隔熱涂料在高功率重型車輛上的應用

張靜元，邱偉，付揚帆，鐘軍，吳秀英，劉正濤，孫麗華

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.北方華安工業集團，黑龍江 齊齊哈爾 161046）

隔熱涂料[1-3]是指具有絕熱性能，能對熱流起屏蔽作用的一種涂料。按隔熱原理，隔熱涂料可分為阻隔型隔熱涂料、反射型隔熱涂料和輻射型隔熱涂料三種。目前，市場中的隔熱涂料主要以阻隔型隔熱涂料和反射型隔熱涂料為主，廣泛應用于建筑和工業設備設施[4-5]中。

某些重型車輛通常配備有強勁的動力系統，在工作過程中會產生大量的熱量，尤其是在炎熱的夏季，動力系統產生的熱量對駕駛室內作業環境的影響較大。為降低動力系統產生的熱量對駕駛室的影響，通常在動力艙與駕駛艙之間使用隔熱棉進行隔熱，但受設備結構等因素的影響，隔熱效果并不理想。為此，筆者通過優選高彈性聚酯多元醇樹脂作為成膜物，輔助低導熱特性的功能填料，制備一種隔熱性能優異的阻隔型隔熱涂料。其施工方式靈活，漆膜能滿足輕質、高效隔熱的要求，在某型重型車輛的動力艙與駕駛艙之間使用，獲得的隔熱效果良好。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗所用原材料包括聚酯多元醇樹脂（新西蘭紐佩斯，工業級）、多異氰酸酯HI100（德國巴斯夫，工業級）、R-996鈦白粉（四川龍蟒集團，工業級）、滑石粉（廣西龍廣滑石開發股份有限公司，工業級）、海泡石（河北宏利化工有限公司，工業級）、空心微珠（美國3M，工業級）、SiO2氣凝膠（山西天一納米科技有限公司，工業級）、分散潤濕劑、流變劑、消泡劑（臺灣德謙，工業級）。阻隔型隔熱涂料配方見表1。

表1 隔熱涂料基本配方 Tab.1 The basic formulation

A組分中除空心微珠外，各物料按比例混合，使用高速分散機攪拌分散0.5 h后，再采用籃式砂磨機研磨分散，當混合物料粒度小于50 μm時，停止研磨，過濾出料。使用低速分散設備將空心微珠分散到研磨好的漆料中，制成A組分。制板時，將A組分與B組分按比例混合均勻，加入涂料總質量的10%～30%的稀釋劑，使用分散設備低速攪拌分散5 min，可進行噴涂或刷涂。

1.2 性能測試

測試樣板按GB/T 9271—2008制備，漆膜厚度為1.5～2.0 mm。對漆膜的干燥時間、密度、附著力、斷裂伸長率、抗拉強度、耐水性、耐油性、耐鹽水性、耐低溫性、導熱性、等基本物理性能進行測試。由于目前針對阻隔型隔熱涂料的隔熱性能測試尚無統一標準，筆者借鑒相關文獻[6-9]，結合隔熱涂料的實際應用，自制一套隔熱性能測試裝置（其裝置原理如圖1所示），采用該裝置對漆膜進行隔熱性能測試。熱 源溫度為(120±10) ℃，環境溫度為(25±1) ℃，空氣無明顯對流，當熱電偶A反饋結果為120 ℃時，將測試樣板置于圖1中5號位，每5 min記錄一次熱電偶B的反饋結果。

圖1 自制隔熱測試裝置原理 Fig.1 Self-made insulation test device

1.3 應用考核

采用高壓無氣噴涂，將隔熱涂料涂裝在某型車輛的動力艙與駕駛艙之間的隔板上，涂裝面為動力艙一側的隔板。在車輛涂裝隔熱涂料前后，使用紅外測溫儀對車輛路試過程中駕駛艙一側隔板表面的溫度進行檢測。測試條件：涂層施工厚度為1.5～2.0 mm， 路試速度為60～100 km/h，環境溫度為36.2～39.5 ℃，路試過程中駕駛艙內空調溫度設置為25 ℃，每15 min測試一次溫度。

2 結果與分析

2.1 漆膜的基本物理性能

研制的阻隔型隔熱涂料的基本物理性能見表2。可知，涂料具有良好的力學性能及耐水、耐油、耐鹽水等性能。

表2 阻隔型隔熱涂料性能指標 Tab.2 Performances of obstucting thermal insulation coatings

2.2 成膜物與固化劑的配比對漆膜性能的影響

成膜物為聚酯多元醇樹脂[10-11]（stetal 168），是由多元醇和二元羧酸化合物經縮聚反應制備的線型聚合物，具有良好的柔韌性與機械性。但線性結構聚合物作為成膜物時，交聯密度低，致密性差，耐化學介質和耐水性較差。為解決這一問題，優選具有三官能度的多異氰酸酯（—NCO）HI100（六亞甲基二異氰酸酯聚合而成的聚異氰酸酯）作為固化劑，在成膜過程中與聚酯多元醇中的羥基（—OH）反應，形成網絡狀交聯結構，從而提高漆膜的致密性。通過調整成膜物中異氰酸酯（—NCO）與羥基（—OH）的物質的量的比，結合成膜物的耐水性、耐機油性及斷裂伸長率等性能的考察，確定聚酯多元醇樹脂與HI100的配比，試驗結果見表3。

由表3可知，隨著異氰酸酯（—NCO）基團比例的增加，成膜物中交聯點間的距離縮短，交聯密度增強，漆膜致密性提高，其耐水性與耐機油性也隨之顯著提高。成膜物交聯密度增加后，鏈段的自由度受到限制，致使成膜物韌性與斷裂伸長率下降。通過對成膜物性能的綜合評價，確定成膜物中異氰酸酯（—NCO）與羥基(—OH)物質的量的比在0.8～1.0為宜。

表3 異氰酸酯（—NCO）與羥基（—OH） 不同物質的量的比時漆膜性能 Tab.3 Properties of film-forming materials at different ratios of isocyanate (—NCO) and hydroxyl (—OH)

2.3 功能填料與成膜物的配比對漆膜性能的影響

實踐證明，作為阻隔型隔熱涂料，漆膜的低導熱化主要是通過添加導熱系數低的功能填料實現的[12-14]。因此，選擇低導熱性的功能填料是實現漆膜隔熱的關鍵。阻隔型隔熱涂料中常用的功能填料見表4。

表4 常用功能填料的導熱系數對比 Tab.4 Comparison of materials thermal conductivity

膨脹珍珠巖與膨脹蛭石的粒徑較大，不易進行涂料的生產與施工，并且易導致漆膜外觀粗糙。石棉與礦巖棉呈纖維狀，加量低于配方總質量的5%時，涂料隔熱效果不明顯，且流動性較差，不宜在涂料產品中大量使用。六晶須鈦酸鉀具有負溫度系數的特性，其特性通常在300 ℃以上的高溫環境中才會表現明顯，在300 ℃以下，負溫度系數變化不大。因此，采用海泡石、SiO2氣凝膠[15-19]、空心微珠[20-22]三種低導熱系數材料為功能填料，再輔以一定的鈦白粉與滑石粉共同構成該配方的顏填料體系。本試驗側重考察配方中功能填料與成膜物在不同配比（質量比）時，漆膜的導熱系數、斷裂伸長率、附著力等性能指標的變化，綜合整體性能優化出最佳配方，試驗中漆膜各項主要性能指標見表5。

表5 功能填料與樹脂在不同比例時漆膜性能變化 Tab.5 Effects on film properties at different proportions of functional filler

從表5中可見，隨著功能填料比例的升高，漆膜導熱系數明顯降低，這與功能填料的作用一致。但隨著功能填料比例的升高，漆膜中成膜物的含量降低，由成膜物決定的附著力、斷裂伸長率也在同步下降。所以，在確保漆膜具有低導熱性能的同時，還要考慮漆膜的使用性能及環境適應性等。因此，在兼顧漆膜綜合性能的前提下，配方中功能填料與樹脂最佳質量比范圍為1.5～2.0。

2.4 空心微珠的粒徑分布對導熱性能的影響

空心微珠是由含硅、鋁、鐵的氧化物經特殊工藝制成的一種薄壁、中空的微小球體，具有質輕、低導熱的特性，已廣泛應用于隔熱涂料中。把微珠引入到涂料中，相當于在漆膜中形成了大量的中空結構。因此，微珠在漆膜中的用量及分布情況，將顯著影響漆膜的導熱性。為兼顧涂料的涂裝施工性能和漆膜外觀，通常隔熱涂料中的微珠粒徑小于100 μm。本實驗采用平均粒徑為80 μm與40 μm的兩種微珠進行應用測試。當微珠總量不變，且平均粒徑為40 μm的微珠占微珠總量的質量百分比不同時，漆膜隔熱性能的測試情況如圖2所示。

圖2 平均粒徑為40 μm的空心微珠在不同用量下對導熱性能影響 Fig.2 Effects on film properties at different proportions of hollow microsphere with an average particle size of 40 μm

由圖2可知，對于兩種不同粒徑的微珠，粒徑越大，隔熱性能越好。但當兩種微珠按一定比例混合時，漆膜的導熱系數并不一定在兩個導熱系數之間成線性變化。如圖2所示，在0.2～0.8這個比例范圍內，漆膜的導熱系數低于兩種微珠單獨使用時的導熱系數。這一現象可能主要受微珠粒徑的分布寬度影響，當微珠粒徑分布較窄時，漆膜中熱量傳遞到微珠表面，由于微珠的導熱系數較低，熱量沿著微珠之間的孔隙傳遞較快，微珠之間孔隙越大，熱量傳遞越快。反之，當微珠粒徑分布較寬時，粒徑小的微珠可以填充到粒徑大的微珠之間，增大微珠孔隙間熱量傳遞的阻力，導致漆膜隔熱性增強。因此，通過將不同粒徑的微珠進行復配應用，可以顯著提高漆膜的隔熱性能。

2.5 涂裝隔熱性能測試及應用分析

采用圖1所示的自制隔熱裝置對漆膜樣板進行隔熱性能測試，漆膜與熱源接觸的一側稱為熱面，另一面則稱為冷面。在持續2 h的測試過程中，樣板冷面溫度未超過45 ℃，漆膜隔熱效果較好。測試過程中樣板冷面溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 漆膜隔熱性能測試 Fig.3 Thermal insulation test curve of painting film

圖4為某重型車涂裝前后駕駛艙一側隔板的表面溫度對比。在車輛啟動的15 min之內，駕駛艙內溫度均略有下降，主要是由于動力系統剛開始工作，產生熱量較少，對駕駛艙溫度影響不大，受車內致冷系統影響，隔板表面溫度有所下降。但隨著動力系統持續工作，產生的熱量不斷聚集，未涂裝隔熱涂層的隔板表面溫度快速上升，在1 h內，隔板表面溫度達到52 ℃，駕駛人員無法正常作業，測試試驗停止。而在有隔熱涂層的隔板表面，整個測試過程中溫度雖有一定程度的上升，但上升速度比較緩慢，發動機持續工作3 h，隔板表面溫度未超過38 ℃。試驗結果表明，隔熱涂層可有效阻隔動力艙一側的熱量向駕駛艙傳遞。

圖4 涂裝前后駕駛艙一側隔板表面溫度對比 Fig.4 Temperature contrast curve of surface of the driving cab under the condition of coating and uncoating

3 結論

1）以柔韌性和機械性能極佳的聚酯多元醇樹脂作為成膜物，配合具有異氰酸酯（—NCO）活性基團的HI100為固化劑，實現漆膜的常溫固化，當異氰酸酯（—NCO）與羥基（—OH）的物質的量的比為0.8～ 1.0時，可以得到性能優異的成膜物。

2）通過對漆膜的導熱系數、拉伸強度、斷裂伸長率等綜合性能的研究，確定配方的最佳顏基比范圍為1.5～2.0，此時漆膜密度不大于0.5 g/cm3，導熱系數小于0.06 W/(m·K)，具有輕質、高效的特性。

3）使用自制隔熱裝置對隔熱涂層進行測試，熱源溫度為120 ℃、測試時間為2 h，隔熱涂層冷面溫度低于45 ℃。

4）將該涂料在某重型車輛上進行涂裝應用，車輛涂裝前后路試測試結果表明，該阻隔熱涂料具備顯著的隔熱性能。