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        水性玻璃隔熱塗料的製備與性能研究,對市面上常見的水性氟碳樹脂進行了篩選
        2019年12月31日    閱讀量:4967    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

        0 前 言

        常規的水性玻璃隔熱塗料使用水性樹脂和納米漿料共混製得,具有很好的隔熱效果和可見光透過性[1-3]。市面上常用單組分水性聚氨酯作為基礎樹脂,然後外添迦納米氧化物水溶液製備玻璃隔熱塗料,但該塗料存在著以下幾點不足:

        (1)製備工藝過長,納米氧化物在水溶液中很難分散,易於團聚和沉降[4-7];

        (2)由於選用的樹脂不具有良好的耐水、耐老化等性能,塗料使用周期過短;

        (3)由於水性聚氨酯樹脂的局限性,塗膜沾污問題難以解決,從而給玻璃的清洗帶來了很大的麻煩[4-7]。氟碳類化合物的主要基團—CF3的表面能只有6 mJ/m2,這類化合物是目前已知表面能最低的材料,所以將有機氟材料廣泛用於各種材料的表面改性可以獲得類似的低表面能[8]中國建材網cnprofit.com


        由於現在市面上的玻璃隔熱塗料存在很多問題,我們擬選用具有疏水、耐老化性能強的氟碳乳液作為成膜物質,將其優異的自清潔功能引入到玻璃隔熱塗料中,製備出一種具有複合性能的玻璃隔熱塗料。


        本論文從配方優化的角度出發,選擇了水性氟碳樹脂作為基料樹脂,製備了一種疏水型水性玻璃隔熱塗料,對其塗料基本性能進行了測試,並著重探討了納米氧化物用量與隔熱性能的關係。該塗料能夠廣泛應用於建築節能等領域,既可以起到自清潔,同時也具備良好的隔熱效果,具有比較優異的性價比。


        1 水性玻璃隔熱塗料的製備

        1.1 試驗原材料

        水性氟碳樹脂、納米氧化物溶液(自製)、醇酯十二、無水乙醇、丙二醇、硅烷偶聯劑、分散劑、基材潤濕劑、增稠劑、消泡劑、中和劑。


        1.2 水性玻璃隔熱塗料的製備

        1.2.1 納米漿料的分散

        將納米氧化物ATO(氧化錫銻)放入烘箱,在40~50 ℃條件下乾燥5 h,將乾燥好的納米氧化物加入溶有硅烷偶聯劑的乙醇溶液中,超聲分散1 h,製得預分散液。將預分散液加入帶有迴流冷凝器和攪拌器的500 mL圓底燒瓶中,然後將體系升溫到80~90 ℃,中速攪拌,反應24 h,出料,在70~80 ℃下真空乾燥,製得改性的納米氧化物粉體。在高速分散機中加入去離子水、分散劑、潤濕劑,攪拌均勻,加入經硅烷偶聯劑改性過的納米ATO粉體,高速分散砂磨6~8 h,調pH值為7.5~8.0,製得納米ATO含量為10%(質量分數)左右的納米氧化物漿料。


        1.2.2 水性玻璃隔熱塗料的製備

        取水性氟碳乳液和去離子水於容器中,在分散的情況下緩慢滴納米ATO溶液,充分分散40 min;依次加入消泡劑、增稠劑、中和劑,分散15 min,即製得水性疏水型玻璃隔熱塗料。


        2 塗料影響因素及討論

        2.1 樹脂的篩選

        用於透明隔熱納米塗料的成膜劑要求在可見光區具有較高的透光率。通常,盡量選擇不含或少含—CO—、C—O—C、—OH等基團的樹脂作為成膜劑,可能是含有這些基團的樹脂的成膜穩定性不好,其與玻璃基材的附著力較差。通常,對於透明隔熱納米塗料高分子成膜物質主要有:聚甲基丙烯酸酯及其含硅、聚苯乙烯-苯烯腈、氟的改性物、高氯化聚乙烯及聚四氟乙烯、聚氨酯等。


        F—C鍵由於其鍵極性小,因此氟碳聚合物具有低表面能,和其他樹脂相比,氟碳樹脂臨界表面張力最低,是塗料樹脂具有優良抗黏性、防沾污性的原因。氟原子的引入還可以提高塗料的耐水、拒油、抗紫外線能力等能力。


        因此本試驗選用水性氟碳樹脂作為成膜物質。本試驗對市面上水性氟碳樹脂進行考察,選取了6種氟碳乳液,並對氟碳乳液進行了初步性能測試,考察了樹脂的耐水性、附著力、耐紫外老化(自製紫外老化儀)以及鉛筆硬度,結果見表1。

        水性玻璃隔熱塗料的製備與性能研究,對市面上常見的水性氟碳樹脂進行了篩選 中國建材網,cnprofit.com

        由表1可知,樹脂C、D、E具有比較優異的拒水效果,同時耐老化性能較好。同時測試了樹脂的水接觸角和表面能,數據見圖1和表2,樹脂D的水接觸角達到了96.9°,但其附著力性能不好,樹脂C的耐水和耐老化一般。從成本和樹脂綜合性能考慮,優先選用樹脂E作為基礎樹脂。

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        2.2 納米氧化物用量與塗料性能的關係

        一些半導體納米粒子,如納米氧化銦錫(ITO)、氧化錫銻(ATO),經研究證實由其製成的膜具有很高的紅外屏蔽和良好的可見光區透過率。本試驗選用納米氧化錫銻(ATO)作為隔熱材料,重點考察了ATO用量與塗料基本性能和隔熱性能的關係。


        2.2.1 納米氧化物用量對紫外、可見、近紅外光透過率的影響

        太陽輻射的能量主要集中在波長為200~2 500nm的範圍內,具體能量分佈如下:紫外區200~350nm,佔總能量的5%;可見光區320~780 nm,佔總能量的45%;近紅外區780~2 500 nm,佔總能量的50%。

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        由此可見,太陽光譜中的能量絕大部分分佈在可見光區和近紅外區,其中近紅外區就佔了一半的能量。紅外線對視覺效果沒有貢獻,若將這一部分能量進行有效阻隔,可以起到很好的隔熱效果而不影響玻璃的透明性。本試驗考察了配方中不同納米氧化物漿料用量與紫外、可見、近紅外光透過率的關係,其結果見圖2、圖3和表3。


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        由圖2、圖3可知,隨著ATO溶液用量的不斷提高,玻璃隔熱塗料的光學性能表現出比較明顯的規律:在紫外線區域,紫外線的透過率不斷降低,但降幅不明顯,由此可見,少量的納米ATO溶液就可以達到屏蔽紫外線的功能;在可見光區域,隨著ATO含量的增加,可見光的透過率不斷降低;在近紅外區域,玻璃隔熱塗料對近紅外的阻隔達到70%~80%。


        由表3可見:水性玻璃隔熱塗料對紫外線有很好的屏蔽作用,同時對可見光有良好的透過性,太陽光的大部分能量集中在近紅外區域,該玻璃隔熱塗料對近紅外線也起到了良好的阻隔作用,當ATO含量達到配方含量的30%時,近紅外透過率顯著降低。


        2.2.2 納米氧化物用量與塗料隔熱性能的關係

        通過不同ATO含量(質量分數10%、20%、25%、30%、40%、50%)樣品與市購競爭樣品進行比較,利用自製溫差儀對比分析了樣品板上下表面溫度,見圖4。由圖4-1、4-2可見,市面上競爭樣品與空白玻璃的隔熱溫差最終穩定在3 ℃左右,與玻璃外表面溫差穩定在10 ℃左右,試驗製備的50%質量分數的玻璃隔熱塗料與空白玻璃的隔熱溫差穩定在7 ℃左右,而與玻璃外表面溫差最高達到18 ℃左右;


        由圖4-3、4-4、4-5、4-6、4-7可以看出,塗刷有隔熱塗料的玻璃與空白玻璃有溫度有較大的差距,隨著ATO用量的增加,溫差逐漸加大,穩定后的溫差基本在5 ℃以上;圖4-8為不同ATO溶液用量與空白玻璃的升溫曲線對比圖,由該圖可見,隨著ATO用量的增加,隔熱性能有所增加,但效果區分不明顯,其與空白玻璃的最大溫差在8 ℃左右,穩定溫差在5 ℃以上。


        2.3 水性玻璃隔熱塗參考配方與性能測試

        水性玻璃隔熱塗料參考配方見表4。

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        表5為水性玻璃隔熱塗料的基本性能測試數據,該塗料具有比較好的隔熱效果,同時由於採用了氟碳乳液作為基料樹脂,因此其同時具有比較優異的疏水、耐老化性能。

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        3 結 語

        (1)對市面上的氟碳乳液進行了篩選,選出了一種性價比較高的乳液作為基料樹脂,並對其性能進行了測試。

        (2)考察了納米氧化物溶液用量與塗料的性能關係,並測試了其光學性能。試驗結果表明:納米氧化物溶液用量在30%時,其具有比較好的隔熱效果和紫外線屏蔽功能。

        (3)測試了不同ATO溶液用量的玻璃隔熱塗料的隔熱性能,隨著ATO溶液用量的增加,隔熱性能有所增加,但效果區分不明顯,其與空白玻璃的最大溫差在8 ℃左右,穩定溫差在5 ℃以上。

        (4)比較全面地測試了玻璃隔熱塗料的性能,測試結果表明,由於氟碳乳液的存在,該玻璃隔熱塗料具有疏水、隔熱綜合功能,比市面上傳統隔熱塗料有很大的性能優勢,是一款性價比很高的節能環保塗料,可廣泛應用於玻璃幕牆、家裝建築等領域。

        水性玻璃隔熱塗料的製備與性能研究


        □ 文 風,陳 俊,廖 笠,何國平

        (武漢新康化學集團有限公司博士后工作站,武漢雙虎塗料有限公司,武漢 430035)



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