隔熱涂料的制備與性能研究

張雪梅， 秦 磊， 汪徐春， 趙蕩蕩, 徐鑫強

(安徽科技學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

隨著人們對生活環(huán)境要求的提高,控制和降低溫室效應(yīng)的影響成為人們關(guān)注的重點[1-2]。為了降低室內(nèi)外溫差,科學(xué)家研制各種熱反射隔熱涂料,熱反射涂料正在向高效節(jié)能、環(huán)保經(jīng)濟、多彩化方向發(fā)展[3-5]。由于空心玻璃微珠的粒徑較小[6],導(dǎo)熱系數(shù)較低[7],填充后可以大大減輕產(chǎn)品的基重[8],使得空心玻璃微珠成為制備隔熱涂料的重要填料組成,但制備的熱反射涂料耐沾污性差[8]。為了改善加入空心微珠后涂料的性質(zhì),先測定加入不同含量空心微珠涂膜的耐沾污性能,并利用微(納)米級白炭黑替代一定量金紅石型鈦白粉,以達到較好地提高其耐沾污性及隔熱效果。

1 材料與方法

1.1 試驗試劑

金紅石型鈦白粉(TP,上海浦山化工有限公司);氣相法白炭黑(TP,蚌埠市萬科硅材料有限公司);重質(zhì)碳酸鈣(TP,上海緣江化工有限公司);空心玻璃微珠(TP,浙江海岳新材料股份有限公司);羥乙基纖維素(CP,國藥集團化學(xué)試劑有限公司);乙二醇(CP,天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠);1,2-丙二醇(CP,天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所);六偏磷酸鈉(CP,上海凱爾生物科技有限公司);色素(TP,深圳百盛實業(yè)有限公司);磷酸三丁脂(CP,天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠);苯丙乳液(TP,蚌埠好思家涂料有限責(zé)任公司);氨水(CP,上海中試化工總公司);香皂(納愛斯集團有限公司);氫氧化鈣(國藥集團化學(xué)試劑有限公司);蒸餾水(自制)。

1.2 試驗儀器

EVO-18掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司公司);JJ-1電動攪拌器(江蘇省金壇市金城國勝實驗儀器廠);AG 135分析天平(METTLER TOLEDO);C84-Ⅲ反射率測定儀(天津市中亞材料實驗機廠);QWX-涂層耐沾污試驗機(欣靈電器股份有限公司);QFS-耐洗刷測定儀(欣靈電器股份有限公司);KGZ-1A型便攜式光澤度儀(天津市中亞材料實驗機廠);隔熱溫差測試裝置(自制)。

1.3 樣品制備

1.3.1 涂料的制備 準(zhǔn)確量取一定量蒸餾水置于燒杯中,低速攪拌下加入少量羥乙基纖維素,直至粉末完全溶解,加入少量氨水及六偏磷酸鈉,再緩慢加入少許1,2-丙二醇、乙二醇及磷酸三丁酯使溶液逐漸黏稠,再將不同比例的滑石粉、重鈣、金紅石型鈦白粉、白炭黑混合均勻,勻速加入到燒杯中高速攪拌30 min,降低轉(zhuǎn)速加入一定比例的空心玻璃微珠至混合均勻,加入適量的苯丙乳液,最后加入一定量的水性色素,如有氣泡再加入適量的磷酸三丁酯,攪拌至均勻,即得彩色反射隔熱涂料[8-10]。

1.3.2 涂膜樣品的制備 涂料制備完成后涂覆于水泥板上,涂板在溫度(23±2) ℃,濕度50%±5%的環(huán)境下干燥后檢測其性能。

1.3.3 性能測定 按照GB/T 9780-2013測試涂膜的耐沾污性能;參考GB/T 6739-2006對涂膜硬度進行測試;參考GB/T 9266-2009用QFS耐洗刷測定儀記錄耐洗刷次數(shù);按照GB/T 1733-1993進行涂膜耐水性測試;參考GB/T 9265-2009對涂膜進行耐堿性測試,試驗檢測使用的堿溶液為飽和Ca(OH)2,溶液pH值為13;利用顯微熔點測定儀表征涂膜的隔熱效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 玻璃微珠對涂料性能的影響

為了改善反射隔熱涂料的耐沾污性能,通過添加不同量的玻璃微珠考察涂板的隔熱效果及耐沾污性。

2.1.1 耐沾污性能測定 反射率下降率可衡量涂膜的耐沾污性能,將晾干后的涂板用C 84-Ⅲ反射率測定儀測量涂膜污染前的RB值、RW值,反射率R=(RB/RW)×100%,按照GB/T 9780-2005標(biāo)準(zhǔn)對各涂膜進行污染,用QWX涂層耐沾污試驗機沖洗樣板,干燥后測涂板的RB值、RW值,測得的結(jié)果如表1所示。

表1 反射率下降與空心玻璃微珠含量的關(guān)系

從表1可以得知,當(dāng)玻璃微珠添加量從5%提高到8%時,涂膜的耐沾污性能上升,當(dāng)玻璃微珠添加量超過10%的時候涂膜的耐沾污性能下降。這是因為空心玻璃微珠的粒徑多在40～60 μm,添加量超過一定比例后會使漆膜表面不平整,降低涂膜的耐沾污性能[4]。

2.1.2 涂膜隔熱效果測定 試驗利用顯微熔點測定儀和紅外燈測定隔熱保溫箱內(nèi)溫度的變化,試驗裝置示意圖如圖1所示。在試驗過程中,測試在同一厚度的介質(zhì)中,經(jīng)過30 min紅外燈照射未覆蓋涂膜的組隔熱箱內(nèi)溫度為72.3 ℃,然后測試覆蓋涂膜的隔熱箱內(nèi)溫度,測試結(jié)果見表2。

圖1 試驗裝置模型圖

表2 涂膜隔熱效果性能測試結(jié)果

通過表2可以看出涂膜的隔熱效果(溫差)隨著空心微珠含量的增加而增加。這是因為空心玻璃微珠特有中空結(jié)構(gòu),導(dǎo)熱系數(shù)較低,若熱量通過微珠表面的玻璃進行傳導(dǎo)時,傳導(dǎo)熱量的路徑明顯加長,這樣玻璃微珠殼體及中空傳熱能力都較弱,在涂料制備時自然形成一層致密的隔熱膜,有效地阻隔熱量傳導(dǎo)。但是當(dāng)微珠摻量超過某一數(shù)值后,涂料的成膜基料難以包覆玻璃微珠,成膜能力降低,使得樣品的流變性降低,表面呈現(xiàn)出凹凸不平,其光滑度受到影響, 涂刷施工性能差, 涂料的光反射率和隔熱效果增加意義不明顯[11]。

由以上2組數(shù)據(jù)可選定空心玻璃微珠含量為8%,在此含量下涂膜的耐沾污性能較為優(yōu)良,能夠最大程度地提高熱反射涂料耐沾污性能。涂料的基本配方見表3。

表3 涂料配方

2.2 白炭黑的添加量對涂膜的影響

為了提高涂料的耐沾污性能,本試驗在選定空心玻璃微珠含量為8%的前提下進一步探討白炭黑的添加量對空心玻璃微珠隔熱涂料的耐沾污性、隔熱效果、硬度、耐洗刷性、耐水性和耐堿性的影響。

2.2.1 涂膜耐沾污性能 試驗用沾污前后反射系數(shù)的下降率來表征涂膜的耐沾污性能,試驗測試結(jié)果如表4所示。

表4 反射率下降率與白炭黑用量的關(guān)系

通過表4可以看出,當(dāng)白炭黑含量為1%～4%時，涂膜反射率下降比較明顯,白炭黑含量在5%～7%時，涂膜反射率逐漸回升,就說明涂膜的耐沾污性先升高后降低,造成涂膜耐沾污性能變化的原因可能是微(納)米級白炭黑具有特殊的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與高表面自由能(如圖2白炭黑的掃描電鏡),在涂膜干燥過程中可以迅速到水?dāng)U散后留下的細(xì)孔中,改善涂膜的平整度,減少了涂膜表面孔隙,提高涂膜的耐沾污性;但當(dāng)白炭黑用量大于5.0%時,填料的比例過高,導(dǎo)致涂膜產(chǎn)生開裂現(xiàn)象,也會降低涂膜的耐沾污性能[8-10]。添加少量的白炭黑可以改善涂膜的觸變性和穩(wěn)定性,從而增強其耐沾污性。但隨著白炭黑的含量升高,乳液中的微(納)米粒子發(fā)生團聚,從而失去了應(yīng)有的作用[11-18]。

圖2 白炭黑的掃描電鏡圖

2.2.2 涂膜的隔熱效果 使用自制裝置測定保溫箱溫度的變化,試驗測得結(jié)果如表5所示。由表5可以看出,當(dāng)微(納)米級白炭黑的添加量在1%到4%時,隔熱效果增強;當(dāng)添加量超過4%后,涂膜的隔熱效果顯著下降。這是因為微(納)米級白炭黑由直徑為2～5 nm的球狀納米顆粒相互鏈接,堆積為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其空隙尺寸小于50 nm,可有效的限制熱對流,其熱導(dǎo)率≤0.012 W/(K·m),低于靜止空氣的熱導(dǎo)率[0.026 W/(K·m)][12],將其加入乳液中可以迅速形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),增加涂膜表面的光潔度,又因為微(納)米SiO2有很強的紅外線反射和紫外線吸收的特性,所以具有一定的隔熱效果[13-14]。

表5 隔熱性能與白炭黑用量的關(guān)系

2.2.3 涂膜硬度 微(納)米白炭黑的用量和涂膜硬度之間的關(guān)系如表6所示。由表6可以看出,當(dāng)微(納)米級白炭黑的含量從1%到4%時,涂膜硬度由3B提高到2H,這是因為微(納)米級白炭黑會以填料的形式填充到涂層的網(wǎng)絡(luò)中,使涂層更緊密,提高涂膜的硬度。但當(dāng)其用量超過5%時,白炭黑的微(納)米結(jié)構(gòu)過細(xì),過多的白炭黑反而會破壞涂膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而降低了涂膜的硬度[9]。

表6 白炭黑用量與涂膜鉛筆硬度的關(guān)系

2.2.4 涂膜耐洗刷性、耐水性及耐堿性 為了進一步研究微(納)米白炭黑對空心玻璃微珠隔熱涂膜綜合性能的影響,對此涂膜耐洗刷性、耐水性和耐堿性進行了綜合測定,測試結(jié)果如表7所示。

表7 涂膜耐洗刷性、耐水性及耐堿性檢測結(jié)果

從表7可以看出,當(dāng)白炭黑添加量為3%～6%時,涂膜的耐洗刷次數(shù)達到6 400次,耐水性120 h無明顯異常,耐堿性達到了80 h。隨著白炭黑用量的增加,涂膜的性能開始下降。原因可能是由于微(納)米白炭黑獨特的內(nèi)在小分子鏈(不飽和殘鍵羥基等)在涂料的干燥過程中迅速擴散到水揮發(fā)后留下的細(xì)孔中[12-13],形成骨架結(jié)構(gòu),改善涂膜表面的平整度,提高了涂料的耐洗刷性,且耐水性、耐堿性也隨之提高,當(dāng)白炭黑的添加量大于7%時,涂膜的性能下降。

3 結(jié)論

空心玻璃微珠的含量在8%時,涂膜的反射系數(shù)下降率為7.5%。玻璃微珠能有效的提高涂膜的隔熱效果(溫差),過量會導(dǎo)致涂膜開裂報廢。白炭黑的添加不僅能夠降低涂料的制備成本,而且能夠有效增強涂膜的各項性質(zhì)。當(dāng)白炭黑添加量在2%～5%時,涂膜的耐洗刷次數(shù)從2 550次提高到6 400次，耐水性從86 h提高到120 h，耐堿性從60 h提高到80 h，涂膜的反射系數(shù)降低率從7.5%降到2.4%，硬度從4B提高到2H。