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        熱反射隔熱塗料的製備與隔熱性能,系統研究了成膜基料、隔熱顏料、空心玻璃微珠含量、塗層厚度以及耐玷污透明塗層各種因素對熱反射隔熱塗料隔熱效果和隔熱持久性的影響及作用規律
        2020年01月14日    閱讀量:1071    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

        熱反射隔熱塗料是近幾年發展起來的一種新型節能材料[ 1, 2], 它通過有效反射太陽光的能量而降低物體表面對太陽輻射能量的吸收[ 3, 4] , 從而起到隔熱保溫的效果。太陽光熱量中可見光佔43% , 近紅外光佔52% , 紫外光佔5%[ 5], 含有空心玻璃微珠熱反射隔熱塗料對可見光與近紅外熱具有很高的反射率。


        並且具有良好的物理性能, 成本低, 施工方便[ 6~ 8] , 因而, 這種新型塗料的相關研究成為建築節能材料研究的熱點之一[ 9] 中國建材網cnprofit.com


        本文系統研究了成膜基料、顏填料含量、空心玻璃微珠、塗層厚度等因素對熱反射隔熱塗料性能的影響及作用規律, 為熱反射隔熱塗料的研製提供相關依據。


        1 實驗部分

        1. 1 原材料及主要儀器

        乳液: 台湾巴德富實業有限公司; 金紅石型二氧化鈦: 台湾利國偉業超細粉體有限公司; 空心玻璃微珠:台湾外電國際貿易有限公司; 氟硅憎水劑: 台湾成都兆江化工科技有限公司; 自來水、助劑等。

        砂磨分散攪拌多用機: SFJ-400, 台湾佳貝爾儀器有限公司; 線棒塗布器( 100Lm) : 奧斯技貿易有限公司; 掃描電鏡: XL-30, Philips 公司, 荷蘭; 紫外-可見-近紅外分光光度計: CARY5000, Varian 公司, 美國;JC2000A 接觸角測試儀: 台湾中晨公司; 隔熱性能測試裝置: 根據JG/ T235- 20085建築反射隔熱塗料6行業標準中規定的隔熱溫差標準方法進行組裝。


        1. 2 塗料製備

        熱反射隔熱塗料的基本配比如T ab. 1 所示, 採用色漿法將各種顏填料充分混合。在自來水中加入分散劑、潤濕劑、消泡劑及顏填料后高速攪拌, 隨後加入乳液攪拌, 再加入其餘助劑, 1200r/ min 高速攪拌, 最後加入空心玻璃微珠。由於空心微珠容易破碎, 只能對其進行400r/ min 慢速攪拌。

        Tab. 1 Formulation of the Ref lection Insulating Coating

        熱反射隔熱塗料的製備與隔熱性能,系統研究了成膜基料、隔熱顏料、空心玻璃微珠含量、塗層厚度以及耐玷污透明塗層各種因素對熱反射隔熱塗料隔熱效果和隔熱持久性的影響及作用規律 中國建材網,cnprofit.com

        1. 3 塗料的性能檢測

        1. 3. 1 隔熱性能與太陽光反射比及半球發射率的測定: 根據JG/ T235- 20085建築反射隔熱塗料6行業標準進行測試。

        1. 3. 2 可見光反射率測定: 將一束光射向熱反射隔熱塗料的塗膜表面, 收集並檢測被塗膜反射回的可見光各波段內損耗的百分比。損耗掉的百分比即為吸收率a, 則反射率p = 1- a。

        1. 3. 3 塗層接觸角的測試: 將配製好的塗料在25.4mm x 76.2 mm 的載玻片上均勻塗膜, 乾燥, 測試。每個樣品選取5 個不同的點測量, 取其平均值為固體表面的接觸角。

        1. 3. 4 塗層耐玷污性能測試: 根據GB/ T9755- 2001中的方法測試隔熱塗層的耐玷污性。其中有塗耐玷污透明清漆的耐玷污性定義為A , 未塗有耐玷污透明清漆的耐玷污性定義為B, 耐玷污提高率定義為E , 則E = ( B - A ) / B 。


        2 結果與討論

        2. 1 基料的選擇

        用於熱反射隔熱塗料的樹脂要求對可見光和近紅外光吸收率低, 因此樹脂應滿足透明度高, 結構上盡量少含醚基、羰基和羥基等基團。常用的乳液有: 純丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、硅丙乳液、環氧乳液等。在其它實驗條件均相同情況下, 分別選擇不同乳液品種配製固含量為50%的清漆, 將這些清漆分別均勻地塗刷在試片上。


        經過測試, 不同種類清漆塗層間的下表面溫度相差僅1 e 左右, 可見基料樹脂種類的差異對塗料隔熱性能的影響較小。但是丙烯酸酯乳液具有極好的耐水性、耐候性、柔韌性和粘接強度, 所以本文採用水性丙烯酸酯乳液作為成膜物質, 其相關指標如Tab. 2 所示。

        Tab. 2 Performance Index of Acrylic Emulsion


        熱反射隔熱塗料的製備與隔熱性能,系統研究了成膜基料、隔熱顏料、空心玻璃微珠含量、塗層厚度以及耐玷污透明塗層各種因素對熱反射隔熱塗料隔熱效果和隔熱持久性的影響及作用規律 中國建材網,cnprofit.com

        2. 2 二氧化鈦用量的影響

        金紅石型二氧化鈦具有很好的熱力學穩定性與較高的折光係數, 對可見光有強烈的反射作用, 同時還是遮蓋力最強的顏料。本研究以丙烯酸酯乳液為成膜物, 分別加入不同質量分數的金紅石型二氧化鈦製成塗料。用線棒塗布器製備厚度為300Lm 的塗層, 待實幹後進行隔熱性能測試, 測試結果如Fig . 1 所示。可以看出, 隨著二氧化鈦含量的逐漸增加, 塗層隔熱性能逐漸提高, 這是因為塗層白度的增加有助於提高對光線的反射率。


        當二氧化鈦的質量分數達到20% 后塗層白度達到飽和, 塗層下表面溫度降低程度變緩。考慮到經濟因素和塗層綜合的物理性能, 20% 的添加量較為適合。


        2. 3 空心玻璃微珠對隔熱性能和可見光反射率的影響

        空心玻璃微珠的有效成分為硼硅酸鹽, 具有較大的折光指數, 同時由於具有中空結構, 內含惰性氣體,其導熱係數為0.03 W/ ( m•K) ~ 0.05 W/ ( m•K) 。當光線照射到塗膜表面時, 能夠通過空心玻璃微珠表面,並在內壁進行多次反射, 從而提高了塗膜對光的反射效率。本文選用的空心玻璃微珠平均粒徑為30 Lm,粒徑分佈為16 Lm~ 60 Lm, 分別在其質量分數為5%、6%、7%、8% 、9% 、10% 、11% 、12%, 膜厚為300Lm 的情況下, 測定塗膜的隔熱性能和可見光反射率。


        Fig. 1 The Influence of TiO2 Weight Concentration on the Propertiesof Therma-l Insulation

        熱反射隔熱塗料的製備與隔熱性能,系統研究了成膜基料、隔熱顏料、空心玻璃微珠含量、塗層厚度以及耐玷污透明塗層各種因素對熱反射隔熱塗料隔熱效果和隔熱持久性的影響及作用規律 中國建材網,cnprofit.com


        Fig. 2 The Influence of HollowGlass Microspheres Weight Concentrationon the Properties of Therma-l Insulation




        從Fig. 2 可以看出, 當玻璃微珠含量為5%時, 塗層下表面溫度為48.4 ºc , 相比於普通塗料( 54 ºc) 降低了5.6 ºc , 說明當空心玻璃微珠含量較少時已經具備了一定的隔熱效果。增加空心玻璃微珠的含量到8%時, 塗層下表面溫度降低到46.5 ºc。


        繼續增加空心玻璃微珠的含量, 塗層下表面溫度持續下降, 直至增加到11% 時, 達到最低值43ºc 。繼續增加空心玻璃微珠的含量到12%時, 塗層的表面溫度不再有明顯的變化。此種溫度變化趨勢可能是由於空心玻璃微珠在塗料中的分佈情況不同引起的。


        當空心玻璃微珠含量為5% 時, 雖然有一定的反射效果, 但是由於含量較低, 在塗層中排布稀疏( Fig.3a) , 無法形成緻密的反射層, 光線能夠透射穿過塗層直達基底, 因此反射隔熱效果有限。


        隨著空心玻璃微珠含量的增加, 玻璃微珠在膜中的排列逐漸緻密, 光線通過塗層中緻密的空心玻璃微珠層時, 經過多次反射回去, 隔熱效果得到顯著提高。當含量達到11% 時,玻璃微珠在塗層表面的分佈緻密程度達到飽和( Fig.3b) , 此時對太陽光的反射率達到最大。繼續增加玻璃微珠的含量, 只能增加玻璃微珠在塗層中的厚度, 而對塗層表面的分佈不產生影響( Fig . 3c) , 因此塗層的反射隔熱效果沒有產生明顯變化。


        同時粒徑分佈較寬, 大小不一的空心玻璃微珠可以形成互補, 在塗層中形成更為緻密的堆積。Fig. 3b電鏡表徵結果顯示大小不同的玻璃微珠在塗層中交錯排布, 小顆粒有效地填充了大顆粒間的空隙, 使空心玻璃微珠在塗層中緊密堆積, 從而提高了塗層的反射隔熱效果。

        熱反射隔熱塗料的製備與隔熱性能,系統研究了成膜基料、隔熱顏料、空心玻璃微珠含量、塗層厚度以及耐玷污透明塗層各種因素對熱反射隔熱塗料隔熱效果和隔熱持久性的影響及作用規律 中國建材網,cnprofit.com

        Fig. 3 SEM Figure of Coating Surface with Different Quality Score Hollow Glass Microspheres

        ( a) : 5%; ( b) : 11%; ( c) : 12%

        採用紫外-可見-近紅外分光光度計測定含有不同質量分數空心玻璃微珠塗層樣品, 其測定結果見Fig.4 所示。由數據統計可知, 隨著空心玻璃微珠含量的增加, 塗層在可見光波段的反射比也隨著增加。進一步證明了隨著空心玻璃微珠含量的增加, 塗層是逐漸形成更為緻密的反射層, 當含量為12%時可達到92%以上的可見光反射率。空心玻璃微珠含量為11% 的樣品塗層經過測試,太陽光反射比為91% , 半球發射率為86%。

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        Fig. 4 Visibl e Light Reflected of the Surface Coating Composed ofDifferent Content of Hollow Glass Microspheres

        a: 12%; b: 11%; c: 10%; d: 9%; e: 8%; f: 7%; g: 6%;h: 5%


        2. 4 塗層厚度對隔熱性能的影響

        選取空心玻璃微珠含量為11%的樣品, 研究了塗層厚度從0.2 mm 到1.3 mm 的隔熱效果。從Fig . 5中可以看出, 當塗層厚度為0.2 mm 時, 塗層下表面溫度為43.4 ºc , 隨著塗層厚度的增加, 塗層下表面的溫度呈明顯的下降趨勢, 直到厚度增加到1.2 mm 時, 塗層下表面溫度達到最低值39.3ºc 。


        繼續增加塗層厚度, 塗層下表面溫度不再有明顯的變化。此現象說明了塗層厚度對反射隔熱效果有顯著的影響。當塗層較薄時, 光線容易透過塗層, 被底材吸收, 隔熱效果較差。隨著塗層厚度的增加, 透過的光線量也隨之降低, 因此, 反射隔熱效果也隨著增強。當厚度達到一定值時,光線完全不能穿過, 反射隔熱效果達到了最大值。


        熱反射隔熱塗料的製備與隔熱性能,系統研究了成膜基料、隔熱顏料、空心玻璃微珠含量、塗層厚度以及耐玷污透明塗層各種因素對熱反射隔熱塗料隔熱效果和隔熱持久性的影響及作用規律 中國建材網,cnprofit.com

        Fig. 5 The Influence of the Coating Thickness on the Effect ofThermal Insulating

        2. 5 塗層表面耐玷污性對隔熱效果長久性的影響

        塗層在戶外長期使用的過程中, 表面會落滿灰塵,極大地影響熱反射效果。為了保持隔熱的長久性, 塗層表面最好具有自清潔或者耐玷污的特性。在硅含量為8% 的硅丙乳液中加入1% 的氟硅憎水劑配成透明清漆。在熱反射隔熱塗層上塗覆300um 厚的透明清漆。


        經過測試, 該清漆形成的塗層對水的靜態接觸角為109.5b( Fig. 6A) , 說明加入氟硅憎水劑可使塗層具有較低的表面能, 達到較好的疏水功能, 具備了自清潔和耐玷污特性。耐玷污塗層在戶外長久的使用中, 灰塵不易在塗層上粘附, 且經過雨水的沖洗較容易去除灰塵, 能夠較長久地保持熱反射塗層的高太陽光反射比。


        Fig. 6B 為塗有熱反射隔熱塗層的樣板在戶外放置5 個月後經水清洗后的照片。塗有耐玷污塗層的隔熱層( Fig. 6B-a) 比未塗有耐玷污塗層的隔熱層( Fig. 6B-b) 保持了更好的清潔性。塗有耐玷污透明塗層的隔熱塗層經過測試, 其耐玷污提高率E為53. 6%。

        熱反射隔熱塗料的製備與隔熱性能,系統研究了成膜基料、隔熱顏料、空心玻璃微珠含量、塗層厚度以及耐玷污透明塗層各種因素對熱反射隔熱塗料隔熱效果和隔熱持久性的影響及作用規律 中國建材網,cnprofit.com

        Fig. 6 ( A) The Contact Angles of Tap Water on the Coating; ( B)the Photo of Solar Reflective and Insulation Coating, a:Coated with Pol lution Resistant Transparent Coating; b:Uncoated wi th Pollution Resistant Transparent Coating


        3 結論

        綜上所述, 以丙烯酸酯乳液作為熱反射隔熱塗料的成膜物質, 金紅石型二氧化鈦作為顏填料, 空心玻璃微珠( 具有中空結構且折光指數較大) 作為主要隔熱填料並輔助含氟硅的耐玷污透明清漆製得了隔熱性能與抗污性能較好的隔熱產品。本研究所得熱反射隔熱塗料的太陽光反射比為91% , 半球發射率為86% , 均超過了JG/ T 235- 20085建築反射隔熱塗料6行業標準中的技術指標( 80%) , 且具有良好的自清潔性能。


        熱反射隔熱塗料的製備與隔熱性能


        廖翌滏, 曾碧榕, 陳 珉, 林蘇娟, 鄧胡軍, 吳錦添, 許一婷, 戴李宗

        ( 台湾省防火阻燃材料重點實驗室, 台湾省固體表面塗層材料技術開發基地,廈門大學化學化工學院, 廈門大學材料學院, 台湾廈門361005)


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