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        建築環保節能塗料及玻璃透明隔熱塗料的研製,建築隔熱塗料施塗於建築物表面可有效地降低建築物表面及內部的溫度
        2020年01月14日    閱讀量:29413    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

        1 緒 論

        隨著科學技術與社會生產的快速發展,能源和環境成為全社會日益矚目的兩大問題,從而為節能和環保提出更高的要求。世界能源需求量以每年2%增長,而這些能源大約有30%能耗在建築物上。


        高性能的環保型建築節能材料將成為解決建築保溫節能的突破口,建築節能材料中建築節能保溫塗料因經濟、使用方便、環保和節能效果好等優點而越來越受到人們的青睞,發展前景光明,將有望促進塗料市場和節能保溫材料應用領域的拓展中國建材網cnprofit.com


        建築節能保溫塗料技術的發展由以前的單一的、局部的、側重某一方面的保溫向一體化方向發展。基於這個發展趨勢,同時對牆體、屋頂和門窗玻璃進行節能保溫塗料的研究,力求使建築節能保溫效果達到最佳。


        為適應建築熱環境改善的需要,我國的建築能耗必將呈激增趨勢。如果高能耗建築繼續大量興建,建築能耗急劇增加,那麼不但會給我國能源供應帶來巨大壓力,而且會造成嚴重的環境污染,從而制約我國經濟的持續發展,這與我國實施的可持續發展戰略是背道而馳的。


        在建築節能已成為世界性的大潮流的今天,在我國積極推進建築節能,降低建築能耗,有助於合理利用能源、改善生態環境和生存環境,具有異常重要的經濟意義和社會意義。


        2 建築隔熱塗料的分類和原理

        建築隔熱塗料根據隔熱機理和隔熱方式的不同被分為阻隔型隔熱塗料、反射型隔熱塗料和輻射型隔熱塗料三類。這三類塗料的隔熱機理不同,應用場合和所得到的效果也各不相同。一種隔熱效果良好的塗料往往是兩種或多種隔熱機理同時起作用的結果。因而,研製出多種隔熱機理綜合起作用的複合型隔熱塗料將代表未來隔熱塗料的發展趨勢。


        2.1 阻隔型隔熱塗料

        隔熱機理:阻隔型隔熱塗料是通過對熱傳遞的顯著阻抗性實現隔熱的塗料。熱傳遞是通過對流、輻射及分子振動熱傳導三種途徑來實現的。材料導熱係數的大小是材料隔熱性能的決定因素,導熱係數越小,隔熱性能就越好。這種類型的塗料通常以表現密度小、內部結構疏鬆、氣孔率高以及含水率小的材料作為輕骨料。依靠粘結劑的作用使其結合在一起,直接塗抹於設備或者牆體的表面達到隔熱的效果。


        優缺點:阻隔型隔熱塗料原材料很容易得到,生產設備簡單,投入少產出大;施工方便。其缺點是對降低對流和輻射傳熱效果差且保溫層較厚,吸水率高,不抗振動,使用壽命短,而且為了形成一個穩定的保溫體系,還需要另外設防水層以及外護層。


        2.2 反射型隔熱塗料

        隔熱機理:通常,太陽的輻射光譜分為三個光譜區: 紫外區0.2~0.4μm, 占太陽能量的5%; 可見光區0.4~0.72μm, 占太陽能量的45%; 近紅外區0.72~2.5μm, 占太陽能量的50%。由此可以看出,太陽能量主要集中在波長在0.4~1.8μm 的可見光和紅外光區。因此,需要研製的反射型隔熱性隔熱塗料在此波長範圍內對太陽輻射的反射率越高,塗層的隔熱效果就會越好。反射型隔熱塗料就是通過選擇合適的樹脂、金屬或金屬氧化物顏料、填料及生產工藝,製得高反射率的塗層來反射太陽熱,從而達到隔熱降溫的目的。

        優缺點:反射型隔熱塗料與各種基材附著力好,與底漆中間漆具有良好的親容性,耐候性強,一般使用的溶劑無刺激性氣味,大大減少了施工對環境的影響,且隔熱效果較阻隔型隔熱塗料明顯。其現實存在的問題是大多反射型隔熱塗料是溶劑體系,而當前建築塗料中廣泛使用的是水性塗料,因此,如何製得具有廣泛應用前景的水性反射型隔熱塗料是廣大塗料工作者新的研究課題。


        2.3 輻射型隔熱塗料

        隔熱機理:通過輻射的形勢把建築物吸收的日照光線和熱量以一定的波長發射到空氣中,從而達到良好的隔熱降溫效果,這種塗料稱為輻射隔熱塗料。由於塗料表層下面大多數為不透明的水泥層、鋼鐵層等不透明物質,因此,可以近似認為其透過率r=0,由此,上式又可簡化為:ρ(λ)+α(λ)= 1,其中ρ(λ) 和α(λ) 均隨波長變化而變化。輻射型塗料的主要特性是希望其在可見光和近紅外光範圍內反射率儘可能地高;而在8 ~13.5μm 波段內,其發射率( 等同於吸收率) 即ε(λ)=α(λ) 也儘可能高。


        太陽的輻射能中0.3 ~ 2.5μm 處的能量占絕大部分,把這部分能量反射回大氣是該塗料的一個主要功能。然而在8 ~ 13.5μm 波段範圍內,太陽輻射能和大氣輻射能遠低於地面向外層空間的輻射能,因此在此波段內,如果塗料的吸收率即發射率儘可能高,這樣就能儘可能多地把塗層和下層的水泥層中吸收到的太陽能中的紫外光能和可見光及近紅外光能轉為熱能,以紅外輻射的方式在此波段內穿過大氣紅外窗口,高效地發射到大氣外層的絕對零度區,從而達到隔熱的目的。


        輻射型隔熱塗料的優缺點:輻射型隔熱塗料不同於阻隔型隔熱塗料和反射型隔熱塗料,因為後兩者只能減緩但不能阻擋熱量的傳遞。當熱量緩慢地通過隔熱層和反射層后,內部空間的溫度緩慢地升高,此時,即使塗層外部溫度降低,熱能也只能困陷其中。


        而輻射型隔熱塗料卻能夠以熱發射的形式將吸收的熱量輻射掉,從而促使室內與室外以同樣的速率降溫。但是輻射型隔熱塗料原材料的選取和燒結工藝比較複雜,要想達到穩定的發射率還需進一步地深入研究。


        2.4 複合型隔熱塗料

        上述3 種隔熱塗料各有其優缺點,因此可以考慮將它們綜合起來,充分發揮各自的特點,揚長避短,研製出多種隔熱機理綜合起作用的複合型隔熱塗料。綜合利用上述三種原理製成了具有高輻射率的薄層隔熱保溫塗料。該塗料以液態塗料方式存在,乾燥后的塗層熱阻較大,特別是熱反射率高,可有效地降低輻射傳熱、施工方便、塗層薄、無接縫、附著力好,並且集防水隔熱保護於一體。由此可見,高效隔熱、塗膜機械及化學性能優良的複合型隔熱塗料代表了未來建築隔熱塗料的發展趨勢。


        3 玻璃用透明隔熱塗料的研製

        3.1ATO 粉體玻璃透明隔熱塗料簡介

        銻摻雜二氧化錫納米粉末具有優良的電學性能和光學性能,作為透明導電氧化物被廣泛用於製作場致發光器件、太陽能電池、電極材料、智能窗和建築用低輻射率玻璃等。


        目前,合成ATO納米粉末的原料主要採用的是錫和銻的氯化物體系,合成方法主要有固相合成法、化學共沉澱法、水熱法以及凝膠溶膠法。固相法合成溫度高,粉體摻雜不均勻,粒度大並且容易引入雜質;研究得最多的製備方法是化學共沉澱法,即以SnCl4/SnCl2 和SbCl5/SbCl3 為原料, 用NaOH 或者氨水作為沉澱劑,採用均相或者非均相化學共沉積法製備前驅體,經過高溫煅燒得到ATO 粉體。溶膠凝膠法由於要採用金屬的有機醇鹽為原料。


        而水熱法製備納米粉體具有高純、超細、流動性好、顆粒粒度分佈窄、顆粒團聚輕、晶體發育完整,工藝相對簡單以及燒結活性好,水熱后直接得到產品,不再需要後期的高溫熱處理,從而避免了高溫煅燒過程產生硬團聚、晶粒長大以及混入雜質的可能等等優點。


        目前製作透明隔熱玻璃最常用的方法是在玻璃表面鍍膜或貼膜,但由於生產成本較高,難以廣泛應用。在製作隔熱膜時一般採用高純氧化錫銻(ATO) 納米複合粉末製成ATO 靶材,然後在基體上成膜。ATO 粉體具有優良的光電性能,在紅外區的反射率達80%。


        採用ATO 粉體製成透明隔熱塗料,用於玻璃等基材,將有良好的市場前景和推廣價值。本課題通過製備改性ATO 粉體,意欲解決ATO 粉體在樹酯中的分散問題,針對水性體系中塗料與玻璃表面的粘結問題、表干實幹時間較長、不易大規模生產等問題,結合光固化塗料的優勢,開發了光固化透明隔熱塗料。



        3.2 改性ATO 粉體塗料的製備

        將一定濃度的分散劑的水溶液採用共滴加的辦法在攪拌同時加入一定濃度的混合均勻的SnCl4.5H2O 和SbCl3 的水溶液和氨水。控制反應液的pH 為2~3,滴加完后保持pH 在3,繼續攪拌反應1 h,得到一白色膠體溶液。將此白色膠體溶液進行抽濾,然後用去離子水洗滌。重複多次,直至徹底除盡所含有的Cl-,最後用無水乙醇進行洗滌脫水,最後得到淡黃色沉澱。

        SnCl4.5H2O 和SbCl3 的水解反應總反應式如下:

        SnCl4+n H2O

        =Sn(OH)nCl4 - n ↓ +n HCl(n=1,2,3,4)(2-1)

        SbCl3+mH2O

        =Sb(OH)mCl3 - m ↓ +mHCl(m=1,2,3)(2-2)

        用均質攪拌分散機按配方將ATO 分散於活性稀釋劑及適量甲苯的混合溶液中,在轉速為500r/min 條件下分散30min 后,與樹脂混合併加入各種助劑,繼續攪拌20min 直至粒子在體系中均勻分散,即製得塗料。使用塗膜製備器(30μm) 進行塗膜,然後在UV 光下固化。


        3.3 透明隔熱塗膜的性質以及生產中的要點

        (1)XRD 譜圖可知煅燒溫度會對粉體的粒徑產生影響,粒徑及比表面積的大小對粉體的隔熱性能有直接影響,可以通過控制煅燒溫度來控制粒徑進而達到較好的效果。

        (2)用大分子做粉體製備時的分散劑得到的粉體性能較好,這是因為大分子分散劑能夠較好的防止粉體在製備過程中的團聚。

        (3)煅燒溫度對粉體的粒徑有很大的影響,隨煅燒溫度的升高粉體的粒徑也隨之增大。本文發現600℃煅燒時得到的粉體製成的塗料隔熱性能最好,相比其他溫度得到的粉體粒徑較為適中。溫度較高(800℃)和較低(400℃)時得到的塗料的性能相對較差。

        (4)隨改性ATO 含量的增加塗層的隔熱性能增加,但綜合性能和價格因素,宜控制在3%~ 4%左右。

        (5)隨塗膜的厚度的增加塗層的隔熱性能增加,但由於試驗條件限制塗膜均勻性及厚度測量方面還存在一些問題,所以本實驗沒能得到定量關係式。

        (6)塗料具有良好的綜合力學性能。


        4 結論與展望

        針對現今建築隔熱塗料應用等過程中出現的問題,以及建築節能的嚴格要求,本課題介紹了建築節能環保塗料,研究了用於玻璃的透明隔熱塗料,實現建築節能向一體化方向發展。


        雖然我國使用的建築塗料目前還以中低檔為主且小型塗料廠產品的比例更大,但是我們應該相信,由於建築塗料固有的優勢,建築塗料的研究者、生產者和使用者的不斷努力以及科學技術的進步的必然趨勢,建築塗料行業將會越來越充滿生機與活力,對國民經濟的發展和美化人民生活環境的貢獻也將越大。


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