瀝青路面不飽和聚酯降溫涂料的研制

李文珍，李 亮，石 飛，魏河廣，鐘志明

(1.重慶交通大學(xué)，重慶400074;2.中交一航局 一公司第七項目部，天津300456;3.重慶渝通公路工程總公司，重慶400060)

太陽熱反射涂層是指涂覆于物體表面的節(jié)能型涂層材料，它可對太陽輻射中的可見光波段(0.4～0.76 μm)和近紅外波段(0.76 ～2.5 μm)具有高反射，并將吸收的熱能以長波(2.5～15 μm)的形式輻射到外圍空間，從而抑制涂層表面溫度的上升以及降低涂覆物內(nèi)部和周圍溫度［1］。在技術(shù)較為領(lǐng)先的美國、日本等，將太陽熱反射涂料用在甲板和汽車外殼上［2］，特別是在美國已成功地應(yīng)用在航天工業(yè)和國防軍事上［3］。在國內(nèi)也有這方面的綜述和相近領(lǐng)域的研究報道，天津大學(xué)康翠榮［4］等自制了一種降低儲存罐內(nèi)裝液體的溫度的熱反射涂料;青島海洋化工研究院戰(zhàn)為民［5］等主要針對深灰色甲板的太陽熱反射涂料進行研究。

目前，國內(nèi)外的熱反射涂料主要是用于建筑、儲油罐的隔熱，以及飛行器甲板的降溫等方面［6］，但應(yīng)用于瀝青路面溫度場控制方面的相關(guān)研究甚少。在我國，已建成的公路中約有75%為瀝青路面。雖然瀝青路面具有平整度高、舒適性好等優(yōu)點，但瀝青的太陽吸收率很高，達到 0.85 ～0.95［1］。夏季炎熱時，我國大部分地區(qū)氣溫往往超過35℃甚至40℃以上，此時瀝青路面的溫度可以達到60～65℃，高溫的瀝青路面會導(dǎo)致路面產(chǎn)生一系列熱穩(wěn)性病害。因此，研制一種可用于瀝青路面的熱反射涂料，可以有效地降低瀝青路面的溫度，減少路面病害。

1 試驗

1.1 原材料

自制改性不飽和聚酯;二氧化鈦(TiO2)，市售;二氧化硅(SiO2)，市售;MEKPO、環(huán)烷酸鈷，深圳長輝化工有限公司;過氧化苯甲酰(BPO)、N，N－二甲基苯胺(DMA)、N，N－二甲基對甲苯胺(DMT)，成都科龍化工有限公司;鐵紅、鐵綠，新鄉(xiāng)鵬呈化工有限責任公司;炭黑，青島德固賽化學(xué)有限公司;黑色素，科勒顏料有限公司。

1.2 試驗儀器

采用自制熱反射率測定裝置如圖1。

圖1 熱反射涂層溫度測試儀Fig.1 Temperature test equipment of solar－reflect coatings

1.3 涂料的制備工藝

將一定量的顏填料，加入相應(yīng)質(zhì)量的改性樹脂中，再加入適量的消泡劑、流平劑等助劑，在低速攪拌器下攪拌適當?shù)臅r間，將顏填料與樹脂充分混合均勻而得。

1.4 試驗方法

凝膠時間:平板小刀法測試，并記錄樹脂開始抽絲和抽絲拉斷的時間，抽絲拉斷的時間即為樹脂凝膠時間;

耐磨性:GB1768《漆膜耐磨性測定法》，計算試驗后樣品減少的重量;

黏度:GB/T1723《涂料黏度測定法》，采用便攜式涂－4杯黏度計測試;

耐水性:GB/T1733，觀察樣板表面狀況;

耐汽油性:GB/T1734，觀察樣板表面狀況;

耐候性:參照GB/T16422.1的人工加速耐候性試驗，將樣板置于自制環(huán)境箱中，開啟碘鎢燈照射樣板600h。觀察照射前后樣板表面狀況。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料組成及用量對涂料性能影響

2.1.1 固化體系對涂料樹脂凝膠時間的影響

采用3種不同固化體系:BPO/DMT、BPO/DMA和MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系，通過研究促進劑用量對自制樹脂凝膠時間的影響來選擇合適的固化體系。在10℃溫度下，取10 g樹脂。BPO/DMT和BPO/DMA體系中，采用BPO用量為樹脂質(zhì)量的2%;MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系中，MEKPO用量為樹脂質(zhì)量的3%。促進劑用量與凝膠時間關(guān)系如圖2。

圖2 不同固化體系對UPR凝膠時間的影響Fig.2 Impact of different curing systems on UPR gelation time

由圖2可以看到，不同體系的凝膠時間差別較大。對于BPO/DMT體系，隨DMT用量增加，凝膠時間縮短，但該體系固化速度過快，凝膠時間過短，不易于路面施工;對于BPO/DMA體系，隨著DMA用量的增加，聚酯凝膠時間減少，凝膠時間為25 min左右，凝膠時間適當，但該體系固化后固化物表面發(fā)黏，這是由于聚酯固化接觸空氣時，引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基會積極地先與空氣中的氧反應(yīng)，而不是繼續(xù)與聚酯發(fā)生共聚反應(yīng);對于MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系凝膠時間在60 min左右，固化后固化物表面狀況良好，適用于路面施工。

2.1.2 填料用量對涂料性能的影響

功能性填料是熱反射涂料實現(xiàn)降溫的關(guān)鍵材料。通過資料的收集和初步試驗，將填料的含量確定在7% ～25%(即 7%，10%，13%，16%，19%，22%，25%)，通過熱反射涂層溫度的測定、遮蓋力的觀察，確定涂料中填料的最佳含量。初選TiO2和SiO2比例為2∶1，研究填料用量對涂料的降溫性能的影響。將涂有不同含量填料的涂料樣板分別與黑體放置于環(huán)境測試箱中，測定光源照射30 min后的平衡溫度，計算得到溫差如圖3。

圖3 不同填料用量下涂料樣板溫差Fig.3 Difference in temperature of coating samples with different amount of fillers

從圖3可以看到，當填料含量低于10%時，降溫效果明顯，在7%為10.6℃，10%為14℃，但此時涂料涂刷后遮蓋力不夠、外觀不均勻現(xiàn)象明顯;當填料含量在13% ～22%時，降溫效果十分明顯，并隨著填料用量的增加，降溫效果趨于平緩，與黑體相比溫度降低了16℃，涂層遮蓋力較好，結(jié)合經(jīng)濟性分析，建議填料含量為13% ～15%;當填料含量在25%時，降溫效果最明顯，但此時涂料本身稠度過大，攪拌困難，不利于涂刷。

2.1.3 不同TiO2/SiO2比對涂料性能影響

由圖3初步確定填料用量為14%。其中，SiO2對涂料的耐磨性有重要影響;TiO2對涂料的反射性能及遮蓋力起決定作用。因此選擇4種不同TiO2/SiO2比，以研究其對涂料性能的影響。

從表1中可以看到，耐磨試驗后質(zhì)量損失都很小，表明涂料具有高耐磨性;隨著TiO2/SiO2比的增加，降溫值增加，耐磨試驗重量損失略有降低。這是因為TiO2含量的增加提供了更高的熱反射性，而SiO2含量的增加則提供了更強的耐磨性，因此TiO2/SiO2比為10/4時既可以實現(xiàn)較好的降溫，同時耐磨性又極佳。

表1 TiO2/SiO2比對涂料性能影響Tab.1 Impact of TiO2/SiO2ratio on the performance of coatings

2.1.4 灰色顏料對降溫性能的影響

有研究指出，在大氣質(zhì)量為1時、太陽輻射為945W/m的情況下，灰色熱反射涂層的表面溫度可比同等其他顏色涂層降溫性能優(yōu)異。因此，采用炭黑(0.5%)+鈦白粉(10%)、黑色素(0.5%)+鈦白粉(10%)、鐵紅(0.5%)+ 鐵綠(0.8%)3 種配色方法配制灰色涂料，并將涂覆這3種灰色涂料的樣板分別與黑體放置于環(huán)境測試箱中，測定光源照射30 min后的平衡溫度，計算得到溫差如圖4。

圖4 不同灰色顏料降溫效果Fig.4 Temperature reduction effect of different kinds of gray coatings

從圖4可以看出，在涂料中加入不同方法配制的灰色顏料，與黑體溫度相比，降溫程度明顯不同。采用炭黑+鈦白粉配置的灰色顏料吸熱性極強，溫差僅為1.8℃;黑色素+鈦白粉的溫差達到近8℃;鐵紅+鐵綠溫差達到16.6℃，降溫效果最好。因此，灰色降溫涂料不能采用黑加白配制。

2.2 熱反射涂料性能參數(shù)測試

路面熱反射涂料作為一種新型涂料，無相應(yīng)的測試標準，因此研究中參照JT/T 280—2004《道路標線涂料標準》和 HG/T 3829—2006《地坪涂料標準》，同時結(jié)合熱反射涂料在路面中實際的使用情況，以配制的灰色涂料為研究對象，其性能參數(shù)如表2。

表2 路面熱反射涂料性能測試結(jié)果Tab.2 Testing results of highway thermal reflective coatings performance

表2表明，制備的熱反射涂料不僅可有效降低物體表面溫度，而且具有良好的耐磨性、耐水性、耐汽油性、柔韌性以及耐候性，其性能滿足實際的路面需求。

2.3 熱反射涂料降溫效果評價

成型2塊相同的30 cm×30 cm×5 cm的SMA－13車轍試件，其中一塊表面保持原狀，另一塊表面涂布一層0.8 kg/m2的路用熱反射涂料。將試件暴露于太陽光下，測試點為試件中部2.5 cm深處，測試時間為2010－05－24 T 10:00—2010－05－25 T 10:00，5月24日最高氣溫為34℃(圖5)。從圖5中可以看到，無涂布涂料的SMA瀝青混凝土試件2.5 cm深處當日最高溫度為58℃，而涂布熱反射涂料的試件最高溫度僅為48℃，即采用該涂料可降低試件溫度近10℃，這一結(jié)果表明熱反射涂料可以很好地降低路面溫度，減少路面病害。

圖5 不同表面狀況SMA－13試件2.5 cm處溫度Fig.5 Temperature of the testing points(middle of the specimen 2.5 cm depth)of SMA-13 sample with different surface condition

3 結(jié)論

1)采用MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系作為涂料的固化體系，固化后固化物表面狀況良好，固化時間適用于路面施工;

2)隨填料用量增加涂料的降溫效果先增加后趨于平緩，過高的填料使涂料黏度過大，影響施工，建議填料含量為13%～15%;

3)填料中隨著TiO2/SiO2比降低，涂料降溫效果減弱，耐磨性增強;

4)采用紅色(0.5%)和綠色(0.8%)配置的灰色顏料對涂料降溫效果最好;

5)涂料具有良好的耐水性、耐油性、柔韌性、耐磨性和抗滑性，在夏季高溫季節(jié)可降低路面溫度近10℃。

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