 有機硅材料, 2014, 28(3): 149-152.

HE Yan, HAO Bo, LI Guo-jun, et al. Synthesis and Pro-perties of Solvent Silicone-Modified Silica Sol[J]. Sili-cone Material, 2014, 28(3): 149-152.

[20] 彭樺, 夏志林, 薛亦渝, 等. 二甲基甲酰胺對多孔SiO2薄膜結構和光學性能的影響[J]. 激光與光電子學進展, 2011, 48(2): 023103.

PENG Hua, XIA Zhi-lin, XUE Yi-yu, et al. Effect of N, N-Dimethylformamide on Structure and Optical Properties of Porous Silica Film[J]. Laser & Optoelectronics Pro-gress, 2011, 48(2): 023103.

[21] JALILI M M, MORADIAN S, DASTMALCHIAN H, et al. Investigating the Variations in Properties of 2-Pack Polyurethane Clear Coat through Separate Incorporation of Hydrophilic and Hydrophobic Nano-Silica[J]. Progress in Organic Coatings, 2007, 59(1): 81-87.

[22] 楊光, 鄧安仲. 深藍色建筑節(jié)能涂層的制備及性能研究[J]. 紅外技術, 2017, 39(10): 966-971.

YANG Guang, DENG An-zhong. Preparation and Pro-perties of Dark Blue Building Energy Saving Coatings[J]. Infrared Technology, 2017, 39(10): 966-971.

[23] 陳亮. 摻雜Cr2O3顏料的制備及光譜性能研究[D]. 成都: 電子科技大學, 2015: 1-57.

CHEN Liang. The Prepared of Doped Chromium Oxide Pigments and the Research on Its Spectral Properties[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2015: 1-57.

[24] 楊光, 鄧安仲. 幾種綠色顏料對太陽光反射隔熱涂層性能的影響[J]. 表面技術, 2017, 46(9): 54-59.

YANG Guang, DENG An-zhong. Influence of Green Pig-ments on Properties of Solar Reflective Insulation Coa-tings[J]. Surface Technology, 2017, 46(9): 54-59.

[25] BOHREN C F, HUFFMAN D R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles[M]. Weinheim: John Wiley & Sons Inc, 2018: 64-69.

[26] LEVINSON R, BERDAHL P, AKBARI H. Solar Spectral Optical Properties of Pigments—Part I: Model for DerivingScattering and Absorption Coefficients from Transmittance and Reflectance Measurements[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2005, 89(4): 319-349.

[27] 馬鵬軍, 耿慶芬, 劉剛. 太陽能光譜選擇性吸收涂層研究進展[J]. 材料導報, 2015, 29(1): 48-53.

MA Peng-jun, GENG Qing-fen, LIU Gang. Recent Inve-stigations in Solar Spectrally Selective Coatings[J]. Ma-terials Review, 2015, 29(1): 48-53.

[28] 王文弟, 徐國躍, 譚淑娟, 等. 光譜選擇性散熱涂層的制備及性能研究[J]. 紅外技術, 2015, 37(12): 1063-1067.

WANG Wen-di, XU Guo-yue, TAN Shu-juan, et al. Pre-paration and Properties of Solar Spectral Optical Cool Coatings[J]. Infrared Technology, 2015, 37(12): 1063-1067.

[29] YAN Hu, WANG Yuan-hao, AN Zhen-guo, et al. The Super-Hydrophobic IR-Reflectivity TiO2Coated Hollow Glass Microspheres Synthesized by Soft-Chemistry Method [J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2016, 98: 172-176.

[30] 鄧安仲, 楊光. 冷顏料對建筑節(jié)能涂層性能影響研究[J]. 表面技術, 2017, 46(3): 189-194.

DENG An-zhong, YANG Guang. Influence of Cool Pig-ments on Properties of Building Energy-Saving Coatings [J]. Surface Technology, 2017, 46(3): 189-194.

[31] 余茂林, 孫皓, 羅盛, 等. 改性硅溶膠-苯丙乳液反射隔熱涂層的制備及性能[J]. 精細化工, 2021, 38(11): 2277- 2283.

YU Mao-lin, SUN Hao, LUO Sheng, et al. Preparation and Properties of Modified Silica Sol-Styrene-Acrylic Emulsion Reflective Insulation Coatings[J]. Fine Chemicals, 2021, 38(11): 2277-2283.

Preparation and Thermal Insulation Performance of Reflective Blue Thermal Insulation and Energy-Saving Coating

1,1,1,1,1,2

(1. Army Logistics University of PLA, Chongqing 401311, China; 2. The 84th Army Engineering Chemical Defense Brigade, Lhasa 850000, China)

The work aims to prepare a thermal insulation and energy-saving coating with excellent mechanical properties and decoration in view of the shortcomings of the widely used traditional thermal insulation building materials, such as difficulty in construction, too thick system and poor decorative safety. The silica sol was modified by KH560 and compounded with styrene matrix emulsion to prepare the base film forming material for thermal insulation and energy-saving coatings. Ultramarine blue and cobalt blue pigments of 5%, 10%, 15% and 20% were added respectively to prepare 8 kinds of thermal insulation and energy-saving coatings. The grafting modification effect, size distribution, micro morphology and thermal stability of silica sol were tested by Fourier transform infrared spectrometer, Malvin Zeta potentiometer, scanning electron microscope and thermogravimetric analyzer. The micro morphology, crystal properties and element composition of the two pigments were analyzed by scanning electron microscope, X-ray diffraction and electron probe microanalysis. The solar reflectance and near-infrared reflectance of two blue pigments and energy-saving coatings were measured by UV/VIS/NIR spectrophotometer. The thermal insulation performance of coated test panels was tested by infrared thermal imager. The comprehensive mechanical properties and micro morphology of the coating were characterized by a variety of coating mechanical test tools and scanning electron microscope. KH560 had good modification effect on inorganic silica sol, which could significantly reduce the agglomeration of silica sol and enhance the thermal stability of silica sol and its dispersion in organic emulsion. When the amount of ultramarine blue and cobalt blue pigments was 5%, the energy-saving and thermal insulation effect of the 2 coatings was the best. The solar reflectance and near infrared reflectance of 5% ultramarine blue coating were 0.462 and 0.533 respectively, and that of 5% cobalt blue coating was 0.311 and 0.522 respectively. The infrared thermogram showed that the back heat balance temperature of 5% ultramarine blue coating and 5% cobalt blue coating were 68.0 ℃ and 65.5 ℃ respectively, which were 4.9 ℃ and 7.4 ℃ lower than those of empty board. When 5% pigment was added, the 2 coatings had excellent mechanical properties. After soaking in salt solution for 30 days, the two coatings had no obvious micro and macro defects, which could meet the needs of practical use. The test of thermal insulation and reflection performance shows that the prepared reflective thermal insulation and energy-saving coating has excellent thermal insulation performance, good mechanical properties and corrosion resistance, which is in line with the development concept of green environmental protection.

silica sol; silane coupling agent; coating; thermal insulation and energy-saving; solar reflectance ratio

2021-03-29；

2021-09-02

YU Mao-lin (1996—), Male, Master, Research focus: building coating material.

鄧安仲（1974—），男，教授，博士，主要研究方向為軍事工程材料。

DENG An-zhong (1974—), Male, Doctor, Professor, Research focus: Military engineering materials.

通訊作者：羅盛（1983—），女，講師，主要研究方向為軍事工程材料及管理。

LUO Sheng (1983—), Female, Lecturer, Research focus: engaged in military engineering materials and management research.

余茂林, 孫皓, 楊雨浛, 等. 反射型藍色隔熱節(jié)能涂層的制備及隔熱性能[J]. 表面技術, 2022, 51(3): 217-225.

TQ637.6

A

1001-3660(2022)03-0217-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.023

2021-03-29；

2021-09-02

國家自然科學基金（11702324）；重慶市教委科研基金（CYS19374）；重慶市自然科學基金（CSTC2018JCYJAX0306）

Fund：Suported by the National Natural Science Foundation of China (11702324); Scientific and Technological Research Program of Chongqing Municipal Education Commission (CYS19374) ; National Natural Science Foundation of Chongqing (CSTC2018JCYJAX0306)

余茂林（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向為土木工程材料。

YU Mao-lin, SUN Hao, YANG Yu-han, et al. Preparation and Thermal Insulation Performance of Reflective Blue Thermal Insulation and Energy-Saving Coating[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 217-225.