沥青路面不饱和聚酯降温涂料的研制

李文珍，李 亮，石 飞，魏河广，钟志明

(1.重庆交通大学，重庆400074;2.中交一航局 一公司第七项目部，天津300456;3.重庆渝通公路工程总公司，重庆400060)

太阳热反射涂层是指涂覆于物体表面的节能型涂层材料，它可对太阳辐射中的可见光波段(0.4～0.76 μm)和近红外波段(0.76 ～2.5 μm)具有高反射，并将吸收的热能以长波(2.5～15 μm)的形式辐射到外围空间，从而抑制涂层表面温度的上升以及降低涂覆物内部和周围温度［1］。在技术较为领先的美国、日本等，将太阳热反射涂料用在甲板和汽车外壳上［2］，特别是在美国已成功地应用在航天工业和国防军事上［3］。在国内也有这方面的综述和相近领域的研究报道，天津大学康翠荣［4］等自制了一种降低储存罐内装液体的温度的热反射涂料;青岛海洋化工研究院战为民［5］等主要针对深灰色甲板的太阳热反射涂料进行研究。

目前，国内外的热反射涂料主要是用于建筑、储油罐的隔热，以及飞行器甲板的降温等方面［6］，但应用于沥青路面温度场控制方面的相关研究甚少。在我国，已建成的公路中约有75%为沥青路面。虽然沥青路面具有平整度高、舒适性好等优点，但沥青的太阳吸收率很高，达到 0.85 ～0.95［1］。夏季炎热时，我国大部分地区气温往往超过35℃甚至40℃以上，此时沥青路面的温度可以达到60～65℃，高温的沥青路面会导致路面产生一系列热稳性病害。因此，研制一种可用于沥青路面的热反射涂料，可以有效地降低沥青路面的温度，减少路面病害。

1 试验

1.1 原材料

自制改性不饱和聚酯;二氧化钛(TiO2)，市售;二氧化硅(SiO2)，市售;MEKPO、环烷酸钴，深圳长辉化工有限公司;过氧化苯甲酰(BPO)、N，N－二甲基苯胺(DMA)、N，N－二甲基对甲苯胺(DMT)，成都科龙化工有限公司;铁红、铁绿，新乡鹏呈化工有限责任公司;炭黑，青岛德固赛化学有限公司;黑色素，科勒颜料有限公司。

1.2 试验仪器

采用自制热反射率测定装置如图1。

图1 热反射涂层温度测试仪Fig.1 Temperature test equipment of solar－reflect coatings

1.3 涂料的制备工艺

将一定量的颜填料，加入相应质量的改性树脂中，再加入适量的消泡剂、流平剂等助剂，在低速搅拌器下搅拌适当的时间，将颜填料与树脂充分混合均匀而得。

1.4 试验方法

凝胶时间:平板小刀法测试，并记录树脂开始抽丝和抽丝拉断的时间，抽丝拉断的时间即为树脂凝胶时间;

耐磨性:GB1768《漆膜耐磨性测定法》，计算试验后样品减少的重量;

黏度:GB/T1723《涂料黏度测定法》，采用便携式涂－4杯黏度计测试;

耐水性:GB/T1733，观察样板表面状况;

耐汽油性:GB/T1734，观察样板表面状况;

耐候性:参照GB/T16422.1的人工加速耐候性试验，将样板置于自制环境箱中，开启碘钨灯照射样板600h。观察照射前后样板表面状况。

2 结果与讨论

2.1 材料组成及用量对涂料性能影响

2.1.1 固化体系对涂料树脂凝胶时间的影响

采用3种不同固化体系:BPO/DMT、BPO/DMA和MEKPO/环烷酸钴体系，通过研究促进剂用量对自制树脂凝胶时间的影响来选择合适的固化体系。在10℃温度下，取10 g树脂。BPO/DMT和BPO/DMA体系中，采用BPO用量为树脂质量的2%;MEKPO/环烷酸钴体系中，MEKPO用量为树脂质量的3%。促进剂用量与凝胶时间关系如图2。

图2 不同固化体系对UPR凝胶时间的影响Fig.2 Impact of different curing systems on UPR gelation time

由图2可以看到，不同体系的凝胶时间差别较大。对于BPO/DMT体系，随DMT用量增加，凝胶时间缩短，但该体系固化速度过快，凝胶时间过短，不易于路面施工;对于BPO/DMA体系，随着DMA用量的增加，聚酯凝胶时间减少，凝胶时间为25 min左右，凝胶时间适当，但该体系固化后固化物表面发黏，这是由于聚酯固化接触空气时，引发剂产生的自由基会积极地先与空气中的氧反应，而不是继续与聚酯发生共聚反应;对于MEKPO/环烷酸钴体系凝胶时间在60 min左右，固化后固化物表面状况良好，适用于路面施工。

2.1.2 填料用量对涂料性能的影响

功能性填料是热反射涂料实现降温的关键材料。通过资料的收集和初步试验，将填料的含量确定在7% ～25%(即 7%，10%，13%，16%，19%，22%，25%)，通过热反射涂层温度的测定、遮盖力的观察，确定涂料中填料的最佳含量。初选TiO2和SiO2比例为2∶1，研究填料用量对涂料的降温性能的影响。将涂有不同含量填料的涂料样板分别与黑体放置于环境测试箱中，测定光源照射30 min后的平衡温度，计算得到温差如图3。

图3 不同填料用量下涂料样板温差Fig.3 Difference in temperature of coating samples with different amount of fillers

从图3可以看到，当填料含量低于10%时，降温效果明显，在7%为10.6℃，10%为14℃，但此时涂料涂刷后遮盖力不够、外观不均匀现象明显;当填料含量在13% ～22%时，降温效果十分明显，并随着填料用量的增加，降温效果趋于平缓，与黑体相比温度降低了16℃，涂层遮盖力较好，结合经济性分析，建议填料含量为13% ～15%;当填料含量在25%时，降温效果最明显，但此时涂料本身稠度过大，搅拌困难，不利于涂刷。

2.1.3 不同TiO2/SiO2比对涂料性能影响

由图3初步确定填料用量为14%。其中，SiO2对涂料的耐磨性有重要影响;TiO2对涂料的反射性能及遮盖力起决定作用。因此选择4种不同TiO2/SiO2比，以研究其对涂料性能的影响。

从表1中可以看到，耐磨试验后质量损失都很小，表明涂料具有高耐磨性;随着TiO2/SiO2比的增加，降温值增加，耐磨试验重量损失略有降低。这是因为TiO2含量的增加提供了更高的热反射性，而SiO2含量的增加则提供了更强的耐磨性，因此TiO2/SiO2比为10/4时既可以实现较好的降温，同时耐磨性又极佳。

表1 TiO2/SiO2比对涂料性能影响Tab.1 Impact of TiO2/SiO2ratio on the performance of coatings

2.1.4 灰色颜料对降温性能的影响

有研究指出，在大气质量为1时、太阳辐射为945W/m的情况下，灰色热反射涂层的表面温度可比同等其他颜色涂层降温性能优异。因此，采用炭黑(0.5%)+钛白粉(10%)、黑色素(0.5%)+钛白粉(10%)、铁红(0.5%)+ 铁绿(0.8%)3 种配色方法配制灰色涂料，并将涂覆这3种灰色涂料的样板分别与黑体放置于环境测试箱中，测定光源照射30 min后的平衡温度，计算得到温差如图4。

图4 不同灰色颜料降温效果Fig.4 Temperature reduction effect of different kinds of gray coatings

从图4可以看出，在涂料中加入不同方法配制的灰色颜料，与黑体温度相比，降温程度明显不同。采用炭黑+钛白粉配置的灰色颜料吸热性极强，温差仅为1.8℃;黑色素+钛白粉的温差达到近8℃;铁红+铁绿温差达到16.6℃，降温效果最好。因此，灰色降温涂料不能采用黑加白配制。

2.2 热反射涂料性能参数测试

路面热反射涂料作为一种新型涂料，无相应的测试标准，因此研究中参照JT/T 280—2004《道路标线涂料标准》和 HG/T 3829—2006《地坪涂料标准》，同时结合热反射涂料在路面中实际的使用情况，以配制的灰色涂料为研究对象，其性能参数如表2。

表2 路面热反射涂料性能测试结果Tab.2 Testing results of highway thermal reflective coatings performance

表2表明，制备的热反射涂料不仅可有效降低物体表面温度，而且具有良好的耐磨性、耐水性、耐汽油性、柔韧性以及耐候性，其性能满足实际的路面需求。

2.3 热反射涂料降温效果评价

成型2块相同的30 cm×30 cm×5 cm的SMA－13车辙试件，其中一块表面保持原状，另一块表面涂布一层0.8 kg/m2的路用热反射涂料。将试件暴露于太阳光下，测试点为试件中部2.5 cm深处，测试时间为2010－05－24 T 10:00—2010－05－25 T 10:00，5月24日最高气温为34℃(图5)。从图5中可以看到，无涂布涂料的SMA沥青混凝土试件2.5 cm深处当日最高温度为58℃，而涂布热反射涂料的试件最高温度仅为48℃，即采用该涂料可降低试件温度近10℃，这一结果表明热反射涂料可以很好地降低路面温度，减少路面病害。

图5 不同表面状况SMA－13试件2.5 cm处温度Fig.5 Temperature of the testing points(middle of the specimen 2.5 cm depth)of SMA-13 sample with different surface condition

3 结论

1)采用MEKPO/环烷酸钴体系作为涂料的固化体系，固化后固化物表面状况良好，固化时间适用于路面施工;

2)随填料用量增加涂料的降温效果先增加后趋于平缓，过高的填料使涂料黏度过大，影响施工，建议填料含量为13%～15%;

3)填料中随着TiO2/SiO2比降低，涂料降温效果减弱，耐磨性增强;

4)采用红色(0.5%)和绿色(0.8%)配置的灰色颜料对涂料降温效果最好;

5)涂料具有良好的耐水性、耐油性、柔韧性、耐磨性和抗滑性，在夏季高温季节可降低路面温度近10℃。

［1］梁满杰.沥青路面光热效应机理及热反射涂层技术研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006.

［2］［日］久保和幸，川上篤史.道路舗装におけるヒートアイランド対策［J］.土木技術，2006(8):29－36.

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