在我国, 建筑能耗已占到全国能耗总量的27.6%, 并将随着人们生活水平的提高将逐步增加到33%以上 。建筑外墙隔热涂料用于建筑物表面可以有效地降低建筑物表面及内部的温度, 并能缓解建筑物表面温度变化, 对建筑物有良好的保护作用。
其应用对于改变生活环境和节约能源有重要的意义中国建材网cnprofit.com。本文对颜填料对涂料隔热性能的影响进行了研究, 并据此确定了隔热涂料中的颜填料。
1 实 验
1.1 实验仪器及试剂
碘钨灯( 300W ) ; TES- 1300数显温度计; SDF- 400型分散砂磨机; 天平; 自制测温装置。
苯丙乳液: 通州互益化工厂; R- 595金红石型二氧化钛:美礼联; 空心玻璃微珠: 美国波特公司; 白云母、重钙、高岭土、滑石粉、膨胀珍珠岩、助剂: 均为市售。
1.2 实验方法
1.2.1 涂料制备流程
涂料的制备流程如图1所示。
涂料的制备流程图
按图1将一定量去离子水、润湿剂、分散剂等助剂加入到研磨机的搅拌罐中, 同时加入一定量的氧化锆微珠, 低速搅拌10 m in。然后依次加入各种颜填料, 先低速搅拌, 待所有颜填料充分润湿后, 再高速搅拌得到浆料I 。向浆料I 中加入消泡剂, 在电动搅拌机作用下低速搅拌消泡, 然后向其中缓慢加入苯丙乳液, 得到浆料II 。最后加入防腐剂、成膜助剂等助剂, 过滤后得到隔热涂料。
1.2.2 隔热测试装置
隔热性能测试装置是参照1976 年美国军标M IL - E-46136及郭年华的装置 自制。装置如图2所示。
自制的隔热测温装置
测试时试板(规格为150 mm X 75 mm X 0.5 mm 的镀锌铁板)放置在测温箱中部, 涂有涂层的一面朝上, 将热电偶温度计探头紧密固定在试板的背面, 在测温箱正上方25 cm 处固定1个300W 碘钨灯来模拟太阳光。测温时保持外界环境温度一致, 每隔2 m in 记录测试温度, 当温度恒定不变时停止记录。
2 结果与讨论
2.1 乳液的选择
隔热涂料是一种反射率高的涂料, 所用的树脂对可见光和近红外光的吸收越少越好。通常所用的树脂透明度高、对可见光的吸收率低, 故一般涂料用的树脂均可采用。外墙涂料还要求有良好的耐沾污性、耐候性能。本实验选用苯丙乳液。
2.2 常用颜填料的隔热效果
常用颜填料的基本性质 如表1所示。
常用颜填料的基本性质
以相同质量苯丙乳液为基料, 分别加入上述单一颜填料,根据制备流程制成涂料涂于试板上, 用自制的测温装置测试其平衡温度, 其结果如图3所示。
不同填料的反射隔热效果
由图3 可见, 由二氧化钛制备的涂层平衡温度最低, 为52 ℃ ; 由滑石粉制备的涂层温度最高, 为78℃ ; 其他试板的平衡温度差别不大。主要是因为相对于其他颜填料来说二氧化钛的折光指数最高(见表1)。衡量涂层反射能力强弱可以用散射率来表示。散射率越高, 反射光线的能力也就越强。散射率m 定义如式( 1) 所示。
m = np /nr X 100% 式( 1)
式中: np- 颜填料的折光系数; nr - 基料的折光系数。
由式( 1)可知, 要得到高散射率的涂层需要采用折射率高的颜填料。因为金红石型二氧化钛(以下提到的二氧化钛皆为金红石型)的折光系数为2. 8, 二氧化钛的折光指数与乳液的折光指数相差最大, 因此由单一二氧化钛制备的涂层, 试板的平衡温度相对其他颜填料最低。
除高岭土和珍珠岩外其他填料制得试板的温度和折射率的变化趋势大致是相同的。其中高岭土和滑石粉的折射率相同, 但是平衡温度却较低, 可能是因为: ( 1) 高岭土为片状结构。
片状结构可以明显提高涂料的致密性 并具有较大的反射表面 , 所以反射率高, 温度较折射率相近的填料制成的涂层低; ( 2)滑石粉的颜色较深。物体之所以产生不同的颜色就是因为光照射到物体表面时物体对光进行了选择性的吸收和反射。
如果物体照射来的光完全进行反射, 这时的物体是白色的[ 7]。因此滑石粉比白色的物质吸收了更多的光, 即更多的热。故滑石粉的试板温度比折射率相同的高岭土的温度高。
珍珠岩的折射率比滑石粉的折射率低, 但添加珍珠岩的涂料制得的试板的平衡温度比滑石粉的低, 主要是因为珍珠岩是一种多孔的粒状物, 其密度小、导热系数为0.047~ 0.072W /( m• K), 具有一定的隔热效果。根据实验结果, 本研究初步选用金红石型二氧化钛、重钙、云母粉、高岭土、膨胀珍珠岩作为颜填料。
2.3 二氧化钛与常用填料的配比
金红石型二氧化钛的遮盖力最强, 为30.1 m2 /kg。当加入少量的其他填料时可以消除由于其他填料的加入而引起的颜色改变。因此选用金红石型二氧化钛与其他填料复合, 测试其最佳配比及隔热情况。二氧化钛与填料复合对隔热效果的影响如图4。
填料含量对隔热效果影响
在隔热效果方面, 重钙的加入对二氧化钛的分散产生影响, 导致含重钙的试板的温度最高; 在使用方面, 重钙由于易受酸雨侵蚀, 在外墙涂料中应尽量少用。由此可知二氧化钛有高的折射率和遮盖力, 因此二氧化钛为必选颜料。在PVC 固定的情况下, 分别用二氧化钛与其余3种填料以不同比例混合, 测试其隔热效果, 得到二氧化钛与不同填料的最佳配比(见表2)。
表2 二氧化钛与不同填料的最佳配比
二氧化钛与不同填料的最佳配比
2010年8 月, 有关颜填料的价格为: 二氧化钛为14 600元/ t; 云母粉1 500元/ t、高岭土1 250元/ t、珍珠岩230元/ t。考虑到成本因素, 要尽量降低二氧化钛的用量。二氧化钛与珍珠岩的配比为4:1时才能达到好的隔热效果, 需二氧化钛的量高;
另外珍珠岩的吸油率高, 为210~ 240 g /100 g, 为使其完全润湿需要的乳液的量多, 这样也会大大增加成本; 珍珠岩的颜色较深对涂料的白度有一定的影响。从以上几个方面考虑,故舍弃珍珠岩选择云母粉和高岭土作为填料。
2.4 空心玻璃微珠对隔热效果的影响
空心玻璃微珠是一种尺寸微小的空心玻璃球体, 属无机非金属材料, 中空, 内含惰性气体。在隔热涂料中使用空心玻璃微珠, 除了能够得到像二氧化钛那样的反射光和热辐射的效果以外, 还能够利用空心玻璃微珠中空、质轻、热导率低的特点, 达到阻隔热量的目的, 从而提高涂膜的绝热性能 。
因此, 空心玻璃微珠作为填料兼有阻隔隔热和反射隔热的复合功效。本实验选用的是美国进口的空心玻璃微珠, 基本性能如表3所示。因为空心微珠中空壁薄, 为了完全发挥其空心隔热特性应将其最后添加并应采用部分加入法。为防止空心微珠飘散到空气中, 采用尽量低速度低剪切的搅拌设备分散,因为玻璃微珠球形流动性好, 摩擦力小, 所以分散很容易。短时间内就可以润湿完全。
空心玻璃微珠的基本性能
固定二氧化钛和乳液的质量不变, 向其中加入占颜填料质量分数为0、9%、17%、23%、29%、33%的空心玻璃微珠, 制备成涂料, 用自制的测温装置测试试板的平衡温度。试板的平衡温度如图5所示。
空心玻璃微珠占颜填料总量对隔热效果的影响
由图5可见, 加入空心微珠的涂料比不加的隔热效果好。当空心玻璃微珠含量低于23%时, 随着空心玻璃微珠含量的增加, 由于空心玻璃微珠导热系数低使得试板温度降低。空心玻璃微珠的含量继续增大, 由于空心玻璃微珠不能被基料很好地填充, 很多突兀在表面, 彼此之间形成较多连通的空隙, 造成高温时辐射传热加剧, 导致对热量的屏蔽效应减弱。
2.5 颜填料质量比的确定
根据颜填料的选择和填料与二氧化钛之间的配比情况,本实验选取二氧化钛、空心玻璃微珠、云母粉、高岭土为颜填料, 为了确定实验的最佳配方, 并减少实验内容, 本实验设计了四因素三水平实验的配方(见表4) 及隔热测试结果(见表5)。
四因素三水平取用数据表
隔热测试结果
通过正交试验, 确定了二氧化钛、空心玻璃微珠、云母粉和高岭土之间的最佳质量比为6:2:2. 5:1.5, 在此条件下平衡温度为50. 4℃ 。将市购的某品牌的涂料同样涂在试板上, 测试其温度为55. 9 ℃ , 说明自制的反射隔热涂料达到了较好的隔热效果。
3 结 语
( 1)高折射率的白色颜料具有较好的隔热效果;
( 2)加入空心玻璃微珠可以提高涂料的隔热效果, 空心微珠的含量低于23%时随着空心玻璃微珠的加入试板平衡温度逐渐降低;
( 3)根据实验结果, 基于隔热效果和涂料成本的双重考虑, 选择了二氧化钛、空心玻璃微珠、云母粉及高岭土作为颜填料, 并通过正交实验确定它们之间的最佳质量比为6:2:2.5:1.5。
王夏夏1, 王群英1, 熊君山2, 刘先国1
( 1. 中国地质大学, 武汉430074; 2. 武汉敏慧汽车零部件有限公司, 武汉430050)