一種高效外墻保溫涂料的合成研究

張強(qiáng)國(guó)，孟 運(yùn) （滬寶新材料科技（上海）股份有限公司，上海 201821）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗越來(lái)越快，污染越來(lái)越嚴(yán)重。為響應(yīng)國(guó)家的節(jié)能環(huán)保政策，涂料行業(yè)正逐步實(shí)現(xiàn)由油性涂料向水性涂料的轉(zhuǎn)化，在普通裝飾的基礎(chǔ)上增加保溫功效，以節(jié)約降溫能耗，減少發(fā)電污染。目前市場(chǎng)上常用的建筑反射隔熱涂料可以有效地將85%以上的太陽(yáng)光反射到大氣中，以阻止熱量的傳遞。然而這種材料存在2個(gè)不足：一是應(yīng)用地域適合陽(yáng)光充足且照射周期長(zhǎng)的南方，并不適合四季分明的北方；二是經(jīng)過(guò)一年的風(fēng)吹日曬，涂料的反射隔熱性能會(huì)大幅下降，甚至淪為普通外墻涂料。有文獻(xiàn)［1-3］報(bào)道，采用玻化微珠、海泡石等研制的外墻保溫涂料具有持續(xù)保溫功效，解決了以往反射隔熱涂料保溫周期短、應(yīng)用地域有限的弊端，但其導(dǎo)熱系數(shù)在0.06～0.10 W/（m·K），防火功能低，不屬于高效保溫材料。本研究采用低導(dǎo)熱系數(shù)混合填料、混合樹脂及憎水劑等制備了一種導(dǎo)熱系數(shù)小于0.04 W/（m·K），防火性能為A級(jí)，耐候性和憎水性高的高效外墻保溫涂料。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料及配方

高效外墻保溫涂料所用的原料和配方見表1。

表1 高效外墻保溫涂料所用的原料和配方Table 1 Raw materials and formulas used in high-efficiency exterior wall thermal insulation coatings

1.2 制備工藝

基料制備：在分散缸內(nèi)按配方加入一定量的水，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速600 r/min，依次加入纖維素、發(fā)泡劑、分散劑、多功能助劑、乙二醇等助劑，加完后分散約10 min至混合均勻；加入乳液、無(wú)機(jī)樹脂，繼續(xù)分散約10 min，至混合均勻；

填料分散：向基料中緩慢加入空心油脂、氣凝膠，分散約20 min至均勻；然后加入憎水劑、殺菌劑，分散約20 min，至體系混合均勻；

調(diào)漆階段：按比例加入一定量的鈦白漿、色漿，攪拌均勻即可。

1.3 分析儀器

BSM-2204分析天平，上海卓精電子科技有限公司；CU-420電熱恒溫水槽、QTX漆膜柔韌性測(cè)試儀、帶刻度的球形分液漏斗，上海標(biāo)格達(dá)儀器有限公司；DRPL-2B導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，湘潭市儀器儀表有限公司；JTX-II建筑涂料耐洗刷儀，普申檢測(cè)儀器（上海）有限公司；JCY-1水接觸角測(cè)試儀，深圳市三莉科技有限公司；HG-1692C萬(wàn)能拉力機(jī)，江蘇恒廣精密儀器有限公司； CZF-5防火性能測(cè)試儀，北京北廣精儀儀器設(shè)備有限公司。

2 結(jié)果與討論

2.1 低導(dǎo)熱系數(shù)填料的選擇及其配比和用量對(duì)涂膜性能的影響

2.1.1 低導(dǎo)熱系數(shù)填料的選擇

目前市場(chǎng)上常用的低導(dǎo)熱系數(shù)材料有蛭石、海泡石、玻珠、空心微珠、EPS（膨脹聚苯乙烯）粉末、空心油脂及氣凝膠等，不同的材料有著不同的性能特點(diǎn)［4-5］。其中，由于蛭石、海泡石、空心玻化微珠、膨脹珍珠巖、無(wú)機(jī)高分子粉等材料的導(dǎo)熱系數(shù)已超過(guò)0.04 W/（m·K），所以不適用于制備高效保溫涂料。EPS粉末顆粒雖然導(dǎo)熱系數(shù)較低，但其防火性能低，也不適用。相比較而言，空心油脂和氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)在0.02～0.03W/（m·K），防火性均為A級(jí)，和水性涂料的相容性也比較好，可以應(yīng)用。

2.1.2 低導(dǎo)熱系數(shù)填料的配比對(duì)涂膜性能的影響

空心油脂的市場(chǎng)價(jià)低于100元/kg，但易親水；氣凝的膠導(dǎo)熱系數(shù)較空心油脂低，憎水性好，但其市場(chǎng)價(jià)高于200元/kg。要得到高性價(jià)比，需要將兩者按一定的比例進(jìn)行搭配使用，空心油脂和氣凝膠的配比對(duì)涂膜性能的影響見表2。

表2 空心油脂和氣凝膠的配比對(duì)涂膜性能的影響Table 2 The influence of the proportion of hollow grease and aerogel on the properties of the coating film

由表2可以看出，如果氣凝膠在混合填料中的比例過(guò)大，雖然有利于降低涂膜的導(dǎo)熱系數(shù)，提高涂膜的憎水性，但會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)時(shí)難分散，同時(shí)增加成本；如果氣凝膠的比例過(guò)小，雖然有利于降低成本，但會(huì)導(dǎo)致涂膜的導(dǎo)熱系數(shù)增加，易親水。試驗(yàn)表明，空心油脂和氣凝膠的質(zhì)量比在3～2∶1時(shí)，涂膜的性價(jià)比較高。

2.1.3 低導(dǎo)熱系數(shù)混合填料的用量對(duì)涂膜性能的影響

在助劑和樹脂用量一定的條件下，低導(dǎo)熱系數(shù)混合填料的用量對(duì)涂膜性能的影響見表3。

表3 低導(dǎo)熱系數(shù)混合填料的用量對(duì)涂膜性能的影響Table 3 The influence of the amount of mixed filler with low thermal conductivity on the performances of the coating film

由表3可見，隨著低導(dǎo)熱系數(shù)混合填料用量的增加，涂膜的導(dǎo)熱系數(shù)不斷降低，吸水量不斷增加，粘結(jié)強(qiáng)度和柔韌性不斷降低。試驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)蛯?dǎo)熱系數(shù)混合填料的用量控制在12.0 %～14.0 %時(shí)，涂膜的綜合性能最佳。

2.2 樹脂的配比和用量對(duì)涂膜性能的影響

2.2.1 樹脂的選擇

水性丙烯酸乳液具有耐候性突出，耐水、耐堿性優(yōu)異，粘結(jié)力強(qiáng)的特點(diǎn)，但容易著火。無(wú)機(jī)樹脂防火性能可達(dá)到A級(jí)，但粘結(jié)力和耐水、耐堿性較差。為兼顧涂膜的耐候性、柔韌性、耐水、耐堿性、粘接力和防火性能，采用有機(jī)和無(wú)機(jī)樹脂復(fù)配的方式。其中有機(jī)樹脂采用最低成膜溫度（MFT）0 ℃，固含量為48.0 %的純丙乳液RS-6733，無(wú)機(jī)樹脂選用模數(shù)為3.5～4.0，固含量為30.0 %的硅酸鉀K-100。

2.2.2 樹脂的配比對(duì)涂膜性能的影響

兩種樹脂的配比對(duì)涂膜性能的影響見表4。

表4 有機(jī)和無(wú)機(jī)樹脂的配比對(duì)涂膜性能的影響Table 4 The influence of the ratio between organic and inorganic resin on the performances of the coating film

由表4結(jié)果可以看出，隨著無(wú)機(jī)樹脂用量的增加，涂膜的防火性能逐步增強(qiáng)，耐擦洗性和耐水性逐步降低。這是因?yàn)闊o(wú)機(jī)樹脂防火性能雖高，但易水解導(dǎo)致涂膜的耐水性和耐擦洗性下降。試驗(yàn)表明，當(dāng)有機(jī)樹脂和無(wú)機(jī)樹脂的質(zhì)量比在1∶3時(shí)，涂膜的綜合性能最佳。

2.2.3 水性混合樹脂的用量對(duì)涂膜性能的影響

表5 混合樹脂的用量對(duì)涂膜綜合性能的影響Table 5 The influence of the amount of mixed resin on the comprehensive performances of the coating film

在混合樹脂的配比確定后，考察了其用量對(duì)涂膜綜合性能的影響，結(jié)果見表5。

由表5可以看出，隨著混合樹脂用量的增加，涂膜的柔韌性和耐候性提高，透水性和保溫性能下降。當(dāng)混合樹脂的用量控制在30.0 %～40.0 %時(shí)，涂膜的綜合性能較好。

2.3 發(fā)泡劑的選擇和用量對(duì)涂膜性能的影響

要做到高效保溫材料，涂膜的導(dǎo)熱系數(shù)必須控制在0.04 W/（m·K）以下，故還需要進(jìn)一步降低涂膜的導(dǎo)熱系數(shù)。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 W/（m·K），極易獲得。在樹脂和填料已確定的情況下，在水性介質(zhì)里加入發(fā)泡劑，通過(guò)機(jī)械攪拌的方式將空氣引入到涂料中，待涂膜干燥后將空氣微泡封鎖在干膜里，可以達(dá)到進(jìn)一步降低涂膜導(dǎo)熱系數(shù)的目的。

為提高發(fā)泡效率，增加填料潤(rùn)濕分散性，便于后期生產(chǎn)，選用了非離子型液體發(fā)泡劑，發(fā)泡劑的用量對(duì)涂膜性能的影響見表6。

表6 發(fā)泡劑的用量對(duì)涂膜性能的影響Table 6 The influence of the amount of foaming agent on the performances of the coating film

由表6可以看出，隨著發(fā)泡劑用量的增加，涂膜的導(dǎo)熱系數(shù)降低，保溫性能提高，但涂膜的透水性、粘結(jié)強(qiáng)度和柔韌性降低。這是因?yàn)殡S著發(fā)泡劑用量的增加，涂膜中的微孔結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，導(dǎo)致涂膜易儲(chǔ)水，脆性增加。當(dāng)發(fā)泡劑的添加量較低時(shí)，雖有利于提高涂膜的粘結(jié)強(qiáng)度和柔韌性，但不利于降低涂膜的導(dǎo)熱系數(shù)，無(wú)法發(fā)揮高效保溫作用。試驗(yàn)表明，當(dāng)發(fā)泡劑的用量控制在0.2 %～0.3 %較為合適。

2.4 憎水劑的用量對(duì)涂膜性能的影響

由于該保溫涂料是借助于低導(dǎo)熱系數(shù)的填料和空心結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫性能的，其施工后暴露在室外，如果遇到連續(xù)陰雨天氣，水分子會(huì)慢慢滲透涂膜，浸入到空心結(jié)構(gòu)中而貯存起來(lái)，這不僅會(huì)直接降低涂膜的保溫功效，還會(huì)進(jìn)一步降解樹脂，降低涂膜的粘結(jié)強(qiáng)度和耐候性。所以還需要提高涂膜的憎水性以確保涂膜持久的保溫功能和耐久性。

目前常用的憎水劑有無(wú)機(jī)憎水劑和有機(jī)憎水劑，有機(jī)憎水劑憎水效率高，但防火性能低；無(wú)機(jī)憎水劑雖有利于提高涂膜的防火功效，但憎水效率比較低。通過(guò)比較后，本研究選用無(wú)機(jī)-有機(jī)改性憎水劑SS-2，其用量對(duì)涂膜性能的影響見表7。

表7 憎水劑的用量對(duì)涂膜性能的影響Table 7 The influence of the amount of water repellent on the performances of the coating film

由表7可見，隨著憎水劑用量的增大，涂膜的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸升高，透水率逐漸降低，憎水性逐漸增大，防火性能逐漸降低。當(dāng)憎水劑的用量保持在2.0 %～3.0 %時(shí)，涂膜的綜合性能最佳。

2.5 色漿用量對(duì)涂膜性能的影響

由于外墻保溫涂料裝飾需要有一定的顏色，要添加鈦白漿和其它色漿進(jìn)行調(diào)色，色漿的用量對(duì)涂膜性能的影響見表8。

表8 色漿的用量對(duì)涂膜性能的影響Table 8 The influence of the amount of colorant on the performances of the coating film

由表8可以看出，隨著色漿用量的增加，涂膜的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加，憎水性和粘結(jié)強(qiáng)度逐漸下降。這是由于色漿不僅本身導(dǎo)熱系數(shù)高，易親水，而且其消耗了樹脂的利用率所致。色漿的添加量以低于2.0 %為宜。

2.6 外墻高保溫涂料的性能指標(biāo)

按上述配比制成的水性高效外墻保溫涂料，其綜合性能見表9。

表9 高效外墻保溫涂料的綜合性能Table 9 Comprehensive performances of high-efficiency exterior wall thermal insulation coatings

3 結(jié)語(yǔ)

（1） 低導(dǎo)熱填料選用空心油脂和氣凝膠配用，而且當(dāng)兩者的配比為2～3∶1，混合用量為12.0 %～14.0 %時(shí)，涂膜的綜合性能最佳；

（2） 選用無(wú)機(jī)和有機(jī)樹脂復(fù)配，當(dāng)m（無(wú)機(jī)樹脂）∶m（有機(jī)樹脂） = 3∶1，且混合樹脂的用量在30.0 %～40.0 %時(shí)，涂膜的綜合性能較好；

（3） 選用液態(tài)非離子型發(fā)泡劑，且其用量控制在0.2 %～0.3 %時(shí)，涂膜的綜合性能較好；

（4） 選用無(wú)機(jī)-有機(jī)改性憎水劑，且其用量控制在2.0 %～3.0 %時(shí)，涂膜的綜合性能較好；

（5） 在后期調(diào)色時(shí)，應(yīng)將色漿的用量控制在2.0 %以內(nèi)，確保涂膜的高效保溫功能。