熱反射隔熱防腐蝕涂料的研制

倪余偉，董建民，張 松

(中國(guó)人民解放軍92117 部隊(duì)，北京 100072)

地面金屬油罐受到強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射，會(huì)引起罐壁溫度的大幅升高，高于油沸點(diǎn)時(shí)形成油氣，油氣的累積導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部壓力急劇上升，不但造成油品損耗，還存在著較大的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。本文研制了一種能用于地面金屬油罐及各種金屬表面的太陽(yáng)熱反射隔熱防腐蝕涂料，它能有效地反射、阻隔、輻射太陽(yáng)光的能量，使其在不消耗能量的情況下，能有效地降低夏季暴露在太陽(yáng)光下的物體的表面溫度，從而在源頭上阻止熱的傳導(dǎo)，不但減少輕質(zhì)油產(chǎn)品的呼吸損耗，同時(shí)免去水噴淋的效能，達(dá)到節(jié)省能源、降低消耗、提高安全的目的。該涂料在配方設(shè)計(jì)時(shí)，還兼顧了防腐蝕性能，以滿足地面金屬油罐戶外長(zhǎng)期經(jīng)受自然環(huán)境侵蝕的要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

羥基丙烯酸樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂;流平劑、分散劑、消泡劑、縮二脲;硅烷偶聯(lián)劑、空心玻璃微珠、納米紅外粉料、鈦白粉、玻璃鱗片、氧化鐵紅。

1.2 底漆的研制

1.2.1 成膜物質(zhì)的選擇

環(huán)氧樹(shù)脂涂料是目前防腐蝕涂料的主要品種，防腐蝕性能優(yōu)異。環(huán)氧樹(shù)脂因分子結(jié)構(gòu)中含有強(qiáng)極性的羥基和難水解的醚鍵，故使涂層對(duì)基體附著牢固且耐腐蝕，又因分子鏈中兼有剛性的芳環(huán)又有柔性的烴鏈，故使涂層強(qiáng)韌而耐磨。國(guó)產(chǎn)環(huán)氧樹(shù)脂的牌號(hào)眾多，本文選擇分子量和環(huán)氧值居中的E-20 作為主要成膜物質(zhì)。

1.2.2 防銹顏料的選擇

本文按物理作用型防銹底漆的配方原理設(shè)計(jì)底漆。物理作用防銹顏料主要有氧化鐵紅、云母氧化鐵、鋁粉及玻璃鱗片等，這些顏料均是不易被腐蝕介質(zhì)分解破壞的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的惰性顏料，顏料微粒具有良好的填充作用，使涂層的結(jié)構(gòu)十分致密。其中，玻璃鱗片因呈鱗片狀態(tài)，在漆膜中能發(fā)揮良好的抗?jié)B作用，適于在海洋氣候區(qū)和濕熱帶地區(qū)使用，用于戶外金屬設(shè)備、橋梁等鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)。但是，玻璃鱗片質(zhì)輕、脆性大，與有機(jī)高分子樹(shù)脂的相容性較差，因此，選擇玻璃鱗片作為主要防銹顏料，適量加入氧化鐵紅以提高涂料的固體含量和涂膜的物理機(jī)械性能。

1.2.3 隔熱填料的選擇

用于熱反射隔熱涂料的填料應(yīng)具備低導(dǎo)熱系數(shù)特性。根據(jù)研究可知，滿足要求的填料主要為高填充結(jié)構(gòu)材料，如空心微珠、軟木粉等。目前，使用最多的是空心玻璃微珠或中空陶瓷微珠。在相同配方下，采用不同的功能性填料，測(cè)定涂膜的反射比和穩(wěn)定性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)空心微珠對(duì)近紅外光的反射比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通填料，玻璃微珠與陶瓷微珠的反射比接近，陶瓷微珠略高于玻璃微珠，但其儲(chǔ)存穩(wěn)定性差［1］。所以，本文選擇空心玻璃微珠為主要隔熱填料。經(jīng)試驗(yàn)確定，隔熱涂料底漆采用了三種不同粒徑分布的微珠進(jìn)行復(fù)配，微珠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。

1.3 面漆的研制

1.3.1 樹(shù)脂的選擇

樹(shù)脂是涂料中必不可少的組份，對(duì)于功能填料來(lái)說(shuō)，樹(shù)脂則是一個(gè)重要的載體，它起著將功能填料與基材連結(jié)起來(lái)的作用。可選擇透明度高，對(duì)可見(jiàn)光和近紅外吸收小的合成樹(shù)脂［2］。綜合考慮戶外耐久性、快干性等因素，經(jīng)試驗(yàn)確定采用改性含羥基丙烯酸樹(shù)脂作為熱反射隔熱防腐涂料的主要成膜物質(zhì)。

1.3.2 主要功能填料的選擇

功能填料是熱反射隔熱涂層中最重要的組份。熱反射隔熱涂層所選擇的功能填料要求對(duì)太陽(yáng)熱輻射具有高反射、低吸收的性質(zhì)。綜合考慮反射和隔熱效果，TiO2無(wú)疑是最好的選擇。金紅石型TiO2是太陽(yáng)熱反射隔熱涂層中首選的功能填料［3］。試驗(yàn)確定，鈦白粉的適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%。

1.3.3 納米紅外粉料的選用

在涂料中加入適量納米紅外粉料，可以提高涂層的輻射性能，使涂層具有高輻射率。添加適量紅外粉料的隔熱涂料，不但能夠延緩?fù)獠繜崃?太陽(yáng)熱量)向內(nèi)部的傳遞，還能夠持續(xù)的將內(nèi)部熱量轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)紅外線輻射到外太空，降低內(nèi)部熱量，儲(chǔ)存涂層的熱量，減緩?fù)繉拥臒崃肯蚧w傳遞，使遠(yuǎn)紅外粉料能吸收更多基體的熱量，從而提高遠(yuǎn)紅外粉料向外輻射熱量的效果。試驗(yàn)證明，添加3%～4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的紅外粉料可以大大提高涂層的紅外輻射能力。加量超過(guò)5%時(shí)，涂層的輻射系數(shù)開(kāi)始下降。

1.3.4 空心玻璃微珠的選用

由于面漆對(duì)太陽(yáng)光反射率和裝飾性的要求，不宜選用粒度較大的微珠，選用了粒度分布較適中的美國(guó)3M 公司生產(chǎn)的微珠。空心微珠具有較強(qiáng)的消光性，對(duì)提高涂層的太陽(yáng)光不利，空心微珠在面漆中的加入量不宜超過(guò)5%(質(zhì)量份數(shù))。

1.4 配 方

依據(jù)上述配方設(shè)計(jì)原則，經(jīng)過(guò)大量配方試驗(yàn)，確定了熱反射隔熱防腐蝕涂料的底漆、面漆的配方組成，它們配套使用作為地面金屬油罐及管線外壁防腐蝕涂裝體系。

2 工藝研究

2.1 空心玻璃微珠的表面處理

空心玻璃微珠具有導(dǎo)熱系數(shù)低、空間體積大等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在機(jī)械強(qiáng)度低、吸水性強(qiáng)、耐水性差等缺點(diǎn)。為了克服這種缺點(diǎn)，使用有機(jī)硅氧烷對(duì)空心玻璃微珠進(jìn)行表面處理。處理后的空心玻璃微珠具有較好的流動(dòng)性，易于分散，涂層的耐水性也有很大的提高。

2.2 納米紅外粉料的表面處理

本項(xiàng)目采用的紅外粉料平均粒徑72 nm，系納米水溶性材料，在涂料體系中如果分散不好，將大大降低其遠(yuǎn)紅外線輻射能力和阻隔紅外線等性能。必須對(duì)其進(jìn)行表面處理。

2.2.1 改性

先用配制涂料用的混合溶劑300 mL，與紅外粉料100 g 混合，用超聲波分散機(jī)或高速分散機(jī)分散15～20 min，使用高速分散機(jī)攪拌速率控制在1 000 r/min 以上。再用少量的混合溶劑將硅烷偶聯(lián)劑稀釋攪拌均勻后倒入分散好的膠料中，再次攪拌，分散15～20 min，分散完成后，納米材料與混合溶劑的混合物呈漿狀物。

2.2.2 分散

分散劑可以根據(jù)涂料體系確定，將分散劑2～4 g 加入到上述的漿料中，再次用超聲波分散機(jī)或高速分散機(jī)分散15～20 min，防止納米材料二次團(tuán)聚，達(dá)到納米材料均勻分散在混合溶劑當(dāng)中。

3 性能試驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)熱反射隔熱防腐蝕涂料分別進(jìn)行了機(jī)械性能試驗(yàn)、耐中性鹽霧試驗(yàn)、人工氣候老化試驗(yàn)，以考查該涂料的物理機(jī)械性能、耐腐蝕性能及耐老化性能。對(duì)于熱反射隔熱涂料，太陽(yáng)光反射比和半球發(fā)射率是兩個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)。另外，隔熱溫差可以直觀地描述熱反射材料降溫的程度，因此，隔熱溫差也是熱反射材料研發(fā)、隔熱評(píng)價(jià)必不可少的手段［4］。導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料的導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)之一。涂層導(dǎo)熱系數(shù)λ 不大于0.25 W/(m·K)，一般被認(rèn)為具有較好的隔熱降溫功能［5］，因此，本文還對(duì)熱反射隔熱涂料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)方法及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 熱反射隔熱防腐蝕涂料性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)熱反射隔熱防腐蝕涂料采用環(huán)氧樹(shù)脂底漆和丙烯酸聚氨酯面漆的配套體系，保證了涂層具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和耐戶外老化性能。

(2)底漆采用三種不同粒度范圍的國(guó)產(chǎn)空心玻璃微珠進(jìn)行復(fù)配，最大限度提高涂層對(duì)太陽(yáng)輻射熱能的阻隔能力，同時(shí)保證了底漆的力學(xué)性能。微珠在甲組分配方中所占質(zhì)量份數(shù)為8%時(shí)，涂層具有良好的力學(xué)性能和隔熱性能。

(3)面漆通過(guò)采用質(zhì)量份數(shù)分別為24%的金紅石型二氧化鈦、5%的空心玻璃微珠、3%的納米紅外粉料進(jìn)行配比，協(xié)同作用使面漆具有較高的太陽(yáng)光反射比和半球發(fā)射率。

(4)性能試驗(yàn)表明，該涂料的太陽(yáng)光反射比為0.81，半球發(fā)射率為0.88，反射隔熱性能符合HG/T 4341-2012(金屬表面用熱反射隔熱涂料的規(guī)定)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時(shí)該涂料具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能和防腐蝕性能。

［1］王金臺(tái)，路國(guó)忠.太陽(yáng)熱反射隔熱涂料［J］.涂料工業(yè)，2004，34(10):17-19.

［2］余麗蓉，陸春華，高樹(shù)軍，等.隔熱功能涂料的研究與發(fā)展趨勢(shì)［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2006，20(10):52-56.

［3］王科林，徐娜.太陽(yáng)熱反射隔熱涂層及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2009，12(2):18-22.

［4］楊文頤.熱反射涂料熱性能測(cè)試方法綜述［J］.中國(guó)涂料，2012，27(3):64-68.

［5］胡傳炘，孟輝，胡家暉.熱反射隔熱防腐蝕涂層得現(xiàn)狀及其應(yīng)用［J］.石油化工腐蝕與防護(hù)，2005，22(3):20-24.