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金属用水性隔热防腐涂料的研制,以防锈专用苯丙乳液为基料,以钛白粉、热反射粉、磷酸铝锌、空心玻璃微珠为颜填料
2020年02月21日    阅读量:3239    新闻来源:中网信息 ChinaNews360.com  |  投稿

0 引言

太阳的能量产生于热核反应,大约以1.77×107 J/s 速度将能量辐射到地球表面,太阳辐射是物体的主要热源。太阳辐射能量分布如下:紫外光区(0.20~0.40 μm)占5% ;可见光区(0.40~0.72 μm)占45% ;红外光区(0.72~2.50 μm)占50%。


夏季在太阳的强烈辐射下,金属的表面温度可达80℃,不但导致金属结构建筑、化学储罐、机车车厢、冷水塔等的内温升高,而且也导致周围热岛效应,会使环境温度升高3~5℃涂料在线coatingol.com。据分析,喷淋装置、空调、冷气机和电风扇等降温制冷设备,每年所消耗的能量占全年总能耗的20% 以上。


开发太阳热反射隔热涂料,降低建筑物、设备表面温度是一种被动利用太阳能的方法,对节约能源、保护环境、创建人与自然的和谐关系具有重要意义。


本文研制的灰白色水性隔热防腐涂料,集对太阳能阻隔、反射、辐射、降温节能等功能于一身,同时还具有底面合一、防锈防腐、绿色环保、耐候耐久、装饰性好等特点,符合防腐蚀涂料向水性化、单涂层、多功能方向发展的要求。

 

1 实验部分

1.1 原材料

苯丙乳液MAINCOTETM HG-86,陶氏化学;金红石型钛白粉R-706,杜邦;热反射粉803ZW,羽唐;磷酸铝锌,石家庄;空心玻璃微珠,3M 公司;纳米SiO2 浆料,首创;棕黑色浆,自制;防闪锈剂FA-179,盛沃;乙二醇、醇酯-12,市售;助剂,海川;增稠剂TT935、流平、流变剂RM-2020,陶氏化学,硅烷偶联剂KH-560,南京曙光。

1.2 基础配方

灰白色水性隔热防腐涂料的基础配方如下:

原材料 质量分数/%

去离子水 80~100

分散剂 5~7

消泡剂 1~2

多功能助剂 1~2

防霉剂 2~3

防冻剂 10~20

成膜助剂 30~35

偶联剂 1~2

防闪锈剂 5~7

金红石型钛白粉 80~100

磷酸铝锌 80~120

热反射粉 80~120

空心玻璃微珠 50~100

苯丙乳液 400~450

纳米SiO2 浆 50~70

棕黑色浆 5~10

消泡剂 1~2

增稠剂 2~4

流平、流变剂 3~5

1.3 制备工艺

(1) 将去离子水加入分散罐内,中速搅拌下加入分散剂、消泡剂、多功能助剂、防霉剂、乙二醇、成膜助剂、偶联剂,分散混合均匀后加入钛白粉、热反射粉、磷酸铝锌,高速分散40 min,研磨至细度20 μm以下,制成颜料浆。

(2) 将颜料浆加入调漆罐中,中低速搅拌下加入苯丙乳液,再加入空心玻璃微珠、纳米SiO2 浆料、防闪锈剂、棕黑色浆、消泡剂,搅拌混合均匀,加增稠剂调整黏度至80~90 KU。

1.4 性能检测

(1) 涂膜的常规物理、化学性能按有关金属防腐涂料国家标准进行检测;

(2) 光学性能和保温性能按GB/T 25261—2010《建筑用反射隔热涂料》标准进行检测。

 

2 结果与讨论

2.1 乳液的选择

树脂乳液是主要的成膜物质,是决定涂膜物化性能的关键材料。用于隔热降温涂料的乳液,要求对可见光和近红外光的吸收率要低,涂膜的透明度要高,树脂中应少含C—O—C、C=O、—OH 等吸热基团;用于金属防腐蚀涂料的乳液,要求具有良好的附着力、耐水性及防锈性,涂膜致密坚韧,屏蔽水蒸气、氧、氯离子的性能好。苯丙乳液HG-86 是一款新一代水性金属防腐用乳液,涂膜不但具有优异的防腐性和附着力,而且具有优异的耐水性、耐候性和耐沾污性,底漆、面漆、底面合一漆均可使用。在基础配方中其他因素不变的条件下,只改变苯丙乳液HG-86 的用量,分别制成涂料,按标准要求制备样板,涂膜厚度为250 μm,检测其物理、化学性能,结果见表1。

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不同用量乳液对涂膜性能的影响

由表1 可见:随着乳液HG-86 用量的提高,涂料的物化性能相应提高,当乳液用量达到45% 左右时,其综合性能已能满足水性防腐涂料的基本要求。

2.2 颜填料的选择

金属表面涂装隔热防腐涂料的目的,一是为了阻隔、反射、辐射太阳能,降低金属物体表面和内部的温度,减少制冷耗能量;二是为了屏蔽水蒸气、氧、氯离子,增强被涂覆金属表面的防锈、防腐性能,提高其使用寿命。因此,所选用的颜填料必须具有以下4 个特点:

(1) 颜填料密度低、孔隙尺寸小、闭孔结构,对太阳辐射热有优异的阻隔作用;

(2) 颜料的折光指数、反射率高,散射性强,尤其是对可见光和近红外光的反射率要高;

(3) 颜料的热发射率要高,能将涂层吸收的太阳能通过大气窗口发射出去;

(4) 颜料的防锈、防腐性能好,且具有环保性。

同时具备上述特点的颜填料极少,可通过选择不同功能的颜填料混配使用。

涂层的热辐射率取决于颜填料的折光指数(np)与树脂折光指数(nr)的比值(np/nr)、涂层厚度、颜填料粒径、颜填料纯度以及颜料体积浓度(PVC)等。当基料确定后,颜填料的折光指数越高,涂料的遮盖力越强,反射系数越高。涂料遮盖力的大小取决于颜填料和基料折光指数之差,见式(1)。

反射系数

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式中,F——反射系数;np——颜填料折光指数;

nr——基料折光指数。

几种常见的颜填料的折光指数见表2。

颜填料的折光指数

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2.2.1 白色颜料的选择

金红石型钛白粉是折射率最高(> 80%)、折光指数最高(2.8)且粒径及其分布最理想的白色颜料,在涂料中,当PVC 为24.5% 时,反射率为82.6%,当PVC 为22% 时,反射率达到84.0%。因此,在着色隔热涂料中,金红石型钛白粉是首选的白色颜料。为了将光热反射涂料调至目标颜色,金红石型钛白粉的用量会受到限制,一般而言调浅色涂料其用量为15% 左右,调中色涂料其用量为10% 左右,调深色涂料其用量为5% 左右。


2.2.2 彩色颜料的选择

在配制彩色隔热防腐涂料时,需选择对太阳热反射率高的着色颜料。各色颜料的反射率见表3。

各色颜料的反射率

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由表3 可见:对太阳光反射率较高的着色颜料是:绿色颜料中的酞菁绿,黄色颜料中的钛铬黄,蓝色颜料中的酞菁蓝,黑色颜料中的棕黑(铁红+ 中黄+铁蓝复配),红色颜料中的铁红。由反射率高的单色颜料复配成的复色颜料,其反射率也高。


2.2.3 红外辐射填料的选择

太阳热反射隔热涂料随色相逐渐加深,其涂膜对光热的反射率逐渐降低、吸热率增加。为了提高涂膜的隔热降温性能,必须选择一种能将吸收的太阳能以长波形式发射到大气空间去的红外辐射填料。以SiO2、Al2O3 为基料,以Fe2O3、CuO、MnO 等为添加剂,经高温烧结、粉碎磨细的陶瓷粉、纳米Fe2O3、纳米MnO、SiO2 及纳米ATO、ITO 等,都是优良的红外辐射填料,对太阳能的发射率>90%。


这是因为陶瓷材料大部分为多晶体介质材料,金属氧化物在高温烧结时形成氧空位而产生自由载流子,晶体材料在太阳光热辐射作用下产生电子、空穴,填料的发射率与其产生的电子、空穴的浓度呈正相关。


热反射粉803ZW 是以反射红外波原理加工成的高折射率白色填料,由近红外线反射填料、白色填料、超细无机热红外线反射填料组成,它既有对太阳光的高反射功能,也有对吸收热的发射功能,同时还有弱导电性,对降低涂层的电荷积累有一定帮助。热反射粉在涂料中的添加量对涂膜光学性能的影响见表4。

表4 热反射粉用量对涂料光学性能的影响

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表4 热反射粉用量对涂料光学性能的影响

2.2.4 空心玻璃微珠的选择

空心玻璃微珠是一种银白色光泽的球体,中空,有坚硬的外壳,壳内为N2 或CO2 惰性气体,壁厚为直径的8%~10%,导热系数0.07 W/(m·K)左右,光散射率80%~88%,具有导热系数小、折光指数高、隔热性好、环保无毒、耐高温、耐腐蚀、耐候、耐沾污、流平性好等特点,选用超细空心玻璃微珠作填料,制备的隔热涂料其涂膜具有独特的微孔结构,对太阳辐射热具有优异的阻隔绝热性能和反射性能。当其添加量达到5%~8% 时,所得涂料的综合性能较好。


2.2.5 防锈颜料的选择

为了提高金属用涂料的防锈、防腐性能,必须添加适量防锈颜料,如氧化铁红、磷酸锌、磷酸铝、铁钛粉等。磷酸铝锌是磷酸锌改性后的第2 代防锈颜料,兼有磷酸锌和磷酸铝双重特性,其在电化学防腐性能、与漆膜的相容性、漆膜的屏蔽作用、漆膜与基料的附着力等方面都有改进。磷酸铝锌遇水容易离解和水解,产生第2 代磷酸盐离子,磷酸根与铁锈离子反应,生成难溶且紧密的磷酸附着层,引起阳极极化;


而锌、铝离子与阴极区的OH- 反应,生成难溶物而引起阴极极化,具有缓蚀、钝化作用。另外,磷酸铝锌也有良好的光学性能,对太阳光热有较高的反射率和远红外发射率,其用量达到8%~12% 时,涂膜的光学性能和防腐性能均较好。


2.3 PVC 对涂膜性能的影响

在水性隔热防腐涂料配方设计中,颜填料体积浓度(即PVC)对涂膜的理化性能和隔热性能影响较大,一般PVC ≤ CPVC(临界颜料体积浓度)时涂膜的综合性能较好。但是当PVC 过低时,形成的涂膜内颜填料粒子分布稀疏、间距较大,光热反射率和发射率较低,涂料物化性能较差;当PVC 大于CPVC 时,涂膜中的基料不足以完全浸润和包覆所有的颜填料粒子,形成的涂膜孔隙率大、粗糙,物化性能下降。不同PVC 对隔热防腐涂料性能的影响见表5。

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PVC 对涂膜性能的影响(灰白色)

由表5 可见:在水性隔热防腐涂料中,当PVC较小时,涂膜的物化性能较好,但光学性能较差,反射率和发射率均较低;当PVC 较大时,涂膜的物化性能较差,反射率和发射率较高。当PVC 为25% 左右时,涂膜的物化性能和光学性能均较优。


2.4 纳米SiO2 对涂料性能的影响

纳米SiO2 表面积大、表面能高,表面存在不饱和残键及不同状态的羟基,因缺氧而偏离了稳定的硅氧结构,因而具有很大的表面活性。纳米SiO2 分散在涂料中,与水和乳液发生界面反应,形成强大的相互作用力,从而改善涂料的流变性和悬浮性;


纳米细粒子填充于颜填料较粗粒子之间和颜填料与成膜物之间的空隙中,形成强大的活性吸附中心,在涂膜表面产生键合,大大提高了涂膜的致密性、柔韧性、附着力、耐水性及耐化学品性。纳米SiO2 为无定型结构,具有极强的紫外光吸收、红外光反射性能,对波长小于4 μm 的紫外光吸收率达70% 以上,不但能显著降低由于紫外光照射而造成涂膜老化的速度,提高耐候耐久性,而且由于其红外辐射性能好,能将物体吸收的热能有效地发射出去,使物体降温。纳米SiO2 粒子表面具有亲水性,在成膜过程中能与含有亲水性官能团的乳液反应,交联成网状亲水涂膜,对提高涂膜的耐沾污性有显著贡献。试验结果表明,纳米SiO2 的用量为2% 时,涂膜的物化性能及光学性能最好。


2.5 产品性能

按标准制备灰白色水性隔热防腐涂料样板,干膜厚度250 μm,依照相应标准进行检测,结果见表6。

灰白色水性隔热防腐涂料的性能指标

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灰白色水性隔热防腐涂料的性能指标

3 结语

(1) 研制的灰白色水性隔热防腐涂料具有底面合一特性,涂层集阻隔型、反射型、辐射型保温隔热功能于一体,集隔热降温、防腐防锈于一身,具有优良的物化性能和光学性能。

(2) 基料选用防锈乳液HG-86,当其用量为45% 时,涂料的综合性能较好。

(3) 颜填料选用光反射率高的钛白粉和着色颜料,红外辐射填料选用热反射粉、填料选用空心玻璃微珠、防锈颜料选用磷酸铝锌,当PVC 达25% 时,涂膜综合性能较好。

(4) 纳米SiO2 的加入,不但能提高涂膜的理化性能,还能提高涂膜的紫外线吸收率和对红外辐射热的发射率。


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