水性隔熱涂料制備及性能研究

馮 娟,黃 超,秦少雄,蘇高申 (長江大學化學與環境工程學院,湖北荊州434023)

水性涂料因其無毒、環保、經濟等優勢逐漸引起人們的關注。隨著對建筑節能要求的不斷提高,水性涂料的隔熱功能化成為現今涂料研究的熱點[1～4]。目前研究的隔熱涂料主要有3種類型:阻隔型隔熱涂料、反射型隔熱涂料和輻射型隔熱涂料[5]。國內外關于隔熱涂料的報道較多,但大多數只是停留在理論層面,實際應用還有待進一步推廣。關于阻隔型隔熱涂料的研究應用較少,存在的主要問題是隔熱效果不好。重要原因是涂料的膜結構設計不合理,導致其熱阻隔性較差。由于水性涂料含有相當比重的固體無機礦物質填料,填料在涂料中均勻分散,相互搭接形成無數熱橋,不利于隔熱。下面筆者通過將球形的中空玻璃微珠和不規則形狀的膨脹蛭石進行級配,對隔熱涂料涂層的結構進行控制,考察了涂層結構變化對涂料隔熱保溫性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及設備

1)材料 苯丙改性乳液(北京東方亞科力化工科技有限公司);中空玻璃微珠HGB(Hollow glass bead,中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司)、膨脹蛭石EV(expanded vermiculite,上海匯精亞納米新材料有限公司)、涂料助劑 (北京東方亞科力化工科技有限公司)、輕鈣、滑石粉和煅燒高嶺土等 (市售)。

2)設備 高速分散用攪拌裝置FJ-200型(上海普申化工機械有限公司)、隔熱性能檢測裝置(自制)。

1.2 隔熱效果測試裝置及測試方法設計

筆者自制了一套隔熱性能檢測裝置,如圖1所示。測試方法如下:裝置放放置在室溫25℃環境中,裝置用3cm厚泡沫板密封保溫,選用500W碘鎢燈模擬熱源,試板基材選用導熱良好的0.25mm厚鋁板。將涂料涂在鋁板的一側,背對熱源測試,涂膜厚度為0.1mm。試板左側溫度用T1表示,右側溫度用 T2表示,試板兩側溫差ΔT=T2-T1。以溫差ΔT對測試時間t作圖,對比不同組分隔熱涂料的隔熱效果,隔熱涂料的隔熱效果用 Tmax來表征:

圖1 自制隔熱檢測裝置

式中,ΔT隔熱為隔熱涂料試板2側溫差,℃;ΔT普通為普通乳膠涂料試板2側溫差,℃。

1.3 隔熱涂料制備

將分散劑加入水中,高速攪拌下加入填料,分散30min,然后加入膠乳和成膜助劑等添加劑,中速攪拌下加入增稠劑增稠,中空隔熱填料在增稠前緩慢加入,即得涂料試樣。

2 結果與討論

筆者選用膨脹蛭石 (EV)、中空玻璃微珠 (HGB)及兩者復配作為隔熱功能填料,制備出了不同組分的隔熱涂料,并用自制的測試裝置及測試方法對其隔熱效果進行了表征,結果及討論如下。

2.1 膨脹蛭石對涂料隔熱性能的影響

膨脹蛭石具有密度小、疏松多孔等特點[6],將其添加到涂料中,以期產生一定的隔熱效果。固定填料總含量為20%,分別用質量分數20%、15%、10%、5%的膨脹蛭石取代等量的輕鈣、滑石粉和煅燒高嶺土等體質填料,制備不同膨脹蛭石含量的涂料。將涂料涂覆在鋁板,檢測其隔熱性能,繪制ΔT-t曲線,結果如圖2所示。從圖2可以看出,隔熱效果排序A1＞A2＞A3＞A4＞A0,即少量膨脹蛭石就可以起到較好的隔熱效果。隨著膨脹蛭石含量的增加,隔熱效果逐漸降低。膨脹蛭石含量為5%時,Tmax可達到3.4℃。

膨脹蛭石疏松多空,形態結構比較復雜,大部分呈片層結構,片層內部孔隙保留了氣體,能夠起到一定的隔熱效果。同時其隔熱效果與膨脹蛭石在涂膜中的排列結構有很大關系。5%含量膨脹蛭石能夠均勻分散在涂料當中,涂膜干燥后,且由于膨脹蛭石含量較少,顆粒與顆粒之間不容易聚集,也不會橋接,形成熱橋數目就少,所以5%含量膨脹蛭石涂料隔熱效果好。隨著膨脹蛭石含量的增加,其隔熱效果出現下降。可能原因是膨脹蛭石含量增加,膨脹蛭石在涂膜中會出現局部收縮堆積現象,膨脹蛭石與膨脹蛭石之間也會出現橋接,形成許多熱橋,熱橋數目隨膨脹蛭石含量增加而增加。故涂料隔熱效果隨膨脹蛭石含量增加而下降。

2.2 中空玻璃微珠對涂料隔熱性能的影響

中空玻璃微珠具有質輕、絕熱、隔音、熱穩定性好、耐腐蝕、特殊的力學性能等優點[7]。將它添加到普通涂料當中,不僅具有對熱的阻隔作用還可以反射來自外部的能量。由于中空玻璃微珠為密閉球體,其內部為類真空結構,在涂層中會形成很多微觀的獨立絕熱腔體,能阻止熱量的傳遞,使涂料的導熱系數大大降低。確定填料總含量為20%,分別用質量分數為5%、10%、15%、20%的中空玻璃微珠取代等質量的體質填料,制備不同含量的隔熱涂料。將涂料涂覆在試板上,檢測其隔熱性能,繪制其ΔT-t曲線,結果如圖3所示。從圖3可以看出,隔熱效果排序B2＞B4＞B3＞B1＞B0。5%含量中空玻璃微珠幾乎無隔熱效果,其 Tmax只有0.5℃;10%含量中空玻璃微珠隔熱效果最好,Tmax可達5.2℃;15%含量中空玻璃微珠隔熱效果較差,Tmax為1.4℃;20%含量中空玻璃微珠隔熱效果較好,Tmax為3.2℃。

圖2 膨脹蛭石對涂料隔熱性能的影響

圖3 中空玻璃微珠對涂料隔熱性能的影響

當中空玻璃微珠含量為5%時,中空玻璃微珠含量較少,中空玻璃微珠在涂膜內排列稀疏,體質填料含量較高,相互橋接形成傳熱通道致使涂料的隔熱效果不明顯。當中空玻璃微珠含量增加到10%時,中空玻璃微珠在涂膜中排列較密集,分散均勻,此時熱阻隔效果明顯增加。試驗中發現,中空玻璃微珠含量超過10%時,由于中空玻璃微珠質輕,在涂料涂覆前稀釋時上浮且容易粘附在涂覆工具上,造成涂層中中空玻璃微珠的實際含量較少,涂層的隔熱測試結果就不理想,即產生了B2＞B4＞B3的結果。

2.3 中空玻璃微珠和膨脹蛭石復配后對涂料隔熱性能的影響

綜合膨脹蛭石和中空玻璃微珠的隔熱性能,將兩者同時加入到涂料當中,完全取代普通體質填料,探討兩者同時存在時對涂料隔熱性能的影響。固定填料總含量為20%,分別制備不同配比的中空玻璃微珠和膨脹蛭石的涂料試樣。研究其對涂料涂膜結構及隔熱性能影響。將涂料涂抹在鋁板上,檢測其隔熱性能,繪制ΔT-t曲線,結果如圖4所示。從圖4可以看出,隔熱效果排序C3＞C2＞C4＞C1＞C5＞C0。復配后的隔熱涂料隔熱效果比單獨添加功能填料隔熱效果要好。C3隔熱效果最好,其Tmax可達到7.2℃;其次是C2,其Tmax可達5.2℃。C4的Tmax為3.9℃。

圖4 中空玻璃微珠和膨脹蛭石對涂料隔熱性能的影響

涂料含10%中空玻璃微珠和10%膨脹蛭石時,中空玻璃微珠在涂料中均勻分散,起主要隔熱功能,膨脹蛭石起次要隔熱功能,復配后光和熱在涂料中的傳遞變得更加復雜。試驗發現,中空玻璃微珠含量超過10%時,由于玻璃微珠上浮和在涂覆工具上的粘附會造成試板制樣困難,中空玻璃微珠會出現局部堆積,涂料隔熱效果下降,但此時由于膨脹蛭石的存在,涂料仍有較好的隔熱效果。

3 結 論

1)少量膨脹蛭石就可以起到較大的隔熱效果,增大膨脹蛭石含量,隔熱效果出現下降。膨脹蛭石添加量為5%時,Tmax可達3.4℃。

2)中空玻璃微珠能夠起到很好隔熱效果,含量為10%時,Tmax可達5.2℃,繼續增加中空玻璃微珠含量會造成涂覆困難且影響涂料隔熱效果。

3)將中空玻璃微珠和膨脹蛭石復配作為涂料的隔熱功能填料能夠起到很好的隔熱效果,比單獨使用效果要好。當涂料中膨脹蛭石和中空玻璃微珠含量均為10%時,隔熱效果最好,Tmax可達7.2℃。

[1]王瑾璐,蔡會武.薄層隔熱涂料的制備及其性能研究[J].涂料工業,2009(4):5-7.

[2]吳邦俊,陳明鳳.阻隔型外墻隔熱涂料的研制及性能研究 [J].重慶建筑,2010(5):24-25.

[3]劉杰,李翔.水性太陽熱反射隔熱涂料的研究 [J].北京化工大學學報 (自然科學版),2009(1):44-49.

[4]邢俊,林慶.新型隔熱保溫涂料的研制 [J].中國涂料,2010(5):40-42.

[5]靳濤,劉立強.外墻用隔熱涂料的應用現狀與發展 [J].新型建筑材料,2008(6):87-89.

[6]劉福生,彭同江.膨脹蛭石的利用及其新進展 [J].非金屬礦,2001,7(4):6-7.

[7]靳濤,劉立強.玻璃微珠在涂料中的隔熱性能研究 [J].涂料工業,2008(9):15-17.