紫外光固化薄层保温隔热涂料的研制

谈素芬，鲁钢*

（南京工业大学，江苏 南京 210009）

世界能源危机的出现使各国掀起了环保和节能的浪潮。在涂料中加入一种具有特殊功能的填料，可使其在恶劣的环境温度下利用自身温控物质的性质进行能量的存储和释放，从而达到保温节能的效果[1]。中空玻璃微珠具有质轻、高强度、耐高温、隔热保温性能好等特点，可直接填充于绝大部分树脂中，起到减轻产品质量、降低成本、改善隔热和保温性等作用，用其改性聚合物成为研究的热点，其不失为一种理想的保温隔热填料[2]。高效、环保、节能的紫外光固化技术广泛应用于各行各业，目前紫外光固化涂料开始盛行，而功能性光固化涂料的研究鲜有报道。将中空玻璃微珠引入紫外光固化涂料，可得到一种新型的功能涂料，是一种具有广阔市场前景的涂料新品种[3]。

本文以高性能中空玻璃微珠作为功能填料，制备出具有良好保温隔热性能的 UV涂料，并研究了填料含量、涂膜厚度等因素对涂层保温隔热性能的影响。

1 实验

1. 1 原料

中空玻璃微珠(粒径分布15 ～ 85 μm)，3M公司；复合光引发剂(夺氢型自由基光引发剂和裂解型自由基光引发剂按一定比例复配而得)；树脂 4310环氧大豆油丙烯酸酯，科田化工公司；硅烷偶联剂KH-550(γ-氨基丙基三乙氧基硅烷)，分析纯，张家港市国泰华荣化工新材料有限公司；消泡剂、分散剂，华夏助剂公司。

1. 2 仪器与设备

手提型紫外光固化机，涿洲市蓝天特灯发展有限公司；UV3101PC，日本岛津公司；TSP 2500导热系数仪，瑞士Hot Disk公司。

1. 3 保温隔热色漆的配制

首先用电子天平分别称取环氧大豆油丙烯酸酯、复合光引发剂、稀释剂、消泡剂以及分散剂，在磁力趋于饱和，其在表面的排列也随之更紧凑，导热率变小。当掺杂量为10%时，即中空玻璃微珠用量过大时，涂层的颜料体积浓度(PVC)过大，致密性下降，涂层中存在空气对流而使导热率变大。因此，中空玻璃微珠适宜的用量为8%。

图1 不同含量中空玻璃微珠涂层的导热率Figure 1 Thermal conductivity of the coatings with different contents of hollow glass bead

2. 3 保温隔热涂料涂层热反射率的测试

2. 3. 1 中空玻璃微珠添加量对涂层热反射率的影响

材料的反射率是影响其本身隔热性质的重要因素之一。不同中空玻璃微珠涂层热反射率的测试结果见图2。可知，与空白样相比，掺杂中空玻璃微珠后，涂层的反射率都明显提高。同一波长范围内，随着中空玻璃微珠添加量的增多，涂膜的漫反射率逐渐增大，当填充量为8%，漫反射率达最大值。这可能因为成膜物/中空玻璃微珠复合涂层属于三相复合材料，包括成膜物和其他有机助剂形成的有机成分连续相、中空玻璃微球球壳相和气体相。由傅里叶传热定律可知，中空玻璃微珠的导热系数很低，当热流遇到中空玻璃微珠时将会发生分流，热流在保温隔热涂料中的传递路径变长并且复杂化，导致保温隔热涂料的传热性能降低；在光固化成膜过程中，中空玻璃微珠将进行多级组合排列，形成一层热缓冲层来进一步阻隔热量传递。但当中空玻璃微珠用量过多时，中空玻璃微珠和体系中的其他组分相互混合变得困难，造成体系不稳定，中空玻璃微珠易浮到表面形成结膜，从而降低反射率。与此同时，体系黏度的增加也致使施工难度增大。因此，中空玻璃微珠适宜的用量为8%。

图2 含不同用量中空玻璃微珠涂层的漫反射率Figure 2 Diffuse reflectance of the coatings with different contents of hollow glass bead

2. 3. 2 涂层厚度对热反射率的影响

涂膜厚度对热量的传导有阻碍作用[5]。确定中空玻璃微珠的掺杂量为8%，测试了涂层厚度对热反射率的影响，见图3。它表明，随着涂膜厚度的增加，反射率呈先上升后下降的趋势。当涂膜厚度从100 μm逐渐增加到200 μm，涂层的漫反射率显著增加。但当涂膜厚度继续增加到300 μm时，漫反射率反而下降。这是因为涂层太薄时，其无法遮盖住底色；太厚，则又容易发生颗粒间的相互折射吸收，而影响反射效果。因此，适宜的涂层厚度为200 μm。

图3 不同厚度涂层的漫反射率Figure 3 Diffuse reflectance of the coatings with different thicknesses

2. 4 保温隔热涂料的保温效果

2. 4. 1 中空玻璃微珠添加量对涂层的保温效果的影响

中空玻璃微珠添加量对涂层保温效果的影响见图4。可以看出，随着时间的延长，瓶内的水的温度逐渐降低。但随着涂层中所含中空玻璃微珠含量的增加，瓶内水温的降低速率越来越小(斜率越来越小)，说明涂层的保温性能逐渐增加；且当填充量为8%时，0.5 h后瓶内的水温最高，为61 °C，保温效果较好。

图4 不同中空玻璃微珠含量对涂层保温性的影响Figure 4 Effect of the content of hollow glass bead on heat-insulating performance of cured coating

2. 4. 2 涂层厚度对保温效果的影响

确定中空玻璃微珠的用量为8%，研究了不同厚度涂层的保温效果，结果见图5。

图5 不同厚度涂层的保温效果对比Figure 5 Comparison between insulation effect of the coatings with different thicknesses

由图5可知，随着时间的延长，未涂覆保温涂料(空白)的瓶内水温迅速降低，随着保温涂层厚度的增加，保温性能呈先增后减的趋势。30 min后，厚度为100 μm的涂层其水温与空白试管的水温温差为21 °C；涂层厚度为200 μm时，其水温与空白试管的水温温差增加到26 °C；但当涂层厚度增加到300 μm时，水温温差仅为7 °C。因此，当涂层厚度为200 μm时，保温效果较好。随着厚度的增加，体系中中空玻璃微珠越来越趋于饱和，其在表面的排列也随之不断紧密，这时反射作用逐渐增加，可以说此时体系的保温性能主要由反射起主导作用。

2. 5 保温隔热涂料的隔热效果

不同厚度、含不同用量中空玻璃微珠的保温隔热涂层的隔热效果测试结果见图6。

图6 涂层厚度和中空玻璃微珠用量对涂层隔热性能的影响Figure 6 Effects of coating thickness and hollow glass bead content on heat insulation performance of cured coating

由图6可知，在同一厚度下，∆θ随着中空玻璃微珠用量的增大而先增加，然后急剧下降；当中空玻璃微珠的用量为8%时，∆θ达到最高。含8%中空玻璃微珠的涂层的隔热效果最好，∆θmax可达 27 °C；当中空玻璃微珠含量增加到8%时，中空玻璃微珠在涂膜中排列较密集，分散均匀，形成一个完整的空心隔离层，此时热阻隔效果明显增强。对比含8%中空玻璃微珠的不同厚度的涂层的∆θ时可以发现，当涂层厚度为200 μm时，∆θ最大，可达27 °C。当中空玻璃微珠填充量较少时，随着涂层厚度的增加，∆θ也显著增大。但当涂层中所含的中空玻璃微珠达到极限值且涂层达到一定厚度时，单纯提高隔热涂层的厚度并不能进一步改善其隔热效果。结合上述漫反射率测试结果可知，膜厚较低时，漫反射率较低，因此隔热效果较差。在一定膜厚范围内，随着涂膜厚度的增加，漫反射率也随之增加。因此，反射率和隔热效果也随之增加。当膜厚达到一定值时，再继续增加厚度，漫反射率反而稍有下降，因此隔热性效果也不佳。

综上所述，中空玻璃微珠的含量以8%为佳，所制备的保温隔热涂料的黏度为 98 s，涂层厚度确定为200 μm，在此条件下所得涂层机械性能较好，并具有较好的隔热保温性能。

3 结论

以环氧大豆油丙烯酸酯作为成膜物质，以中空玻璃微珠为隔热填料，制得了 UV固化保温隔热涂料。当中空玻璃微珠含量为8%，涂层厚度为200 μm时，所制备的保温涂层的导热率为0.069 W/(m·K)，漫反射率达75%，30 min后的水温与空白试样的水温温差为26 °C，隔热温差达27 °C，涂膜的附着力为1级，硬度4H，冲击强度大于50 kg·cm。

[1] 吕霞, 俞成丙, 张云, 等. 保温涂料的研究现状及其展望[J]. 涂料工业,2011, 41 (3)： 45-48.

[2] FERREIRA J A M, CAPELA C, COSTA J D. A study of the mechanical behaviour on fibre reinforced hollow microspheres hybrid composites [J].Composites Part A： Applied Science and Manufacturing, 2010, 41 (3)：345-352.

[3] 王瑾璐. 复合型保温隔热涂料的制备及性能研究[D]. 西安： 西安科技大学, 2009.

[4] 蔡玉斌, 吴国坚, 金骏. 薄层隔热涂料导热系数测定方法的研究[J].新型建筑材料, 2011, 38 (4)： 89-91.

[5] 张雯华, 张发爱. 涂料原料和涂层厚度对反射隔热保温性能影响研究[J].涂料工业, 2007, 37 (6)： 30-32, 37.