水性隔热涂料制备及性能研究

冯 娟,黄 超,秦少雄,苏高申 (长江大学化学与环境工程学院,湖北荆州434023)

水性涂料因其无毒、环保、经济等优势逐渐引起人们的关注。随着对建筑节能要求的不断提高,水性涂料的隔热功能化成为现今涂料研究的热点[1～4]。目前研究的隔热涂料主要有3种类型:阻隔型隔热涂料、反射型隔热涂料和辐射型隔热涂料[5]。国内外关于隔热涂料的报道较多,但大多数只是停留在理论层面,实际应用还有待进一步推广。关于阻隔型隔热涂料的研究应用较少,存在的主要问题是隔热效果不好。重要原因是涂料的膜结构设计不合理,导致其热阻隔性较差。由于水性涂料含有相当比重的固体无机矿物质填料,填料在涂料中均匀分散,相互搭接形成无数热桥,不利于隔热。下面笔者通过将球形的中空玻璃微珠和不规则形状的膨胀蛭石进行级配,对隔热涂料涂层的结构进行控制,考察了涂层结构变化对涂料隔热保温性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料及设备

1)材料 苯丙改性乳液(北京东方亚科力化工科技有限公司);中空玻璃微珠HGB(Hollow glass bead,中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)、膨胀蛭石EV(expanded vermiculite,上海汇精亚纳米新材料有限公司)、涂料助剂 (北京东方亚科力化工科技有限公司)、轻钙、滑石粉和煅烧高岭土等 (市售)。

2)设备 高速分散用搅拌装置FJ-200型(上海普申化工机械有限公司)、隔热性能检测装置(自制)。

1.2 隔热效果测试装置及测试方法设计

笔者自制了一套隔热性能检测装置,如图1所示。测试方法如下:装置放放置在室温25℃环境中,装置用3cm厚泡沫板密封保温,选用500W碘钨灯模拟热源,试板基材选用导热良好的0.25mm厚铝板。将涂料涂在铝板的一侧,背对热源测试,涂膜厚度为0.1mm。试板左侧温度用T1表示,右侧温度用 T2表示,试板两侧温差ΔT=T2-T1。以温差ΔT对测试时间t作图,对比不同组分隔热涂料的隔热效果,隔热涂料的隔热效果用 Tmax来表征:

图1 自制隔热检测装置

式中,ΔT隔热为隔热涂料试板2侧温差,℃;ΔT普通为普通乳胶涂料试板2侧温差,℃。

1.3 隔热涂料制备

将分散剂加入水中,高速搅拌下加入填料,分散30min,然后加入胶乳和成膜助剂等添加剂,中速搅拌下加入增稠剂增稠,中空隔热填料在增稠前缓慢加入,即得涂料试样。

2 结果与讨论

笔者选用膨胀蛭石 (EV)、中空玻璃微珠 (HGB)及两者复配作为隔热功能填料,制备出了不同组分的隔热涂料,并用自制的测试装置及测试方法对其隔热效果进行了表征,结果及讨论如下。

2.1 膨胀蛭石对涂料隔热性能的影响

膨胀蛭石具有密度小、疏松多孔等特点[6],将其添加到涂料中,以期产生一定的隔热效果。固定填料总含量为20%,分别用质量分数20%、15%、10%、5%的膨胀蛭石取代等量的轻钙、滑石粉和煅烧高岭土等体质填料,制备不同膨胀蛭石含量的涂料。将涂料涂覆在铝板,检测其隔热性能,绘制ΔT-t曲线,结果如图2所示。从图2可以看出,隔热效果排序A1＞A2＞A3＞A4＞A0,即少量膨胀蛭石就可以起到较好的隔热效果。随着膨胀蛭石含量的增加,隔热效果逐渐降低。膨胀蛭石含量为5%时,Tmax可达到3.4℃。

膨胀蛭石疏松多空,形态结构比较复杂,大部分呈片层结构,片层内部孔隙保留了气体,能够起到一定的隔热效果。同时其隔热效果与膨胀蛭石在涂膜中的排列结构有很大关系。5%含量膨胀蛭石能够均匀分散在涂料当中,涂膜干燥后,且由于膨胀蛭石含量较少,颗粒与颗粒之间不容易聚集,也不会桥接,形成热桥数目就少,所以5%含量膨胀蛭石涂料隔热效果好。随着膨胀蛭石含量的增加,其隔热效果出现下降。可能原因是膨胀蛭石含量增加,膨胀蛭石在涂膜中会出现局部收缩堆积现象,膨胀蛭石与膨胀蛭石之间也会出现桥接,形成许多热桥,热桥数目随膨胀蛭石含量增加而增加。故涂料隔热效果随膨胀蛭石含量增加而下降。

2.2 中空玻璃微珠对涂料隔热性能的影响

中空玻璃微珠具有质轻、绝热、隔音、热稳定性好、耐腐蚀、特殊的力学性能等优点[7]。将它添加到普通涂料当中,不仅具有对热的阻隔作用还可以反射来自外部的能量。由于中空玻璃微珠为密闭球体,其内部为类真空结构,在涂层中会形成很多微观的独立绝热腔体,能阻止热量的传递,使涂料的导热系数大大降低。确定填料总含量为20%,分别用质量分数为5%、10%、15%、20%的中空玻璃微珠取代等质量的体质填料,制备不同含量的隔热涂料。将涂料涂覆在试板上,检测其隔热性能,绘制其ΔT-t曲线,结果如图3所示。从图3可以看出,隔热效果排序B2＞B4＞B3＞B1＞B0。5%含量中空玻璃微珠几乎无隔热效果,其 Tmax只有0.5℃;10%含量中空玻璃微珠隔热效果最好,Tmax可达5.2℃;15%含量中空玻璃微珠隔热效果较差,Tmax为1.4℃;20%含量中空玻璃微珠隔热效果较好,Tmax为3.2℃。

图2 膨胀蛭石对涂料隔热性能的影响

图3 中空玻璃微珠对涂料隔热性能的影响

当中空玻璃微珠含量为5%时,中空玻璃微珠含量较少,中空玻璃微珠在涂膜内排列稀疏,体质填料含量较高,相互桥接形成传热通道致使涂料的隔热效果不明显。当中空玻璃微珠含量增加到10%时,中空玻璃微珠在涂膜中排列较密集,分散均匀,此时热阻隔效果明显增加。试验中发现,中空玻璃微珠含量超过10%时,由于中空玻璃微珠质轻,在涂料涂覆前稀释时上浮且容易粘附在涂覆工具上,造成涂层中中空玻璃微珠的实际含量较少,涂层的隔热测试结果就不理想,即产生了B2＞B4＞B3的结果。

2.3 中空玻璃微珠和膨胀蛭石复配后对涂料隔热性能的影响

综合膨胀蛭石和中空玻璃微珠的隔热性能,将两者同时加入到涂料当中,完全取代普通体质填料,探讨两者同时存在时对涂料隔热性能的影响。固定填料总含量为20%,分别制备不同配比的中空玻璃微珠和膨胀蛭石的涂料试样。研究其对涂料涂膜结构及隔热性能影响。将涂料涂抹在铝板上,检测其隔热性能,绘制ΔT-t曲线,结果如图4所示。从图4可以看出,隔热效果排序C3＞C2＞C4＞C1＞C5＞C0。复配后的隔热涂料隔热效果比单独添加功能填料隔热效果要好。C3隔热效果最好,其Tmax可达到7.2℃;其次是C2,其Tmax可达5.2℃。C4的Tmax为3.9℃。

图4 中空玻璃微珠和膨胀蛭石对涂料隔热性能的影响

涂料含10%中空玻璃微珠和10%膨胀蛭石时,中空玻璃微珠在涂料中均匀分散,起主要隔热功能,膨胀蛭石起次要隔热功能,复配后光和热在涂料中的传递变得更加复杂。试验发现,中空玻璃微珠含量超过10%时,由于玻璃微珠上浮和在涂覆工具上的粘附会造成试板制样困难,中空玻璃微珠会出现局部堆积,涂料隔热效果下降,但此时由于膨胀蛭石的存在,涂料仍有较好的隔热效果。

3 结 论

1)少量膨胀蛭石就可以起到较大的隔热效果,增大膨胀蛭石含量,隔热效果出现下降。膨胀蛭石添加量为5%时,Tmax可达3.4℃。

2)中空玻璃微珠能够起到很好隔热效果,含量为10%时,Tmax可达5.2℃,继续增加中空玻璃微珠含量会造成涂覆困难且影响涂料隔热效果。

3)将中空玻璃微珠和膨胀蛭石复配作为涂料的隔热功能填料能够起到很好的隔热效果,比单独使用效果要好。当涂料中膨胀蛭石和中空玻璃微珠含量均为10%时,隔热效果最好,Tmax可达7.2℃。

[1]王瑾璐,蔡会武.薄层隔热涂料的制备及其性能研究[J].涂料工业,2009(4):5-7.

[2]吴邦俊,陈明凤.阻隔型外墙隔热涂料的研制及性能研究 [J].重庆建筑,2010(5):24-25.

[3]刘杰,李翔.水性太阳热反射隔热涂料的研究 [J].北京化工大学学报 (自然科学版),2009(1):44-49.

[4]邢俊,林庆.新型隔热保温涂料的研制 [J].中国涂料,2010(5):40-42.

[5]靳涛,刘立强.外墙用隔热涂料的应用现状与发展 [J].新型建筑材料,2008(6):87-89.

[6]刘福生,彭同江.膨胀蛭石的利用及其新进展 [J].非金属矿,2001,7(4):6-7.

[7]靳涛,刘立强.玻璃微珠在涂料中的隔热性能研究 [J].涂料工业,2008(9):15-17.