微珠掺量对热反射隔热涂料隔热性能的影响

data-full-width-responsive="true"> 0 引言建筑节能对于我国的能源安全尤为重要，在社会能源消耗中，建筑能耗较高，建筑节能势在必行。隔热涂料作为一种功能性涂料，通过降低被涂覆物内部热量积累以达到节能和改善工作环境的目的。研制出一种隔热效果明显的隔热涂料是非常必要的。空心玻璃微珠是20 世纪50 年代～ 60 年代发展起来的一种微粒材料，其工业化生产始于20 世纪50 年代美国的3M 公司，已作为一种新型填充材料应用于多个领域中。将具备优异隔热性能的空心玻璃微珠掺加到反射型隔热建筑外墙涂料中是否能使其隔热性能得到进一步的提升值得研究。1 试验1． 1 试验原材料丙烯酸乳液; 钛白粉，金红石型; 轻质碳酸钙，国产; 某种碱土金属碳酸盐( 受专利保护不公开) ; S60HS 系列空心玻璃微珠，3M公司; 其他助剂包括润湿剂、成膜剂、分散剂、消泡剂、增稠剂( 工业级) 等，均为市售工业品。1． 2 试验仪器与设备SFJ-400 磨砂、分散、搅拌多用机，上海现代环境工程技术有限公司; VMS3020 标准型影像仪，上海光学仪器厂; 涂料隔热性能测试装置( 自制) ; 高倍偏光显微镜，上海光学仪器厂; FXL-1 型吸收率和法向发射率测量装置，北京南奇星科技发展有限公司; JKXU/XA 型多路温度测试仪，常州市金艾联电子科技有限公司。1． 3 隔热涂料的制备本试验是在本课题组自主研制出的一种以碱土金属碳酸盐作为主要功能性填料的具有低太阳吸收率高发射率的隔热涂料的配方基础上，涂料基础配合比见表1。通过掺加不同掺量的空心玻璃微珠来研究其隔热性能是否得到提升。这种热反射建筑隔热涂料的主要性能参数见表2。将润湿剂等助剂均匀分散在水中，逐步加入二氧化钛、轻质碳酸钙等，高速搅拌30 min 后降低转速按计量加入空心玻璃微珠和其余功能性助剂，充分搅拌使微珠分散均匀，最后加入丙烯酸乳液，继续搅拌30 min，并加入适量增稠剂调节至合适粘度。为研究空心玻璃微珠掺量对涂料隔热性能的影响，试验微珠掺量分别为5%， 10%， 15%， 20%。1． 4 试验样品性能及表征1． 4． 1 高倍偏光显微镜表征将装有空心玻璃微珠样品的载玻片置于载物台上，使样品在载玻片充分分散开，通过高倍偏光显微镜获取其微观照片。1． 4． 2 吸收率的测试涂料样品的吸收率通过FXL-1 型吸收率和法向发射率测量装置测定。分别配制不同微珠掺量的涂料涂刷在40 mm 40 mm的铝板上制成测试样品，实验采取5 个数据为一组，测量5 组，共25 个吸收率数据，取平均值作为一个样品的吸收率结果。FXL-1 型吸收率和法向发射率测量装置为同济大学与北京南奇星公司共同研制的测定仪器，对可见光至红外波段( 0． 35 m ～2． 5 m) 的吸收率进行测定。为使吸收率测定结果更具参考价值，本课题组成员对一些较为常见的材料进行了吸收率的测定，如表3 所示。1． 4． 3 隔热性能测试本文中将隔热性能测试分两次进行，首先对未掺微珠的热反射隔热涂料( 课题组自主研发) 与市面在售的反射隔热涂料的隔热性能进行对比。第二步将不同微珠掺量的反射隔热涂料与不掺微珠的反射隔热涂料进行隔热性能的对比。如图1 所示，涂料隔热性能的测试采用课题组自制的实际曝晒模拟装置进行。曝晒装置的主体是一个内部涂覆黑漆的木箱，其尺寸为300 mm 300 mm 300 mm，在其中一个侧面中心处打一直径约5 mm 的小孔用来装测温仪热电偶导线的导管，测温仪导线穿过导管采用导热胶带粘贴至曝晒样品内表面。木箱四周及底部用30 mm 厚的泡沫塑料板( 导热系数为0． 04 W/( mK) ) 包覆。将相应的需要曝晒的材料使用硅胶在曝晒箱顶部密封固定在曝晒箱顶部，并以多通道温度测定仪记录各装置内温度。2 结果与讨论2． 1 空心玻璃微珠的微观形貌分析空心玻璃微珠形态偏光放大照片如图2 所示。从图2 中看出，微珠是一颗颗透明的微米级玻璃质密闭中空正球体。从宏观上看是纯白色的粉末，其粒径大小不等，其平均粒径为30 m。2． 2 涂料吸收率实验分别对收集到的市面在售三种热反射隔热涂料( 北京产涂料A、北京产涂料B、福建产涂料C) 及不同空心玻璃微珠掺量( 0%，5%，10%，15%，20%) 的自制涂料的吸收率进行测定。不同种涂料的吸收率见表4，其变化曲线见图3。不同空心玻璃微珠掺量的自制涂料吸收率见表5，其变化曲线见图4。如图3 所示，几种反射型隔热涂料的吸收率在0． 65 ～ 0． 69 之间，不同涂料的隔热性能由于原材料、配合比、配制方法等原因存在一定的差异性。同时，从图3 中可以看出，不掺微珠的自制热反射隔热涂料的吸收率并不是几种涂料中最低的，还有进一步提升的空间。如图4 所示，样品吸收率随30 m 玻璃微珠掺量变化发生的变化。玻璃微珠掺量在5% ～ 15% 之间时，样品的吸收率随着掺量增加而迅速减小，并在掺量为15% 时吸收率达到最低值0． 617 3。当微珠掺量增加到20% 时，样品吸收率较掺量为15%时增大。并且当玻璃微珠掺量大于15%时，配制样品的流变性很大，涂刷施工性能差。2． 3 实际曝晒模拟试验图5 为市售热反射隔热涂料与本课题组自主研制的反射隔热涂料模拟实际曝晒的时间温度曲线。如图5 所示，曝晒箱内部的温度随着日照强度的增强而升高，随日照强度的减弱而下降。在日照强度最强时，四种涂料涂刷的铝板内表面温度达到峰值，吸收率最大的涂料B 与吸收率最小的涂料C 涂刷的铝板内表面温度相差4 ℃左右。四种涂料间隔热性能的差异与其吸收率的大小大体上一致。图6 为不同微珠掺量样品模拟实际曝晒的时间温度曲线。如图6 所示，在太阳光的照射下，涂料涂刷的铝板内表面温度随着日照强度的增强呈现出升高的趋势，随着日照强度的逐渐减弱呈现降低的趋势。在12 点～ 13 点之间达到了当日温度的峰值，其中，空心玻璃微珠掺量为15%的涂料样品与不掺微珠的样品之间温差达4 ℃左右。可见在涂料中掺加空心玻璃微珠能够提升其隔热性能，但不同的空心玻璃微珠掺量对提升涂料样品隔热性能所起到的效果有所不同。从图6 可以看出，相比空心玻璃微珠掺量为5%， 10%的涂料样品的隔热性能， 15% 空心玻璃微珠掺量对涂料样品隔热性能的提升效果最好。当空心玻璃微珠掺量为20%时，涂料样品的流变性很大，涂刷施工性能差，无法进行涂刷，因此未进行曝晒实验。2． 4 机理分析本试验中不同空心玻璃微珠掺量对涂料隔热性能的影响与微珠在涂料中的排布及数量有关。当空心微珠与涂料混合涂覆在建筑物表面时，排列紧密的玻璃微珠会形成一层隔热膜。在这层薄膜间进行热传导时，大部分的热量会绕过微珠进行传导，绕过微珠的热量传导路径明显增长，只有小部分的热量会经过微珠进行传导。与此同时，微珠本身壳体和中孔传热能力也较弱，在非高温下，辐射传热占总传热量的比例也很小，故也可不考虑热辐射。因而加微珠的涂层隔热效果良好。5% 微珠掺量的在涂膜中排布稀疏，因此不能够形成致密的隔热层。随着空心玻璃微珠掺量增加到15%，玻璃微珠在涂膜中的排列逐渐致密，呈饱和状态，涂膜的隔热效果明显。若继续增加玻璃微珠的含量到20%，玻璃微珠不断叠加，只能增加涂膜的厚度而对涂膜表面的微珠排布密度不产生影响。同时，相比于微珠含量，涂料成膜基料的浓度太低，对微珠不能充分包覆，成膜能力降低导致涂料的流平性能降低，涂层的光滑度受到影响，涂层表面凹凸不平，对太阳辐射热的吸收率将提高。3 结语吸收率与模拟实际曝晒试验表明，与市售的热反射型隔热涂料相比，不掺微珠的自制热反射隔热涂料隔热性能并不是最优异的。通过在课题组自主研制的热反射隔热涂料中掺加微珠可降低涂料的吸收率，提升涂料的隔热性能。微珠的最佳掺量范围在10%左右，与未掺微珠的涂料相比，微珠掺量为15% 的涂料隔热效果好4 ℃左右。