随着建筑节能标准的不断提高, 隔热涂料因经济、施工方便以及隔热效果好而备受青睐。根据隔热原理,隔热涂料可分为阻隔型隔热涂料、反射型隔热涂料和辐射型隔热涂料三种。
目前我国主要应用的是阻隔型隔热涂料和部分反射型隔热涂料中国建材网cnprofit.com。若将几种隔热机理结合制备成复合型隔热涂料,则可以弥补单一隔热涂料的不足,提高其隔热效果。本文通过实验研究几种功能填料对外墙涂料隔热性能的影响,为进一步研究复合型隔热涂料奠定基础。
1 实验原材料及设备
1.1 原材料
实验所用材料包括基料、颜填料、功能性填料和助剂4 部分。
(1)基料:采用纯丙乳液;
(2)颜填料:种类有R-706 金红石型钛白粉、滑石粉、云母粉;
(3)功能性填料:主要有漂珠、红外陶瓷粉、珠光云母粉、SiO2、Al2O3。其特性如下:
①漂珠。空心球状灰色粉体;堆积密度0.3g/cm3~0.4g/cm3; 导热系数0.054W/ (m·K)~0.095W/ (m·K);折光指数1.54;细度150 目、300 目、800 目。
②红外陶瓷粉。灰白色粉体;远红外线发射波长范围5μm~25μm,其中8μm~15μm 范围的法向光谱比辐射率达到85%;细度325 目;比重2.7;不溶于水、耐弱酸、弱碱。
③珠光云母粉。横断面具有类似珍珠的物理结构,内核是低光学折射率的云母,外层包裹高折射率的二氧化钛或氧化铁等金属氧化物; 光稳定性良好;细度400 目。
④SiO2。折光指数1.54;细度200 目。
⑤Al2O3。折光指数1.7;细度200 目。
(4)助剂:包括润湿剂、分散剂、成膜助剂、消泡剂、增稠剂等。
1.2 仪器设备
TG-704 型普通天平、自制太阳热反射模拟试验装置、SDF400 型分散研磨机、JJ-1 型电动搅拌器、NXS-11A 型旋转粘度计等。
2 试样制备及测试方法
2.1 隔热涂料试样的制备
将润湿剂、分散剂、防冻剂等助剂加入水中,进行低速预混和, 低速搅拌约15min。然后缓慢加入颜填料,高速分散约20min(以红外陶瓷粉、珠光粉等作为功能填料时,与其他颜填料一起分散;以漂珠作为功能填料时,应在其他颜填料高速分散后加入,并低速搅拌混合均匀)。
高速搅拌结束后,可加入适量消泡剂以减少搅拌过程中产生的气泡, 并加入适量增稠剂。最后在低速搅拌的条件下,将高速搅拌完成的颜填料浆与成膜助剂、混合均匀的乳液等混合,再加入适量的消泡剂、PH 调节剂、防腐剂搅拌均匀,即配制成隔热涂料。其基本配比见表1。
隔热涂料的基本配比
涂料隔热性能的实验用试板为水泥石棉板,尺寸为150mm×70mm×5mm。使用涂布仪涂布试板2 次,时间间隔6h。
2.2 实验装置与测试方法
目前我国尚无隔热涂料隔热性能的测定标准,通常采用美国军标中的实验方法进行测试。实验采用太阳热反射模拟实验装置,通过测定平衡温度来评价其隔热性能。见图1。
太阳热反射模拟实验装置
实验步骤如下:
(1)在规格为150mm×70mm×5mm 的样板上涂刷涂料样品,涂刷后的干膜厚度约200μm。
(2)将涂刷了隔热涂料的试板放在聚苯乙烯泡沫板上。涂膜一面朝上,放置于红外灯的正下方,两板分别标号记录。
(3)调节灯与试板之间的距离至300mm,打开稳压电源,每隔3min 分别记录两块试板背面的温度,直到温度变化不再明显,停止记录。此时的温度简称平衡温度。
(4)取下试板,冷却至室温后将两块试板交换位置重新置于聚苯乙烯泡沫板上,重复第三步骤。
(5)将记录的数据绘制成温度曲线,根据温度曲线及绝对温差分析涂料试样的隔热性能。
3 实验结果分析
3.1 漂珠对涂料隔热性能的影响
选用细度150 目、300 目和800 目的漂珠,分别配制了漂珠添加量为涂料总量的3%、6%、9%、12%和15%涂料,实验结果分别见图2、图3、图4。
由图2、图3 可知,随着漂珠掺量的增加,隔热涂料与普通试样的平衡温度差逐渐增大,即隔热性能逐渐提高, 并在150 目的漂珠掺量为12%和300目的漂珠掺量为9%时,平衡温差达到最大值,分别为10.6℃和8.1℃, 说明150 目~300 目的漂珠具有良好的隔热性能。继续添加漂珠,则平衡温差不再增加。图4 中,添加800 目漂珠的平衡温度比未添加的情况高, 说明添加800 目漂珠并无隔热效果。
原因是这种小粒径漂珠的颜色较深, 热反射率下降; 另一方面, 通过对800 目漂珠的电镜扫描分析(见图5),颗粒间出现明显的粘附现象,导致漂珠不易分散,从而难以产生良好的隔热效果。漂珠粒径如果过大,则会影响其施工性能和表面平整度。因此,漂珠的细度宜为150 目,添加量占涂料总量的12%时达到最佳隔热效果。
3.2 红外陶瓷粉对涂料隔热性能的影响
325 目红外陶瓷粉的添加量为涂料总量的2%、3%、4%、5%、6%时,试样的隔热效果测试结果见图6。
由图6 可知,与未添加红外陶瓷粉的试样相比,红外陶瓷粉的添加量为4% ~5%时,平衡温度可降低7℃;添加量超过5%时, 温度降低不再明显。原因是红外陶瓷粉的红外辐射率高达85%, 辐射隔热效果良好, 但材料的辐射率与其质量无关,故当红外陶瓷粉在涂料中的添加量达到一定程度后,涂料(涂膜)的辐射率不再增加,表现为降温不明显。
3.3 珠光云母粉对涂料隔热性能的影响
珠光云母粉颗粒越大,闪烁效果越强,遮盖力越弱;颗粒越小,遮盖力越强,光泽越柔和。因此,实验选用400 目的珠光云母粉。用珠光云母粉代替云母粉,分别测试其添加量为涂料总量的10%、13%和15%时,试样的隔热效果。结果见图7。
由图7 可知, 与未添加珠光云母粉的试样相比,随着珠光云母粉添加量增加到13%,平衡温度可降低2℃~3℃。由于珠光云母粉比绢云母粉的光泽度好,反射率略高,涂料的隔热性能有明显提高。
3.4 SiO2、Al2O3对涂料隔热性能的影响
分别测试200 目的SiO2和Al2O3在隔热涂料中不同添加量时的隔热效果。结果见图8、图9。
由图8、图9 可知,SiO2和Al2O3在添加量为4%时,隔热涂料与普通涂料的平衡温度差达到最大值,分别降低了3℃和3.3℃,表现出较好的隔热效果。通常,物体吸收光能后,可以利用自身固有的波长将光线发射出去。禁带宽度Eg为0.5eV~1.8eV 的材料吸收近红外辐射,Eg为1.8eV~3.1eV 的材料吸收可见光。几种常用颜填料的折光指数及其Eg值见表2。
因此,要避免可见光及近红外光的吸收,填料的Eg值应该大于3.1eV 或小于0.5eV。SiO2和Al2O3的Eg分别为8.8eV 和8.3eV,且红外积分发射率分别为83%和91%,因此,二者都有较好的隔热效果,可作为隔热涂料的功能性填料。
常用颜填料的折光指数及其Eg值
4 结论
(1)漂珠的空心腔体结构能够有效减少热传导,漂珠材料本身具有一定的反射能力, 隔热性能较好。微珠的添加量在涂料总量的9%和12%时, 平衡温度可以降低10℃左右。
(2)红外陶瓷粉中的多种氧化物成分能够将部分光能转化并辐射到大气层中降低温度,当添加量为涂料总量的4%~5%时,平衡温度降低最明显,达到7℃左右。
(3) 珠光云母粉的珠光具有一定的反光作用,产生隔热效果。在珠光云母粉添加量达到13%时,平衡温度可以降低2℃~3℃。
(4)SiO2和Al2O3作为功能性填料添加4%时,所达到的平衡温度能够比普通的试板温度降低3℃左右。
张智强,李婵娟,蔡娜,夏奔
(重庆大学材料科学与工程学院, 重庆400045)