隔热防水涂料的机理探讨和配方研究

data-full-width-responsive="true"> 隔热防水涂料的机理探讨和配方研究郭声波1 ,石新勇2(1 襄樊学院土木工程系,襄樊441053 ;2 中国建筑材料科学研究院,北京100024)由于日光的照射,建筑物内温度升高,必将增加空调的能耗。防止室内温度升高的途径主要是使室外热量(主要是阳光照射产生的热) 尽可能少地传入,且室内热量尽可能向外散发。近年来,研究通过使用隔热涂料来降低建筑物内温度的方法时有报道[1～4 ] ,但同时具有隔热防水功能的建筑涂料尚未见应用。目前研制的隔热涂料根据隔热机理主要分为3 类:阻隔性隔热涂料、辐射性隔热涂料和反射性隔热涂料。其中研究最多、最有实用价值的还是反射性隔热涂料,该文研究也是采用反射法隔热。1 　试　验1 1 　基料的选择一般情况下,就涂料本身性能而言,防水和隔热总是一对矛盾,防水要求涂层致密,隔热却需要涂层疏松多孔,如何解决这对矛盾,是研究的关键所在。在研究中,防水性能主要由涂料的基料决定,隔热性能主要由涂料的颜、填料决定。首先,为了使颜、填料起到反光作用,基料成膜后必须是无色透明的;同时,作为施工于屋顶和墙面的防水涂膜,必须有极好的耐水性、抗渗性、耐候性、柔韧性和与基层的粘接强度;其次,为了施工方便,希望是单组分的,为了适应环保的趋势,必须是水性的。综合上述条件,采用聚合物乳液为基料,是可以同时满足上述要求的,当然,基料本身也应不含吸热基团。在有关研究中,普遍采用的是丙烯酸酯乳液,为了满足防水涂料对低温柔性、断裂伸长率的要求,该类丙烯酸乳液聚合时所用的丙烯酸乙酯、丁脂类软单体比例较大,也使得其更加昂贵。在研究中,采用较为廉价的丙苯乳液、丁苯胶乳复配的方法来制得满足上述要求的乳液,丁苯胶乳的加入是为了满足防水涂料对断裂伸长率和低温柔性的要求。该研究采用的丁苯胶乳为羧基丁苯乳液,是用丙烯酸改性后的丁苯橡胶乳液, 与苯丙乳液一样, 含有羧基( COOH) 。有观点认为[5 ] 含有COOH官能团的聚合物,与水泥水化产物Ca2 + 发生作用后,能显著提高材料的强度和耐水性以及与混凝土、水泥砂浆基层的粘接力。特制的羧基丁苯乳液结合苯乙烯量较低( 45 %) , Tg 温度较低,成膜后通常表面柔软,甚至发粘,易粘灰且不易自洁,对防水没有影响,对反光却影响很大,为此采用复层结构,即防水层基料采用羧基丁苯与丙苯共混乳液,加入较廉价的填料,涂层厚度可达1～2 mm ,为主涂层;表面层采用Tg 温度较高的丙苯乳液,涂层透明度高、光泽好、易自洁,填料为较昂贵的反光粉,涂层较薄。这种结构既满足了防水与隔热的不同要求,又节约了成本。1 2 　填料的选择在反射性涂料中所用填料多为金属粉末,常用的为铝银粉。铝银粉在油性涂料中可以稳定存在,但在水性涂料中会氧化变黑,失去反光性能。该研究是选用环保的水性乳液作基料,故不能采用铝银粉。通过反复研究与筛选,选用了一种填料,是在微米级的云母粉末表面镀上纳米厚度的高折射率金属氧化物而成,在乳液中分散性、悬浮性极好,能稳定存在,在可见光和近红外区有极强的反射率,称之为反光粉。表面层涂料的填料仅为不同粒径的反光粉(10～300m) ,细粒径的反光粉遮盖力强,粗粒径的反射率高,通过实验选择合理的级配,可以得到最佳的反光隔热效果。在防水主涂层中加入的颜、填料分别为钛白粉和滑石粉、轻质碳酸钙。外加剂主要有分散剂、消泡剂、增稠剂和成膜助剂、防腐剂等。1 3 　涂料的制备1) 配方设计　首先是确定颜料体积浓度(PVC) ,就主涂层而言,由于需要较高的膜层延伸率,其PVC 应小于40 % ;表面层仅加入反光粉,其PVC 就更小。由PVC 可以得到涂料的颜基比,根据颜填料用量可确定分散剂用量,根据基料用量可确定增稠剂用量等。以此为基础,经过反复试验各组分加入量对防水、隔热性能的影响,选出配方,见表1 。2) 涂料配制　乳液最好不要参与研磨过程,所以对主涂层采用色浆法配制。即将颜填料、外加剂和水预混后,研磨成颜料浆,然后与乳液一起加入搅浆机中混合均匀,经调粘度、过滤后成为涂料。表面层要求更高,反光粉不仅不能研磨,最好也不要高速搅拌,只需经水、分散剂浸透、润湿以后,加入乳液中搅匀。1 4 　检测方法对于防水层,按照中华人民共和国建材行业标准JC/ T864 2000《聚合物乳液建筑防水涂料》检测。对于表面反光层,没有相应标准测量其隔热性能,一般采用2 种方法:一是测定涂层的反射光谱,观察其在太阳辐射光谱区域是否有高的反射率;二是直接测定、比较阳光辐射下(或红外灯照射下) ,反光涂层和其它涂层下的温度。相比之下,直接法更有说服力,也容易实现,具体制法如下:选用3 块400 mm 400 mm 20 mm的轻质硅酸钙板(或PS 泡沫板) ,在其中2 块上分别开4 个110 mm 和125 mm 见方的孔,3 层重叠,用乳胶粘贴,如图1 所示。有资料介绍[4 ] ,使用金红石型钛白粉等高折射率的白色颜料做热反射涂料的填料;也有用Fe2O3 、MnO2等高热发射率氧化物做红外辐射涂料的主要组成[6 ] ,加上习惯上常用铝银粉涂料做热反射涂层,所以选用(配制) 了如下涂料作为实验样品,对比其反射隔热效果:1)反光涂料,即研究的面层涂料;2) 白色隔热涂料(以苯丙乳液为主要成膜物质,金红石型钛白粉为主要颜填料) ;3) 氧化锰辐射涂料(以苯丙乳液为主要成膜物质,二氧化锰为主要颜填料) ;4) 氧化铁辐射涂料(以苯丙乳液为主要成膜物质,三氧化二铁为主要颜填料) ;5) 铝银粉涂料;6) 市售红外辐射涂料;7) 黑色沥青基防水涂料。用125 mm 125 mm 的陶瓷素坯作为样品基材,每块瓷板上先涂上1 mm 厚的防水层(研究的主涂层) ,然后分别涂上上述涂料,涂层实干后用上述装置测试样品在红外灯下和阳光下的隔热效果。2 　检测结果与讨论　注:按照行业标准JC/ T864 2000 检测。由表2 可以看出,采用羧基丁苯和丙苯的复配乳液为基料制得的聚合物乳液防水涂料,除固含量外,各项性能指标均满足国家行业标准。由表3 、表4 可见:1) 锰、铁的氧化物涂料和市售红外涂料,在作为高温发热元件和工业窑炉的红外发射涂层时,可以提高发热效率,但用于建筑物时,由于其在太阳光辐射波段也有较高的吸收率(发射率) ,所以,在阳光下没有隔热效果,只能增加吸热。2) 高折射率的白色颜、填料具有较好的隔热效果,比通常作为反射隔热涂层的铝银粉涂料的隔热效果要好得多,这是以前没有料到的。3) 研究的面层(反光层) 具有最好的反射隔热效果,在红外灯下,同样的照射时间,比铝银粉涂料温度低9～12 ℃,比沥青基防水涂料低40 ℃;在日光下,比铝银粉涂料温度低5～6 ℃,比沥青基防水涂料低12 ℃。　注:在参照样品达到同一温度,且10 min 内不变化时测得。3 　结　语反光隔热防水涂料,由主涂层(防水层) 和表面层(反光层) 组成,前者属于聚合物乳液防水涂料,技术成熟、产品较多,本试验的配方在满足行业标准JC/ T864 2000 的同时,具有与基层和表面层结合牢固、延伸率大且成本低的优点;后者属于丙烯酸乳液的特种涂料,表面光泽度高,耐候性、耐污性好,且具有良好的反射隔热效果。