低碳經(jīng)濟與建筑防水_專題系列報道之二外墻反射隔熱防水涂料的研制.doc

外墻反射隔熱防水涂料的研制前言 國外的建筑保溫與隔熱始于20世紀(jì)70年代初的世界性能源危機。如今，為了節(jié)約能源，采用絕熱材料達到節(jié)能目的已成為各國普遍采用的重要手段建筑能耗在整個能源消耗中所占比例一般在3040，且其絕大多數(shù)是取暖和降溫的能耗。節(jié)約能源降低能耗、提高經(jīng)濟效益是科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的基本目標(biāo)之一，涂料也不例外1。通過研究，在原有的裝飾、保護、防腐防水等功能的基礎(chǔ)上，使涂層具有保溫功能，例如，在外墻涂上保溫隔熱涂料可以保持室內(nèi)溫度恒定，增大室內(nèi)外的溫差，在夏季減少降溫能耗在冬季降低取暖費用。目前，保溫技術(shù)向高效、薄層、隔熱、防水、外護一體化方向發(fā)展，如何充分利用傳熱機理研制新型節(jié)能材料是主要發(fā)展方向2-3。熱傳遞是通過對流、輻射及分子振動熱傳導(dǎo)三種途徑實現(xiàn)的，要獲得良好的隔熱保溫效果，涂料設(shè)計需要從以下三個方面切斷熱傳遞的途經(jīng)：1）分子振動熱傳導(dǎo)主要是通過固體物質(zhì)進行，固體物質(zhì)熱導(dǎo)率越大，熱傳導(dǎo)就進行得越充分，所以，隔熱涂料選用的材料要有較小的熱導(dǎo)，在保持足夠力學(xué)強度的前提下，體積密度越小越理想；2）熱對流通過空氣的流動來進行，隔熱層中不能有較大的能使空氣發(fā)生對流的空隙，必須將空氣對流減弱到極限；3）熱輻射的傳遞不需要介質(zhì)，可以通過材料的表面反射、散射和發(fā)射來降低熱輻射的強度。一種隔熱保溫效果良好的涂料，往往是多種隔熱機理協(xié)同作用的結(jié)果4。同時，外墻涂料長期暴露于戶外，受到風(fēng)吹、雨淋和日曬，經(jīng)過一段時間后，飾面的外觀會發(fā)生粉化、變色、褪色、失光等現(xiàn)象。對高性能外墻涂料的耐候保色要求一般是810年以上，因此，在配制高性能外墻涂料時應(yīng)選擇耐候性優(yōu)異的乳液作為基料?；谝陨峡紤]，我們研制了外墻反射隔熱防水涂料。1實驗1.1原材料外墻反射隔熱防水涂料基料選擇德國巴斯夫生產(chǎn)的丙烯酸乳液，顏填料有超細空心微珠、金紅石型鈦白粉、沉淀硫酸鋇和滑石粉等，助劑主要有潤濕分散劑、消泡劑、增塑劑和成膜助劑等。1.2涂料制備按表1配方稱取各種物料，按圖1工藝在低速攪拌下依次加入蒸餾水、潤濕分散劑、適量消泡劑和成膜助劑等充分混合均勻，然后添加鈦白粉等顏填料，高速攪拌30 min，使粉體粒子在高剪切速率作用下，分散成原級粒子，并達到分散穩(wěn)定狀態(tài)。接著將調(diào)制好的顏填料色漿緩慢加入到乳液中，再低速攪拌3040 min。為避免過高的轉(zhuǎn)速破壞微珠的空心結(jié)構(gòu)，使其失去隔熱反射能力，空心玻璃微珠最后在低速狀態(tài)下加入到分散液中，攪拌過程中滴加剩余消泡劑，并調(diào)到合適的黏度，過濾、出料。1.3試驗儀器SDF-400型調(diào)速分散研磨機；PHD-200型酸度計；C84-III反射率測定儀；NZW型涂層耐沾污性沖洗裝置；DXLL-10000電子拉力機。隔熱溫差檢測裝置如圖2所示，其中測溫箱是由導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.030 W（/mK）的3 cm厚XPS板構(gòu)成的五面體，內(nèi)腔尺寸為30 cm30 cm30 cm；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。2結(jié)果和討論隔熱涂料主要由成膜物質(zhì)、水、功能性顏填料和助劑組成5。在涂料制備過程中，由于空心微珠粒小質(zhì)輕的特殊性，使得添加微珠后的涂料不易分散，影響涂膜的均一性，且涂膜中空心介質(zhì)的存在也大大降低了涂層整體的力學(xué)性能。因此，在保證隔熱效果的前提下，設(shè)計調(diào)配出具有優(yōu)良耐候性和流平性的涂料成為研究的重點。2.1成膜基料成膜物質(zhì)是涂料中最重要的組成部分，對涂膜性能起主導(dǎo)作用，直接關(guān)系到涂料的質(zhì)量。根據(jù)室外氣候多變、溫差大的特點，必須選擇耐候性好、耐水性強又有較高粘結(jié)力和彈性的材料，并且與保溫填料及反射填料的相容性要好。用于研制太陽反射涂料的成膜物質(zhì)一般選擇透明度高、不含吸熱基團、對可見光和近紅外光吸收較少的丙烯酸類樹脂6。通過對常用樹脂的紫外可見近紅外光平均反射率的分析比較，余麗蓉等7發(fā)現(xiàn)丙烯酸乳液中的純丙和硅丙更適宜做成膜基料。其中，純丙樹脂具有良好的耐候性和保光性，并且可以常溫自干，但由于受其本身的熱塑性所限，線性分子上又缺少交聯(lián)點，難以形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而耐溫性差，易高溫回粘，降低涂膜的耐沾污性及抗積塵性。而硅丙乳液，由于引入了無機硅氧結(jié)構(gòu)，大大改進了涂料的性能。有機硅樹脂主鏈為SiO鍵鍵能為452 kJ/mol，而一般乳膠漆分子主鏈為C鍵，鍵能為356 kJ/mol，因此，有機硅改性樹脂能有效抵御紫外線對涂膜的光氧化降解，具有令人滿意的耐久性。而且，有機硅樹脂中分子對稱性高，極性相互抵消，整個分子呈非極性，從而具有很低的表面張力和優(yōu)良的斥水性能。這樣一方面能對建筑物起到有效的保護，另一方面又能提高涂膜的耐沾污性。因此本試驗選用純丙乳液和硅丙乳液混拼來實現(xiàn)涂膜彈性和耐污染性之間的平衡。顯示了乳液總量一定的情況下，組成乳液的純丙和硅丙比例不同所引起的涂膜力學(xué)性能的變化如圖3所示，隨著純丙含量相對硅丙含量的逐漸升高涂層的拉伸強度明顯降低，而斷裂延伸率則大大增強?？梢?，涂料的延伸性主要取決于高彈性乳液的摻2.2顏填料顏料的主要作用就是使涂膜具有一定的遮蓋力和呈現(xiàn)不同的色彩，因此要使涂膜具有優(yōu)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(wěn)定性等。耐候性優(yōu)異的白色顏料不僅自身的顏色始終如一，而且能吸收大量紫外線，減輕紫外線對基料的破壞，提高涂膜的耐候保色性。白色顏料中應(yīng)用最廣、效果最好的是金紅石型鈦白粉。保溫填料是影響薄層保溫涂料隔熱性能的關(guān)鍵，保溫填料的中空程度影響到涂料的密度及熱阻。為了使涂料具有優(yōu)越的保溫隔熱性能，必須選擇質(zhì)輕中空、耐高溫、熱阻大的填料?？招牟Ａ⒅橐卜Q涂料用多功能空心添加劑，其顆粒呈圓形或近圓形，表面光滑堅硬、結(jié)構(gòu)致密，內(nèi)部空心，密度低、導(dǎo)熱系數(shù)小，對各種液體介質(zhì)幾乎不吸收，能夠很好地反射光、熱等入射波8，適合作為反射填料，與成膜基料一起構(gòu)成絕熱層，有效隔斷熱量的傳遞。圖4考察了在基料組成一定的情況下，空心玻璃微珠的添加對涂膜力學(xué)性能的影響?？梢钥闯?，當(dāng)空心微珠用量開始增加時，涂膜拉伸強度和斷裂延伸率隨之升高；超細玻璃粉體有較好的填充效果，能有效消除涂料中的微氣孔缺陷，提高涂膜的致密性。然而，隨著空心微珠用量的進一步增加，涂料的物理力學(xué)性能在達到峰值后呈明顯的下降趨勢。這是因為粉狀填料此時改善涂膜微氣孔缺陷的作用已不再明顯，反而增加了涂料的黏度，不利于泡沫的消除，而且固化后大量空心腔體的存在也加劇了力學(xué)性能的損失，以至影響到涂膜的整體性能。2.3助劑為改善涂料的相關(guān)性能，需對涂料的成膜助劑、增稠劑、分散劑、防霉劑、消泡劑、阻燃劑等多種助劑的用量及添加順序進行篩選研究。助劑的選擇，主要應(yīng)考慮對涂料及涂層相關(guān)性能的改善作用，如采用有機硅來提高涂層的耐水、耐污及耐溫性能；用成膜助劑來改善涂層的流平性、施工性與降低成膜溫度。其中，高耐污染性是外墻涂料十分重要的性能指標(biāo)，對反射隔熱涂料尤為重要，直接關(guān)系到反射性能的發(fā)揮。外墻反射隔熱防水涂料發(fā)展緩慢，一個重要的原因就是涂層的耐沾污性不理想，效果不持久。高性能外墻涂料需要解決的一個重要問題就是設(shè)法提高涂層的耐沾污性，使涂層對污染介質(zhì)有抵御能力。耐沾污劑的作用機理是在涂料固化成膜過程中，耐沾污粒子充當(dāng)交聯(lián)點，把線型的有機高分子交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效改善漆膜的致密性，降低涂膜的孔隙尺寸，防止灰塵的吸入和外界水分的侵入，從而改善外墻涂料的耐沾污性。從圖5可以看出，納米型耐沾污劑摻量在1.7%之前都有較為顯著的改性效果，摻量進一步增加，效果變得不再明顯。2.4涂料性能 （）供稿根據(jù)GB/T 97552001合成樹脂乳液外墻涂料和JC/T 2352008建筑反射隔熱涂料“WQ型”要求對產(chǎn)品進行性能測試，結(jié)果見表2。3結(jié)語1）乳液的性能是影響拉伸強度和斷裂延伸率的關(guān)鍵,是外墻涂料耐候性的基礎(chǔ)。為取得彈性、強度、耐沾污性以及保溫隔熱性能的平衡，涂料在設(shè)計配方時要合理選擇基料及其配比。2）涂料的隔熱性能主要由空心玻璃微珠的添加量決定，空心微珠的添加量對涂膜的拉伸強度和斷裂延伸率都有一定程度的影響?？招奈⒅榕c二氧化鈦混合使用可達到良好的反射隔熱效果。3）涂料制備中應(yīng)該選擇合適的基料、顏填料和助劑的配比，使涂膜性能滿足不同的使用要求。4）經(jīng)測試，所研制的外墻反射隔熱防水涂料產(chǎn)品滿足GB/T 97552001合成樹脂乳液外墻涂料“優(yōu)等品”要求