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水性热反射隔热防水涂料的研制,选用自交联弹性丙烯酸乳液为成膜物质
2020年02月21日    阅读量:2844     新闻来源:中网信息    |  投稿

1 引言
目前,我国在建筑工程上使用的防水涂料中,传统的沥青防水涂料因性能低劣而淡出市场,PU防水涂料、橡胶改性沥青防水涂料、水性丙烯酸防水涂料得到广泛应用


然而,前2种防水涂料均不易单独用于户外防水,因为,以TDI、MDI和聚醚组成的PU防水涂料,其涂膜的耐候性差,在紫外线照射下极易氧化而变黄、粉化,且涂料中游离单体的毒性大,会对人身造成侵害,对环境形成污染;在橡胶改性沥青防水涂料中,溶剂型防水涂料因对环境造成污染而逐渐被淘汰,水乳型防水涂料在力学性能、防水性能、耐候耐久性能方面均欠佳,不能用于高等级建筑防水工程;


且上述2种涂膜颜色黑暗,对太阳辐射热的吸热量大,涂层温度高,热能通过传导、对流、辐射引发周围环境产生热岛效应和建筑物内部的升温现象。水性丙烯酸防水涂料(单组分或双组分)的涂膜具有弹性好、延伸率高、对基层变形适应力强、对气温变化适应范围广、耐老化、无毒环保、颜色浅等特点,可广泛适用于屋面、外墙防水装饰工程中国建材网cnprofit.com

据报道,美国的热岛集团曾对全国1 1座大城市的建筑物采用浅色屋顶涂料的节能潜力进行测算,估计每年可为美国节能7.5亿美元。据佛罗里达太阳能中心研究,发现采用浅色屋顶涂料要比深色的节能40%。


上海同济大学材料学与工程学院曾对热反射涂料进行模拟房屋现场测试,使用的是反射率为40% ~60%的热反射涂料,结果表明:其夏季节电率可达16.8% ,而冬季节电率可达15.0%。笔者研制的耐沾污弹性太阳热反射隔热乳胶漆 的光热反射率达87% ,涂刷该涂料的建筑物与涂普通涂料者对照,外表温度降低15~20℃ ,室内温度降低5℃。“


创建以节约资源、节能降耗、生态环保为中心的经济发展模式,走可持续发展之路”是我国的基本国策。我国的建筑能耗约占全国能耗的35% ,建筑节能已列人“十一五”期间国家十大节能工程之一。


目前我国对新建筑采取了强制性隔热保温措施,在面对各种保温隔热材料的选择中,通过实践考验、案例分析、权衡利弊,运用隔热保温涂料对建筑物的屋顶、外墙进行涂装是目前各国重点推广的节能方法之一,也是我国夏热冬暖、夏热冬冷地区的明智选择。


目前,我国用于建筑屋顶、外墙的防水涂料的功能单一、综合性能较低,不能满足建筑节能的要求。本研究是在JS防水涂料的基础上,通过添加各种功能材料,制备成一种具有防水性能好、隔热效果优、耐沾污、耐老化的多功能外墙、屋面用涂料。

2 试验部分
2.1 原材料
原材料:自交联型苯丙弹性防水乳液,国产;分散剂,罗门哈斯;高效消泡剂,海川;偶联剂,南京曙光;纳米耐沾污剂,北京首创;空心玻璃微珠,进口;白水泥、滑石粉、重钙粉、市售;硅灰,贵州海天。
2.2 基本配方
水性热反射隔热防水涂料的基本配方见表1
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2.3 制备工艺
(1)液料:在中速搅拌下的防水乳液中依次缓慢加入分散剂、消泡剂、偶联剂、耐沾污剂,搅拌混合20min,装桶。
(2)粉料:将粉料依次加入混合机内,基本混合均匀后再加入空心玻璃微珠,混合均匀后装袋。
2.4 性能测试
2.4.1 涂膜的常规性能测试
参照JS防水涂料标准JC/T 894-2001进行检测。
2.4.2 涂膜隔热性能测试
(1)试板的制备:将液料和粉料按1:1搅拌均匀制得的涂料涂刷在15c m x 15cm x 6 mm的不锈钢板上,涂层厚度为0.5 mm(试板1号),干燥后待用;在同样规格的不锈钢板上涂刷普通Js防水涂料,涂层厚0.5 mm(试板2号),干燥后待用。
(2)自制反射隔热效果测定装置口 结构见图1。
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(3)测试方法:将Ps泡沫密封箱(30 cm×50 cm x20 cm,壁厚2 cm)的上部镂空,将试板涂膜朝上放在镂空处,在涂层上和涂层背面钢板上各安装数显测温表,在Ps密封箱内距钢板10 cm处安装玻璃温度计,将250 W红外灯置于试板上方20 cm处,在室温25℃条件下照射30 min,涂层表面达到稳定热平衡状态,此时测定涂膜表面温度、钢板背面温度和箱体内部环境温度。将涂刷Js防水涂料的试板2号替换试板1号,用同样的测试方法测定2号试板涂膜表面温度、钢板背面温度、箱内温度。
(4)反射率计算
在室温为25℃ 条件下,测得1号试板反射隔热涂层温度为59.1℃ ,根据反射率公式:
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其中: 为黑板温度,一般固定T1=88℃ ; 为反射试板温度,测得T2 =59.1℃ ;T3为室温, 已知T3=25℃ ,根据公式可以算出反射率P=85% 。
2.5 产品性能指标
水性热反射隔热防水涂料的性能指标见表2
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3 结果与讨论
3.1 聚合物乳液的选择
聚合物的种类、性能及用量对防水涂膜的性能起决定作用。水性热反射隔热防水涂料是一种多功能型聚合物水泥防水涂料,它是在JS防水涂料的基础上添加了纳米材料和隔热材料,使涂膜不但具有优异的防水性能,而且又有隔热降温、节能降耗、耐候抗沾污等功能。


因此,对聚合物乳液的选用更为严格。弹性好、透明度高、抗紫外线、耐老化的丙烯酸乳液当为首选。选用不同厂家的2种丙烯酸弹性乳液,分别与粉料按l:l混合后制膜,其涂膜性能对比见表3。
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由表3可知,在基本配方中其它因素不变的前提下,自交联弹性苯丙乳液比普通弹性苯丙乳液制得的涂膜各项性能均有显著提高。


因为丙烯酸共聚物结构中存在一C00R,通过交联改性后可使原来的线性结构在成膜过程中形成立体网状交织结构,分子的键能增强,形成的大分子结构的力学性能好,抗拉强度和延伸率均有不同程度地提高,耐水性、抗老化性明显增强,吸水率降低,减少了水分子进入高分子链间而造成的涂膜溶胀。


因此,从提高涂膜性能的角度出发,选用交联型丙烯酸乳液为好。如果再采用适当的改性处理,就可进一步提高聚合物一水泥体系的耐水和耐候性。


3.2 偶联剂的选用及作用
偶联剂具有2种不同性质的反应基团。亲无机基团可与无机物表面的化学基团反应,形成强固的化学键合;亲有机基团可与有机分子反应或物理缠绕,从而使有机与无机材料界面实现化学键接。不同品种偶联剂,在相同用量情况下对水性热反射隔热防水涂料的性能影响见表4。
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由表4可知,在基本配方各因素相同的情况下,只改变偶联剂的品种制得的涂膜,其耐水性和抗拉强度按强弱顺序排列为:硅烷偶联剂>复合偶联剂>酞酸酯偶联剂;断裂伸长率按高低顺序排列为:钛酸酯偶联剂>复合偶联剂>硅烷偶联剂;3种偶联剂对潮湿基面的黏结强度影响不太明显;


与对照样品相比,每种偶联剂的加入,各项性能均比对照样有明显提高。其机理是:当含有偶联剂的液料与粉料以一定比例混合均匀并施工后,钛酸酯偶联剂中的烷氧基和硅烷偶联剂中的环氧基硅烷经水解生成硅醇基,硅醇基与活性无机矿粉表面的活性基团形成氢键或缩合而成一Si0一M共价键,同时硅烷分子间的硅醇基互相缩合、齐聚形成网络结构,增强了硅烷与无机材料间的界面键能。


偶联剂中的亲有机分子链段与乳胶粒子或是水化后的高分子膜通过氢键、范德华力缠绕结合,使整个聚合物水泥界面由无机胶凝层、偶联剂“分子桥”及偶联剂的高分子链段与乳胶粒子缠绕构成,偶联剂起到“分子桥”作用。


另外,硅烷对惰性颜填料颗粒进行包覆,使其取得R(不能水解的反应性官能团)朝外取向的表面改性,从而易被有机基料润湿和分散,使涂料降低黏度、增强流动性和流平性。总之,偶联剂可以将2种性质不同的有机与无机材料桥接起来形成网络结构,从而提高了聚合物水泥复合防水涂膜的力学性能和耐水性能。


3.3 无机胶凝材料的选择
水泥是构成聚合物水泥防水涂料中无机胶凝材料的主要成分,对提高涂膜的耐水性、耐候性、抗拉强度、黏结强度具有至关重要的作用。在热反射隔热防水涂料中,白水泥比普硅水泥对提高涂膜的耐水性和反射率贡献更大,因为白水泥一般为高铝水泥,而普硅水泥为低价金属盐,当水泥水化后,高价金属盐同聚合物的活性基团产生的交联作用要大于低价金属盐,因此用白水泥时的涂膜耐水性和力学性能更好。


由太阳热反射隔热涂膜的光学属性(反射、散射)所限,该涂料的颜色必然是白色或浅色,因为白色颜料对太阳光的反射系数大于吸收系数,而深色颜料(如炭黑)则相反。因此,从提高涂膜的光热反射角度出发,应选用白度高的白水泥为主要无机胶凝材料。


硅灰,又叫活性二氧化硅,SiO 含量大于90% ,细度约7 000目,比表面积是水泥的80~100倍,水化产物效应相当于水泥的5倍。在反射隔热防水涂料中添加适当的硅灰,可明显提高涂膜的力学性能。另外亚微米级的硅灰细粒子还有极佳的渗透力,可有效地填充和堵塞基层的毛细孔和涂膜中的孔隙,提高涂膜的致密度,增强其黏结强度、耐水抗渗性能。
硅灰的用量对涂膜的性能影响见表5。
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由表5可知,在基本配方中,随着硅灰用量的增加,涂膜的耐水性提高、吸水率降低、抗拉强度逐渐提高、断裂伸长率先增后降、潮湿基面黏结强度略有增长。其机理是:当液料与粉料混合后聚合物与白水泥、硅灰之间发生了一系列反应;


丙烯酸乳液结构中的一COOR等活性官能团可与水泥的水化产物Ca¨、Ca(OH):发生化学反应,聚合物与水泥的水化产物之间产生化学键合,增强了复合材料的力学性能,水化产物Ca(OH):又可与硅灰发生如下反应:XCa(OH):+SiO +(n一1)H:O=XCaO·SiO ·n H O,其反应生成水化硅酸钙,在填料粒子表面形成薄层c—si—H凝胶,在偶联剂的桥接作用下,与有机聚合物构成有机一无机三维网络结构,提高了涂膜的力学性能和耐水、耐候性能。


3.4 功能填料的选择
地球所获得的能量主要来自于太阳。太阳对地球传播热的形式是辐射,建筑物接受辐射后升温,然后形成相互之间的对流和传导,由此使建筑物外表及内部温度升高,同时引发城市热岛效应。


为了维持生活环境的舒适度,必然增加了空调制冷的用电量,由此带来的后果是CO:排放量和雾气的增多。据统计,在酷热的下午,每天最高气温升高1 oC,要求用电量上升2%,CO2发生量为0.387 kg/(kW ·h),雾气相应增加10%。为了有效降低建筑物对太阳光中红外和可见光的吸收,降低电能消耗,涂刷太阳热反射隔热涂料是一种行之有效的方法。太阳热反射涂膜是通过反射外部太阳光的能量,并通过大气窗口(波长8~13 m)将物体表面的能量辐射到外层空间,从而使物体降温。


隔热降温涂料的设计应具备2个基本条件:①提高涂层的光热反射率;②提高涂层的热辐射率。只有如此,在夏季才能既降低涂层中太阳辐射的热积累,又使墙体本身的辐射热向外传播,从而达到隔热降温、节约制冷能耗之目的;在冬季采暖季节,涂层隔绝了室内热量向外传导散发,将热能反射回室内,又起到保温节能作用。

要使涂膜达到高反射率,就必须选用高折光系数的颜填料,另外颜色要浅;要达到高辐射率,就必须选用具有红外辐射功效的材料。空心玻璃微珠呈半透明性、中空结构,光反射率达80% ~88%,导热系数为0.07 W/(m·k),涂料中加入适量的空心玻璃微珠后,当太阳光照射到涂膜表面后,光线能通过排布紧密的空心玻璃微珠产生多次反射,从而提高了涂膜的反射率。


试验证明,空心玻璃微珠的粒径与光入射波长之比为0.1—10.0较合适,一般选用270~600目的较好。
在基本配方中添加不同质量份的空心玻璃微珠制得涂料,当涂膜厚度为0.5 mm时,其反射隔热性能变化见表6。
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由表6可见,在聚合物水泥防水涂料中,随着空心玻璃微珠添加量的增加,试验条件下测得的涂膜表面温度呈逐渐下降趋势,当空心玻璃微珠添加量达到20%时,涂膜表面温度下降了14.2 cI=,当添加量达到30%时温度下降了16℃ ,再继续增加空心玻璃微珠的用量,降温效果不显著。另外,空心玻璃微珠的加入还会对涂料产生如下功效:①提高涂膜的抗紫外线、耐老化作用;②提高涂料的流动性、流平性、表面硬度、耐磨划性;③提高涂膜的耐沾污性、防腐蚀性和耐黄变性。


辐射降温的原理在于:当辐射体的散热大于吸收时,才会出现降温现象。如果涂层对大气窗口波段的吸热率很高,而对其它波段的反射率很高,就会获得优异的散热效果,红外辐射粉就是一种具有这种效果的填料。


具有反尖晶石结构的掺杂金属氧化物,如Fe2O3,、MnO2、Co2O3,、CaO等和纳米级氧化铟铴(ITO)、氧化铴锑(ATO)、氧化锌铝(AZO)都是优良的红外辐射材料。在廉价的矿粉中,滑石粉、云母粉、硫酸钡、硅藻土及以SiO 为主要成分的硅灰粉等均可作为红外粉的替代品使用。据报道,在硅酸盐结晶相中,加入AI O,、TiO:等金属氧化物也能制备出红外辐射涂料,在5~15 m波段内辐射红外线的能力在85%以上。


本研究正是利用了白水泥和硅灰水化产物形成的硫铝酸钙及钙钒石(3CaO·A1zO3·3CaSO ·32HzO)这种不溶于水的晶体相,配合少量的滑石粉和硅灰作为红外辐射复合材料,取得了满意的辐射降温效果。


3.5 纳米耐沾污剂的作用
常规聚合物水泥防水涂料的涂膜耐沾污性差,其原因是:①使用的弹性乳液Tg 低,涂膜在使用温度下容易变软或返黏,极易黏附灰尘而形成污染;②在填料中,由于使用了粒度较粗的石英砂,因此形成的涂膜粗糙、多孔,极易吸附或渗入污物而成永久性污染。如果热反射隔热防水涂膜一旦被污染,势必会降低其光热反射率和辐射率,影响涂膜的隔热性能,因此,必须保证其具有优异的耐沾污性、自洁性。将水性纳米耐沾污剂添加在乳液中,可以显著提高热反射隔热防水涂料的耐沾污性。


其作用机理是:纳米粒子经过表面处理剂包覆、接枝后,处理剂中的一个官能团与纳米粒子表面的羟基反应,在成膜过程中另一个朝外取向的官能团与有机聚合物大分子反应、接枝,纳米粒子成为活性交联中心,形成立体网状结构,增强了涂膜的交联密度和表面强度;纳米细粒子填充了较粗填料粒子之间的空隙,使涂膜更加致密、平整、光滑。上述涂膜特点正是获得耐沾污涂膜的基本因素,而关键因素则是:纳米粒子表面的亲水基团赋于涂膜表面亲水性。


亲水基团具有低带电性,与带电的浮游颗粒之间的静电引力小,使其难以附着在涂层表面;亲水性涂膜具有憎油性,一些亲油性污染物很难附着,即使附着也黏附不牢,容易被风吹走或被雨水冲洗掉,从而保持涂膜自洁。试验证明,当纳米疏水剂的添加量达到0.8% ~1.O%时,可使涂膜的耐沾污性由26%降低到12%。

4 结语
(1)本研究制备的聚合物水泥涂料,其涂膜兼具热反射隔热降温功能、防水功能、耐污自洁功能,可单独或与其它材料复合应用于建筑物屋面及外墙的涂装。
(2)自交联型弹性丙烯酸乳液,通过偶联剂及纳米耐沾污剂改性后,明显提高了涂膜的交联密度和强度,使涂膜平整光滑、致密,按JC/T 894-2001标准检验,各项物理性能均明显超过标准要求,耐沾污性由对照的26%下降至12% 。
(3)空心玻璃微珠具有中空结构,表现出很强的反射能力,具有极佳的隔热性能,对提高涂膜的光热反射率有突出贡献;硅灰主要成分为SiO ,具有红外辐射功能,与滑石粉配合作为红外辐射材料,对提高涂膜的红外辐射率有一定作用。制备的涂料在试验条件下其涂膜反射率达85% ,隔热性(温差):表面温差为15℃ ,内部温差4 oC,具有显著的隔热降温功效,尤其适于我国夏热冬暖、夏热冬冷地区应用。

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