外墙反射隔热防水涂料的研制

data-full-width-responsive="true"> 0 前言国外的建筑保温与隔热始于20 世纪70 年代初的世界性能源危机。如今，为了节约能源，采用绝热材料达到节能目的已成为各国普遍采用的重要手段。建筑能耗在整个能源消耗中所占比例一般在30％～40％，且其绝大多数是取暖和降温的能耗。节约能源、降低能耗、提高经济效益是科学研究和技术开发的基本目标之一，涂料也不例外[1]。通过研究，在原有的装饰、保护、防腐防水等功能的基础上，使涂层具有保温功能，例如，在外墙涂上保温隔热涂料可以保持室内温度恒定，增大室内外的温差，在夏季减少降温能耗，在冬季降低取暖费用。目前，保温技术向高效、薄层、隔热、防水、外护一体化方向发展，如何充分利用传热机理研制新型节能材料是主要发展方向[2-3]。热传递是通过对流、辐射及分子振动热传导三种途径实现的，要获得良好的隔热保温效果，涂料设计需要从以下三个方面切断热传递的途经：1） 分子振动热传导主要是通过固体物质进行，固体物质热导率越大，热传导就进行得越充分，所以，隔热涂料选用的材料要有较小的热导，在保持足够力学强度的前提下，体积密度越小越理想；2）热对流通过空气的流动来进行，隔热层中不能有较大的能使空气发生对流的空隙，必须将空气对流减弱到极限；3）热辐射的传递不需要介质，可以通过材料的表面反射、散射和发射来降低热辐射的强度。一种隔热保温效果良好的涂料，往往是多种隔热机理协同作用的结果[4]。同时，外墙涂料长期暴露于户外，受到风吹、雨淋和日晒，经过一段时间后，饰面的外观会发生粉化、变色、褪色、失光等现象。对高性能外墙涂料的耐候保色要求一般是8～10 年以上，因此，在配制高性能外墙涂料时应选择耐候性优异的乳液作为基料。基于以上考虑，我们研制了外墙反射隔热防水涂料。1 实验11 原材料外墙反射隔热防水涂料基料选择德国巴斯夫生产的丙烯酸乳液，颜填料有超细空心微珠、金红石型钛白粉、沉淀硫酸钡和滑石粉等，助剂主要有润湿分散剂、消泡剂、增塑剂和成膜助剂等。12 涂料制备按表1 配方称取各种物料，按图1 工艺在低速搅拌下依次加入蒸馏水、润湿分散剂、适量消泡剂和成膜助剂等充分混合均匀，然后添加钛白粉等颜填料，高速搅拌30 min，使粉体粒子在高剪切速率作用下，分散成原级粒子，并达到分散稳定状态。接着将调制好的颜填料色浆缓慢加入到乳液中，再低速搅拌30～40 min。为避免过高的转速破坏微珠的空心结构，使其失去隔热反射能力，空心玻璃微珠最后在低速状态下加入到分散液中，搅拌过程中滴加剩余消泡剂，并调到合适的黏度，过滤、出料。13 试验仪器SDF-400 型调速分散研磨机；PHD-200 型酸度计；C84-III 反射率测定仪；NZW 型涂层耐沾污性冲洗装置；DXLL-10000 电子拉力机。隔热温差检测装置如图2 所示，其中测温箱是由导热系数不大于0030 W/（mK） 的3 cm 厚XPS 板构成的五面体，内腔尺寸为30 cm30 cm30 cm；测温仪测量精度为01 ℃；加热灯为全辐射通量135 W的红外灯。2 结果和讨论隔热涂料主要由成膜物质、水、功能性颜填料和助剂组成[5]。在涂料制备过程中，由于空心微珠粒小质轻的特殊性，使得添加微珠后的涂料不易分散，影响涂膜的均一性，且涂膜中空心介质的存在也大大降低了涂层整体的力学性能。因此，在保证隔热效果的前提下，设计调配出具有优良耐候性和流平性的涂料成为研究的重点。21 成膜基料成膜物质是涂料中最重要的组成部分，对涂膜性能起主导作用，直接关系到涂料的质量。根据室外气候多变、温差大的特点，必须选择耐候性好、耐水性强又有较高粘结力和弹性的材料，并且与保温填料及反射填料的相容性要好。用于研制太阳反射涂料的成膜物质一般选择透明度高、不含吸热基团、对可见光和近红外光吸收较少的丙烯酸类树脂[6]。通过对常用树脂的紫外可见近红外光平均反射率的分析比较，余丽蓉等[7]发现丙烯酸乳液中的纯丙和硅丙更适宜做成膜基料。其中，纯丙树脂具有良好的耐候性和保光性，并且可以常温自干，但由于受其本身的热塑性所限，线性分子上又缺少交联点，难以形成三维网状结构，因而耐温性差，易高温回粘，降低涂膜的耐沾污性及抗积尘性。而硅丙乳液，由于引入了无机硅氧结构，大大改进了涂料的性能。有机硅树脂主链为SiO 键，键能为452 kJ/mol，而一般乳胶漆分子主链为CC键，键能为356 kJ/mol，因此，有机硅改性树脂能有效抵御紫外线对涂膜的光氧化降解，具有令人满意的耐久性。而且，有机硅树脂中分子对称性高，极性相互抵消，整个分子呈非极性，从而具有很低的表面张力和优良的斥水性能。这样一方面能对建筑物起到有效的保护，另一方面又能提高涂膜的耐沾污性。因此，本试验选用纯丙乳液和硅丙乳液混拼来实现涂膜弹性和耐污染性之间的平衡。图3 显示了乳液总量一定的情况下，组成乳液的纯丙和硅丙比例不同所引起的涂膜力学性能的变化。如图所示，随着纯丙含量相对硅丙含量的逐渐升高，涂层的拉伸强度明显降低，而断裂延伸率则大大增强。可见，涂料的延伸性主要取决于高弹性乳液的掺量。22 颜填料颜料的主要作用就是使涂膜具有一定的遮盖力和呈现不同的色彩，因此要使涂膜具有优异的耐候性，颜料就需具有较好的遮盖力和着色力、较高的分散度、鲜明的色彩以及对光的稳定性等。耐候性优异的白色颜料不仅自身的颜色始终如一，而且能吸收大量紫外线，减轻紫外线对基料的破坏，提高涂膜的耐候保色性。白色颜料中应用最广、效果最好的是金红石型钛白粉。保温填料是影响薄层保温涂料隔热性能的关键，保温填料的中空程度影响到涂料的密度及热阻。为了使涂料具有优越的保温隔热性能，必须选择质轻中空、耐高温、热阻大的填料。空心玻璃微珠也称涂料用多功能空心添加剂，其颗粒呈圆形或近圆形，表面光滑坚硬、结构致密，内部空心，密度低、导热系数小，对各种液体介质几乎不吸收，能够很好地反射光、热等入射波[8]，适合作为反射填料，与成膜基料一起构成绝热层，有效隔断热量的传递。图4 考察了在基料组成一定的情况下，空心玻璃微珠的添加对涂膜力学性能的影响。可以看出，当空心微珠用量开始增加时，涂膜拉伸强度和断裂延伸率随之升高；超细玻璃粉体有较好的填充效果，能有效消除涂料中的微气孔缺陷，提高涂膜的致密性。然而，随着空心微珠用量的进一步增加，涂料的物理力学性能在达到峰值后呈明显的下降趋势。这是因为粉状填料此时改善涂膜微气孔缺陷的作用已不再明显，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体的存在也加剧了力学性能的损失，以至影响到涂膜的整体性能。23 助剂为改善涂料的相关性能，需对涂料的成膜助剂、增稠剂、分散剂、防霉剂、消泡剂、阻燃剂等多种助剂的用量及添加顺序进行筛选研究。助剂的选择，主要应考虑对涂料及涂层相关性能的改善作用，如采用有机硅来提高涂层的耐水、耐污及耐温性能；用成膜助剂来改善涂层的流平性、施工性与降低成膜温度。其中，高耐污染性是外墙涂料十分重要的性能指标，对反射隔热涂料尤为重要，直接关系到反射性能的发挥。外墙反射隔热防水涂料发展缓慢，一个重要的原因就是涂层的耐沾污性不理想，效果不持久。高性能外墙涂料需要解决的一个重要问题就是设法提高涂层的耐沾污性，使涂层对污染介质有抵御能力。耐沾污剂的作用机理是在涂料固化成膜过程中，耐沾污粒子充当交联点，把线型的有机高分子交联成网状结构，有效改善漆膜的致密性，降低涂膜的孔隙尺寸，防止灰尘的吸入和外界水分的侵入，从而改善外墙涂料的耐沾污性。从图5 可以看出，纳米型耐沾污剂掺量在17%之前都有较为显著的改性效果，掺量进一步增加，效果变得不再明显。24 涂料性能根据GB/T 97552001《合成树脂乳液外墙涂料》和JC/T 2352008《建筑反射隔热涂料》WQ 型要求对产品进行性能测试，结果见表2。3 结语1） 乳液的性能是影响拉伸强度和断裂延伸率的关键,是外墙涂料耐候性的基础。为取得弹性、强度、耐沾污性以及保温隔热性能的平衡，涂料在设计配方时要合理选择基料及其配比。2） 涂料的隔热性能主要由空心玻璃微珠的添加量决定，空心微珠的添加量对涂膜的拉伸强度和断裂延伸率都有一定程度的影响。空心微珠与二氧化钛混合使用可达到良好的反射隔热效果。3）涂料制备中应该选择合适的基料、颜填料和助剂的配比，使涂膜性能满足不同的使用要求。4）经测试，所研制的外墙反射隔热防水涂料产品满足GB/T 97552001《合成树脂乳液外墙涂料》优等品要求和JC/T 2352008《建筑反射隔热涂料》WQ 型要求。