水性建筑隔热保温外墙涂料的研制

陈中华 *，张玲

（1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640；2.广州集泰化工有限公司，广东 广州 510520）

1 前言

能源的不可再生性使其成为影响世界发展的重要问题，而建筑住房的不断增多使得保温节能材料在建筑行业的运用日益广泛，建筑外墙涂料的保温隔热性能也越来越受到人们的关注。近年来，关于建筑外墙保温隔热涂料的开发与应用已经成为建筑涂料的主要发展趋势之一[1-2]。

目前，保温隔热涂料主要采用调节涂层的吸收/辐射比、增大涂层的热阻和红外辐射制冷等模式[3]，但在实际使用中存在涂层过厚、表观效果较差、隔热保温效果受大气和灰尘影响等缺点。针对上述问题，本文从4 种广泛使用的隔热填料中优选出导热系数低、热反射率高的热反射隔热粉为隔热填料，制备出一种新型的建筑隔热保温外墙涂料，并从隔热效果、微观形貌和施工厚度等几个方面与近年来研究较热门的空心玻璃微珠隔热涂层作比较。结果表明，热反射隔热粉涂料的综合性能明显好于空心玻璃微珠隔热涂料，且薄层施工就可达到较好的隔热保温效果，同时表观效果良好，隔热效果较持久。

2 实验

2.1 主要原料

纯丙乳液A，美国陶氏化学公司；苯丙乳液B、硅丙乳液C、弹性乳液D，国产；热反射隔热粉、纳米掺锑二氧化锡(ATO)浆料、闭孔珍珠岩，国产；空心玻璃微珠，美国3M 公司；气相二氧化硅，中石化双吉化工；润湿分散剂、消泡剂和疏水剂，迪高化学；成膜助剂，伊士曼化工；防霉防菌剂、丙烯酸酯类增稠剂、pH 调节剂，美国陶氏化学公司。

2.2 主要仪器

JSF-400 型搅拌砂磨分散多用机，上海普申化工机械有限公司；WYSK-100X 读数显微镜，上海舒耀仪器设备有限公司；QUV-II 型紫外加速老化仪，上海现代环境工程技术有限公司；热电偶温度计，台湾TES 公司；仿真隔热测试仪，自制；Lambda950 型紫外-可见光-近红外分光光度计，美国PE 公司；AE 式法向发射率测定仪，美国ACH 公司；Nova NanoSEM 430 型超高分辨率场发射扫描电子显微镜，美国FEI 公司。

2.3 隔热保温涂料的制备

隔热保温涂料的基础配方如下：

乳液 30%～50%

隔热功能填料 6%～15%

其他颜填料 15%～30%

成膜助剂 2%～4%

润湿分散剂 0.5%～1.5%

疏水剂 1%～4%

pH 调节剂 0.1%～0.3%

流变助剂 0.3%～0.5%

增稠剂 0.5%～2.0%

消泡剂 0.3%～0.7%

防霉防菌剂 0.1%～0.3%

水 余量

按配方中的量，依次加入去离子水、防霉防菌剂、润湿分散剂、pH 调节剂、流变助剂和一半消泡剂，中速(1 000～1 200 r/min)搅拌3～5 min，然后加入乳液、颜填料，再高速(2 500～3 000 r/min)分散30 min，直到细度达40 μm 以下，接着在低速(600～800 r/min)搅拌下加入成膜助剂、疏水剂和另一半消泡剂，搅拌10 min，最后添加适量增稠剂调节涂料至合适黏度(85～90 KU)，过滤即得成品。

将制得的隔热涂料按GB/T 9755-2001《合成树脂乳液外墙涂料》的要求、采用线棒涂布器制板，在(23 ± 2) °C、相对湿度50% ± 5%的条件下干燥7 d 即可测试。

2.4 测试与表征

2.4.1 自制仿真隔热测试仪

参照建筑工业行业标准JG/T 235-2008《建筑反射隔热涂料》，并借鉴国内外科研单位的测试方法[4-5]，建立了如图1所示的隔热能力评估系统，通过测定平衡温度和隔热温差(与空白板对比)来评价漆膜的隔热性能。

以纤维增强硅酸钙板作为隔热温差试验的空白试板，尺寸为100 mm × 100 mm × 5 mm，其表面处理按GB/T 9271-2008《色漆和清漆 标准试板》中的规定进行，并以空白板为基材制备隔热试板。测试条件：(1)室内测试，实验时应保证门窗紧闭；(2)调节电压，保证 测试时板上表面温度在(75 ± 2) °C；(3)测试过程中，将隔热试板和空白板放置在型腔上，涂层面朝向碘钨灯，观察2 块板内表面温度随时间的变化；(4)为保证数据的稳定性，测试时间为1 h；(5)除讨论厚度对隔热性能影响的测试样外，其余样板涂刷干膜厚度均为200 µm。

图1 隔热测试仪模型Figure 1 Model of heat-insulating tester

2.4.2 紫外-可见光-近红外光谱分析

采用美国PE 公司生产的紫外-可见光-近红外分光光度计对隔热涂料干燥后的涂膜进行分析，并测定太阳反射比。测试用样板为100 mm × 100 mm × 2 mm 的铝板，样板表面漆膜厚度为60 μm。

2.4.3 涂层辐射率测定

采用美国ACH 公司生产的AE 式半球辐射率测定仪对隔热涂料样板进行测试。测试用样板为100 mm × 100 mm × 2 mm 的铝板，样板表面漆膜厚度为60 μm。

2.4.4 扫描电子显微镜观察

将样品放置在铜片上面喷金，然后放入 Nova NanoSEM 430 型超高分辨率场发射扫描电子显微镜的试样仓进行观察。

2.4.5 外墙用涂料常规性能测试

常规性能测试用样板为纤维增强硅酸钙板，按GB/T 9755-2001 进行测试。耐洗刷样板规格为450 mm × 150 mm × 5 mm，耐人工加速老化样板规格为100 mm × 80 mm × 5 mm，其余各项测试所用样板规格为100 mm × 100 mm × 5 mm。

3 结果与讨论

3.1 成膜基料的选择

对于隔热保温涂料，成膜树脂的选择必须遵循以下两个原则：(1)成膜树脂必须能耐强紫外线辐射，含有环氧基团和易氧化芳香族基团的树脂不宜用作成膜基料[6]；(2)合成树脂的折光指数为1.45～1.50。由于树脂种类对涂层的太阳热反射能力影响不大，因此，可选择透明度高、对可见光和近红外光吸收率低的合成树脂为基料[7]。

鉴于树脂对涂层热反射性能影响较小，实验中选择了市场上常见的几种丙烯酸乳液进行实验。其透明性好，折光指数较低，本身不含吸热基团；同时它具有良好的耐水性、耐候性和附着力，安全环保，施工简便，适用于建筑隔热保温涂料。依据基础配方制成涂料后进行物理性能和耐候、耐沾污性能对比测试，结果如表1所示。

表1 不同水性丙烯酸树脂乳液对漆膜性能的影响Table 1 Effects of different water-based acrylic emulsions on coating performance

由表1的测试结果可以看出，苯丙乳液B 和弹性乳液D 制成的漆膜经紫外加速老化仪600 h 照射后出现轻微黄变，且弹性乳液D 的硬度较低、耐沾污性能较差，硅丙乳液C 的附着力较差；纯丙乳液A 具有较高的硬度和优异的附着力，制成的漆膜耐沾污性能最好，同时纯丙乳液A 的机械稳定性较好，在3 000 r/min的高速剪切力下不破乳，可在打浆时加入，极大地节省了配漆时间。综合这几个因素，本实验选择综合性能优异的纯丙乳液A 作为外墙用隔热保温面漆的主要成膜物。

3.2 隔热功能填料种类的选择及用量的确定

3.2.1 隔热功能填料种类的选择

隔热涂料中常用的功能填料主要有空心玻璃微珠、二氧化钛、氧化铝、纳米ATO 等，其中以空心玻璃微珠的应用最多。本实验中选用了热反射隔热粉、纳米ATO 浆料、空心玻璃微珠、闭孔珍珠岩等4 种隔热功能填料分别进行实验，并对涂膜进行隔热性能测试，以筛选出隔热性能最佳的填料。测试结果见表2。

表2 隔热填料种类对漆膜隔热性能的影响Table 2 Effect of filler type on heat-insulating property of the coatings

由表2可知，热反射隔热粉和空心玻璃微珠的导热系数较低，且漆膜的太阳反射比远远大于纳米ATO浆料和闭孔珍珠岩，从隔热温差也能直观地看出热反射隔热粉和空心玻璃微珠的隔热效果较好。这是由不同填料的成分和结构所决定的。热反射隔热粉是由金红石型TiO2、Al2O3、SiO2及酞酸酯组成的超细粉体，粒径为5～6 μm，这种填料具有导热系数低和比热小的特点，并且对太阳光中的红外及远红外波段具有较高的反射率；空心玻璃微珠是经特殊工艺制成的硼硅酸盐类薄壁空心球体，低导热且有良好的红外光反射性[8]；纳米ATO 导电粒子由于含有一定浓度的电子空穴，能够引起晶格中自由载流子的吸收，对分布于红外波段占45%左右的太阳能量起到良好的反射阻隔作用[9]，但纳米粒子的小尺寸效应使得其分散困难，纳米特性受到影响；闭孔珍珠岩是一种具有封闭多孔结构的发泡颗粒，主要由SiO2、Al2O3、Na2O 和K2O 组成，导热系数低且具有反光的连续玻质化光滑外表面，也具有一定的保温隔热效果，但其粒径较大，难形成连续的隔热涂层。

因此，选择空心玻璃微珠和热反射隔热粉作为本体系的隔热填料，并尝试将两者复配使用。

3.2.2 隔热填料用量对漆膜隔热性能的影响

分别考察了热反射隔热粉、空心玻璃微珠的不同配比对漆膜隔热性能的影响。结果见图2。由图2可知，热反射隔热粉用量为10%、空心玻璃微珠用量为7%时，漆膜的隔热性能最佳，隔热温差前者达8.5 °C，后者为7.8 °C。这是因为热反射隔热粉中的金红石型TiO2、SiO2、Al2O3等全波长远红外积分发射率较高的物质能够将太阳光热量发射到空气中，阻挡了热量的传递。随着热反射隔热粉用量的增加，隔热温差逐渐增大，隔热性能得到提高。然而热反射隔热粉的用量并非越多越好，添加量超过10%，粉体之间不能被乳液和其他基料很好地填充，彼此之间形成较多连通的空隙，造成辐射传热加剧，导致隔热作用减弱。空心玻璃微珠的多级组合能形成低导热率的封闭型中空气体层，并且其内部有许多细小的孔隙，能够很好地反射光和热等入射波，阻止热量的传递[10]。因此，当空心玻璃微珠的添加量小于4%时，由于其在涂膜中排布稀疏，不能形成致密的反射隔热层，光线能够透射穿过涂膜，隔热效果不佳；随着空心微珠用量的增加，其在涂膜中的排列逐渐紧密，反射隔热效果也显著增强。当含量达到7%时，玻璃微珠在涂膜中排布致密，此时对太阳光的反射率达到最大，热导率也明显降低。然而，继续增加玻璃微珠的含量，不仅使涂料分散困难，隔热效果下降，而且空心微珠紧密排列形成的中空气体层会导致涂层力学性能变差[11]。

图2 热反射隔热粉和空心玻璃微珠用量对漆膜隔热温差的影响Figure 2 Effects of dosages of reflective heat-insulation powder and hollow glass bead on heat-insulating temperature difference of the coatings

考察了热反射隔热粉涂层、空心玻璃微珠涂层和2 种填料复配后隔热效果最好的涂层试板内表面温度随时间的变化，结果见图3。

图3 3 种隔热涂层试板内表面温度随时间的变化Figure 3 Temperature variation of inner surfaces of three heat-insulating test panels with time

由图3可知，单独使用热反射隔热粉和空心玻璃微珠时，均有较好的隔热效果，且试板温度在60 min左右基本达到平衡。而热反射隔热粉与空心玻璃微珠复配后，涂层隔热效果反而变差，平衡时隔热温差仅为6.9 °C，这与复配后漆膜的太阳反射比下降相符。其原因可能是因为两者复合使用时热反射隔热粉的反射效果减弱，对热能的反射效率降低；同时由于空心玻璃微珠的相对用量减少，导致涂层热传递加快。因此，隔热反射粉和空心玻璃微珠复配后不但起不到协同作用，反而使涂层整体的隔热效果变差。

3.3 隔热涂层的扫描电镜(SEM)分析

图4为3 种涂层断面的SEM 形貌图。由图可知，含热反射隔热粉的涂层除了局部的小缺陷外，表面平整而且连续致密；在含空心玻璃微珠涂层中，可以看到球状的玻璃微珠浮于表面，漆膜比较疏松且有较浅的孔洞存在，表面粗糙；在热反射隔热粉与空心玻璃微珠复合涂层中，可以看到较深的孔洞，颜填料颗粒比较突兀，一些较大的颗粒甚至未被很好地包覆而裸露在外，与漆膜主体粘结较差。

图4 3 种涂层的截面形貌照片Figure 4 Images of section morphologies of three coatings

综合微观形貌和宏观隔热性能测试可知，空心玻璃微珠涂层表面粗糙，不适合做面漆。热反射隔热粉涂层的表观效果和隔热效果较好，适合作为外墙隔热面漆。因此，最终选择热反射隔热粉作为本体系的隔热填料。

3.4 涂膜厚度对涂料隔热性能的影响

以热反射隔热粉作隔热填料，用量为10%，研究了不同厚度热反射涂层对隔热效果的影响，结果见图5。

图5 不同厚度热反射隔热涂层的隔热效果Figure 5 Heat-insulation effectiveness of reflective heat-insulation coatings with different thicknesses

由图5可知，随着涂膜厚度的增加，试板内表面温度降低，隔热温差增大。当涂膜厚度从100 μm 增加到150 μm 时，同空白板相比，隔热温差从4.2 °C 增大到6.8 °C，隔热效果显著提高；当涂膜厚度增加到200 μm时，试板内表面隔热温差达到8.5 °C；继续增加涂膜厚度，隔热温差增大程度很小，隔热效果几乎没有明显提高。这说明对于热反射型隔热涂料，当涂层厚度较薄时，涂层的厚度对其隔热性能影响较大。如果涂层厚度较薄，入射光线就有可能透过涂层，将热量传递给涂覆基材，那么基材对热量的吸收与涂层反射隔热效果相抵消，总体隔热效果不佳；当涂层厚度增大到一定程度时，由于光线并不能够透过涂膜照射到基层，其反射性能只与涂膜表面的反射率有关，而与涂膜的 厚度无关，此时涂膜厚度的增加对反射率影响不大。因此，综合考虑，涂层厚度以200 μm 为宜。与空心玻璃微珠隔热涂层(其隔热性能最好时涂膜厚度为0.5 mm[12])相比，热反射隔热粉涂料薄层施工即可获良好的隔热效果。

3.5 PVC 对漆膜综合性能的影响

颜填料体积浓度(PVC)对涂层的综合性能会产生较大影响，因此，本文讨论了热反射隔热粉用量为10%时不同PVC 下漆膜的各项性能，结果见表3。

表3 颜填料体积浓度(PVC)对漆膜性能的影响Table 3 Effect of pigment volume concentration (PVC) on film performance

从表3可以看出，涂层的对比率随着PVC 的提高而逐渐增大，耐沾污性和隔热性能则随着PVC 的提高而出现了最佳点。当PVC 值为41.5%时，涂层的耐沾污性和隔热性能最好。这是因为，一方面随着PVC 的增大，漆膜中聚合物的相对含量降低，漆膜的硬度增加，其粘附性沾污减弱，耐沾污性得到提高，同时涂层的连续性得到改善，隔热性能提高；另一方面，PVC过高会使漆膜的孔隙率增加，涂层的致密性下降，不能形成连续的隔热层，隔热性能下降，同时漆膜的吸入性污染增大，漆膜耐沾污性下降。因此，PVC 从34.2%增加到48.1%时，漆膜的反射系数下降率呈先降后增的趋势，隔热温差和太阳反射比基本呈先增后降的趋势，耐沾污性和隔热性能在PVC 为41.5%时达到最佳。

3.6 隔热涂料涂层的光谱分析

太阳反射比是指在全波段范围内，涂层反射的太阳辐射能通量与入射的太阳辐射能通量之比。

采用紫外-可见光-近红外分光光度计对热反射隔热粉用量为10%、PVC为41.5%的涂层进行300～2 500 nm波段光谱的反射分析，全反射谱图如图6所示。由图6可知，隔热涂层在500～2 250 nm 波段都表现出较高的反射率，且该涂层在可见光波段的太阳反射比为0.923 1，全波段太阳反射比为0.815 2。

4 结论

图6 隔热涂料的太阳反射比Figure 6 Solar reflectance of thermal-insulation coating

(1) 选择了综合性能优异的纯丙乳液A 作为隔热 保温涂料的成膜基料、隔热性能优异的热反射隔热粉作为功能填料，制备出一种新型建筑隔热保温外墙涂料。

(2) 相比于纳米ATO 浆料、闭孔珍珠岩等隔热填料，热反射隔热粉和中空玻璃微珠的隔热保温效果较好，隔热效果分别在用量为10%和7%时达到最佳。但这两种隔热填料复配后，隔热效果反而比单独使用时差。热反射隔热粉和中空玻璃微珠涂层的宏观隔热效果、微观形貌和涂层厚度研究表明，热反射隔热粉的隔热效果较好，而且外观平整，适合做面漆。

(3) 由自制仿真隔热测试仪和紫外-可见光-近红外分光光度计的测试结果可知，所制备的热反射隔热粉涂层具有良好的隔热保温功能，且可以薄涂施工，涂膜厚度仅需200 μm。

(4) 当隔热保温涂料的颜填料体积浓度(PVC)为41.5%时，涂层的耐沾污性和隔热性能最好，此时反射系数下降率为4.31%，隔热温差为8.5 °C，太阳反射比为0.815 2，半球辐射率为0.90。

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