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        顏料對水性反射隔熱塗料性能的影響,水性反射隔熱塗料製備中通過改變顏料中各組分的配比
        2020年01月05日    閱讀量:1788    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

        0 前言

        反射隔熱塗料是一種功能性塗料,主要應用於建築屋頂和外牆,它通過阻隔、反射、輻射等機理來延緩熱能的傳遞,從而保持室內溫度恆定,增大室內外的溫差,在夏季減少降溫能耗,在冬季降低取暖費用[1]。反射隔熱塗料的組成中起主要作用的是成膜物質和顏填料,其中顏填料尤為重要[2]。


        顏料的主要作用是使塗膜具有一定的遮蓋力和呈現不同的色彩,因此要使塗膜具有優異的耐候性,顏料就需具有較好的遮蓋力和著色力、較高的分散度、鮮明的色彩以及對光的穩定性等中國建材網cnprofit.com。白色顏料中應用最廣、效果最好的是金紅石型鈦白粉,它能耐光、耐熱、耐稀酸和鹼,在白色和淺色塗料製備中必不可少[3]。


        此外,沉澱硫酸鋇、氧化鋅和立德粉作為鈦白粉的輔助顏料,因價格便宜,常與鈦白粉配合使用,以減輕紫外線對基料的破壞,賦予塗料良好的施工性及優良的力學性能。其中,沉澱硫酸鋇(又稱鋇白)質地細膩,白度高,耐酸、鹼、光、熱,潤滑性和分散性好,製成隔熱塗料塗膜光澤度高、流平性好[4]。


        氧化鋅(又稱鋅白)耐候性良好,不粉化,可改善塗膜的柔韌性和硬度,有清潔和防霉作用,作為紫外線吸收劑、固化劑或殺菌劑使用[5]。立德粉(又稱鋅鋇白)含30%左右ZnS,70%左右BaSO4,顏色潔白,遮蓋力強,著色力高,可提高塗料緻密性和耐磨性,增強塗膜的抗老化能力[6]。


        目前,外牆保溫技術向高效、薄層、隔熱、防水等一體化方向發展,關於建築隔熱塗料的開發研究也不斷深入[7]。然而,針對反射隔熱塗料中不同顏料對其性能影響的報道還較少。本試驗從節約成本出發,分別採用硫酸鋇、氧化鋅和立德粉部分替代鈦白粉顏料,考察其對水性反射隔熱塗料性能的影響。


        1 實驗

        1.1 原材料

        基料:德國巴斯夫有限公司生產的Acronal PS 405 ap 丙烯酸乳液。顏料:美國亨斯曼公司生產的多用途金紅石型鈦白粉、淄博雍濱微粉廠生產的沉澱硫酸鋇、青島納卡森鋅業科技有限公司生產的氧化鋅和台湾拓億有限公司生產的立德粉。所用顏料的主要性質見表1。填料主要有空心玻璃微珠、輕鈣和滑石粉等。助劑主要有潤濕分散劑、消泡劑、增塑劑和成膜助劑等。

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        1.2 塗料的製備

        按表2 的配方稱取各種物料,在低速攪拌下依次加入蒸餾水、潤濕分散劑、消泡劑和成膜助劑等充分混合均勻,然後添加鈦白粉等顏填料,高速分散研磨一段時間,細化粉體粒子並使之達到分散穩定狀態。


        接著將調製好的顏填料色漿緩慢加入到乳液中,再低速攪拌30~40 min。為了避免過高的轉速破壞微珠的空心結構,使其失去隔熱反射能力,空心玻璃微珠最後在低速狀態下加入到分散液中,攪拌過程中滴加剩餘消泡劑,並調到合適的黏度,過濾,出料。

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        1.3 試驗儀器

        SDF-400 型調速分散研磨機;JTX-II 型塗料耐洗刷儀;C84-III 反射率測定儀;DXLL-10000 電子拉力機。隔熱溫差檢測裝置根據JG/T 235—2008《建築反射隔熱塗料》標準自製(見圖1)。其中測溫箱是由3 cm 厚導熱係數不大於0.030 W/(m·K)的XPS 板構成的五面體,內腔尺寸為30 cm×30 cm×30cm;測溫儀測量精度為0.1 ℃;加熱燈為全輻射通量135 W 的紅外燈。

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        2 結果與討論

        2.1 鈦白粉用量與塗膜性能的關係

        反射率定義為被物體表面反射的光通量與入射到物體表面的光通量之比。為降低建築物內部溫度而使用的太陽熱反射外牆塗料,應滿足對可見光和近紅外光的高反射。因此,具有高折光係數的TiO2 被用來製備反射隔熱塗料。


        2.1.1 TiO2 用量對反射率的影響(見圖2)

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        由圖2 可知,隨著TiO2 用量的增加,白色塗層的反射率呈先增大后降低。在TiO2 用量為12%左右時達到最高值,之後隨著TiO2 用量的增加,反射率反而有所下降。其原因可能是:當TiO2 開始逐漸添加時,塗膜內顏料的相對密度增多,起反射作用的顏料粒子數增大,故反射率呈上升趨勢;


        當TiO2用量到達一定值以後,隨著用量的進一步增加,分散的顏料顆粒開始重新聚集,使反射的比表面積減少,反射效率降低,導致反射率下降。所以,無論是從實驗角度還是從實用成本考慮,TiO2 用量並不是越大越好,而是有一個極限範圍,本試驗選用12%左右。


        2.1.2 TiO2 用量對塗料對比率的影響

        塗料對比率是塗料遮蓋底材上的顏色或異色的能力。遮蓋力好的塗料只需施塗1~2 道就可遮住底材,塗料用量少,可大大節省塗裝成本。塗料的遮蓋力主要與所用顏料的品種及顏料體積濃度有關。TiO2 用量對塗料對比率的影響見圖3。

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        由圖3 可見,隨著TiO2 用量的增加,塗料的對比率逐漸增大,說明在塗料的單位體積中存在越來越多的界面,對太陽光有儘可能大的散射,很大程度上減少了光線的透過。但鈦白粉用量增加到18%后,顏料顆粒在塗膜中的排列逐漸緻密,趨於飽和,此時對比率的增大不再明顯。


        2.2 不同顏料對塗膜性能的影響

        分別選擇沉澱硫酸鋇、氧化鋅和立德粉作為鈦白粉的輔助顏料,與鈦白粉搭配使用。塗料在製備過程中保持配方中的總顏料質量百分數為12%,通過改變其中的輔助顏料和鈦白粉的比例,考察不同顏料對塗膜性能的影響。


        2.2.1 不同顏料對反射率和對比率的

        影響(見圖4、圖5)

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        由圖4 可見,隨著輔助顏料比例的增大,塗膜的反射性能存在不同程度的降低。在替代量小於50%時,塗層反射率的大小順序為:立德粉>氧化鋅>硫酸鋇,這一順序也與各顏料的折光係數相符合;


        然而,當替代量大於50%時,含有立德粉的塗膜反射率急劇下降,儘管該塗膜的反射性能在立德粉替代量小於30%時基本不受組分變化影響。其主要原因除了與反射率相關的介質物理性質有關,可能還由於各種粉料的粒子形狀、顆粒大小及在塗料中的潤濕分散程度不同等所導致。

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        由圖5 可見,與單獨使用鈦白粉顏料相比,立德粉在替代量小於30%時,塗料的對比率一直呈上升趨勢;而氧化鋅的添加對對比率影響不大;但是,作為替代部分鈦白粉顏料的硫酸鋇,其微量的使用都會引起塗膜對比率的大幅度降低。


        由表1 可知,硫酸鋇的折光係數較低,對光的散射作用差,添加后嚴重削弱了塗層的不透明度。而且,沉澱硫酸鋇呈無定型粉末狀,表面略帶疏水性,吸油量相對較高,容易使塗膜不均勻,造成對比率下降。由此推斷,選擇吸油量低、折光係數高的氧化鋅和立德粉取代30%的鈦白粉顏料,在基本不影響反射性能的基礎上,同樣可達到一定的遮蓋力。


        2.2.2 不同顏料對塗膜拉伸性能的影響

        拉伸性能按GB/T 16777—1997《建築防水塗料試驗方法》進行測試,結果見圖6、圖7。


        由圖6、圖7 可見,當塗料體系中引入替代顏料后,塗膜的拉伸強度和斷裂延伸率都隨之增大。拉伸強度的大小順序為:硫酸鋇>立德粉>氧化鋅;斷裂延伸率的大小順序為:氧化鋅>立德粉>硫酸鋇。


        由於對塗料中無機相與有機相的作用原理尚不完全清楚,推測可能由於物理化學性質不同的其它顏料加入到塗料體系后,能有效填補原本顏填料粒子間的孔隙,進而與塗料體系中的乳液、分散劑等其它組分間的作用增強,使顏料粒子與基料結合度增強,塗膜的拉伸性能提高,更能抵制外力的拉伸。



        2.2.3 不同顏料對塗膜耐洗刷性的影響

        耐洗刷性能可綜合反映塗膜的耐水性、耐鹼性、硬度、表面光滑程度和對底材的附著力等,是評價塗料優劣的重要指標。輔助顏料種類及用量對塗膜耐洗刷性的影響見圖8。

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        由圖8 可見,與單獨使用TiO2 顏料相比,各白色顏料的混合添加均使塗層的耐洗刷性能有所下降,但添加立德粉下降最不明顯,添加硫酸鋇下降最明顯。這可能是由於立德粉本身疏水耐鹼,硬度低,潤滑性好,且吸油量小;而硫酸鋇粒徑不均且吸油量大,在塗料中難以被完全潤濕,以至分散性差,易團聚,塗膜乾燥成型后表面也無法達到均勻緻密,耐洗刷性能因而也明顯降低。


        2.3 不同顏料對塗層隔熱效果的影響

        在基礎配方中加入10%的空心玻璃微珠和不同折光係數的白色顏料,分別在試板上製成塗膜,在同樣的條件下進行對比試驗,考察試板底面溫度隨時間的變化,結果見圖9。

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        由圖9 可以看出,試板上不同顏料配製的塗層,在紅外燈輻照下,試板溫度不斷上升,當照射60 min 溫度達到穩定時,試板底面的平衡溫度按照硫酸鋇>氧化鋅>立德粉依次降低,含12%的鈦白顏料的試板要比含4%硫酸鋇和8%鈦白粉試板底面的溫度低4 ℃左右,即相同條件下替代顏料的折光係數越高,所配製塗層的表面溫度越低,隔熱效果越好。


        3 結語

        (1)鈦白粉顏料能明顯改善隔熱塗料的反射性能,但添加量並非越高越好,這是因為顏料的過量添加反而會引起塗膜反射率的下降,添加量一般在12%左右時效果較好。

        (2)探討了用沉澱硫酸鋇、氧化鋅和立德粉作為輔助白色顏料,部分替代TiO2 製備反射隔熱塗料塗膜性能的變化。結果表明,當立德粉替代量為鈦白粉的30%時會引起塗膜反射率的下降,一般替代量為12%左右時效果較好,塗層的反射率、對比率、隔熱和耐洗刷等性能與單獨使用鈦白粉顏料的差別不是很大。為了不影響塗料品質,建議優先選用立德粉來替代部分鈦白顏料。


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