功能填料对中明度反射隔热氟碳涂层性能的影响

程冠之，刘 竞，郑新国，李书明，刘相会，李世达

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所,北京 100081；2.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 1000811)

混凝土表面使用的降温涂料一般由基体树脂、功能性颜填料以及各种成膜助剂组成。其中，功能性颜填料对涂层降温效果起到了关键作用。若想使涂层具备良好的降温效果，其中所使用的填料必须有高的折光指数和近红外反射率。与此同时，涂料中还经常加入空心玻璃微珠或陶瓷微珠作为辅助隔热填料。中空微珠在涂料中紧密排布，可以有效阻止热传导。降温涂料的机理主要包括热能阻隔、热能反射和热能辐射。由于混凝土表面降温涂料的实际效果主要取决于其反射和隔热作用，因此一般将其称为反射隔热涂料[1-3]。

反射隔热涂料的研究起步较早，在20世纪70年代末期，反射隔热技术就已经取得了较大进展[4]。之后，使被涂物在太阳光辐照下温度降低的各类涂料的研究一直较为活跃。Good等[5]发现涂有反射涂层的测试室内的温度比未涂反射涂层的测试室内的温度低得多。KANG等[6]将空心TiO2微球加入到聚丙烯酸酯涂层中，发现当空心球壁厚度为43 nm时涂层导热系数最低。近年来，逐渐出现多种隔热机理同时起作用的复合隔热涂料。复合隔热涂料既有阻隔作用又有反射功能，还能够主动向外辐射热量，已成为反射隔热涂料的发展趋势[7]。目前，反射隔热涂料已成功地应用于航天、建筑、石化、军事、工业等领域，其显著的节能效果已得到业界的广泛认可[8-9]。有代表性的产品如美国盾牌(Thermo-shield)节能涂料，已成功应用于航天飞机的隔热涂装中。

然而，目前的高性能反射隔热涂料仍以白色的高明度涂料为主。将这类涂料应用于轨道结构降温时，易使机车司机对线路情况的目视判断产生影响，甚至有可能产生炫目效果，影响行车安全，因此其在铁路建设中的使用存在较明显的局限性。为克服常规反射隔热涂料的上述缺点，作者通过配方设计与调整等方式，已成功制备出中明度哑光型反射隔热涂料。本文主要研究金红石型TiO2填料和空心玻璃微珠填料对涂层力学性能及反射隔热效果的影响，并对其影响机理进行阐述与推断。

1 试验部分

1.1 原材料

自制基础涂料，主要成膜物为水性氟碳树脂；亚微米级TiO2属于金红石型，购自日本石原；中空玻璃微珠平均粒径约50 μm，购自3M公司；润湿分散剂、流平剂等助剂购自BYK公司；冷颜料市购。

1.2 涂料及测试样品制备

将定量的基础涂料、TiO2填料、颜料及助剂加入高速分散釜中，以 6 000 r/min的速率高速分散15 min，得到含TiO2填料的A系列涂料。

将定量的A系列涂料、空心玻璃微珠、颜料及助剂加入高速分散釜中，以 1 000 r/min的速率分散10 min，得到含TiO2和空心玻璃微珠填料的B系列涂料。

将待测涂料用400 μm涂布器铺展在水平放置的聚四氟乙烯试板上，涂层熟化7 d后进行涂层力学性能、光泽度等常规性能测试；将待测涂料用200 μm涂布器铺展在马口铁板上，涂层熟化7 d后进行反射隔热性能测试。

1.3 表征

涂层的拉伸性能使用电子万能试验机(CMT6104，美特斯工业系统(中国)有限公司)，按照《建筑防水涂料试验方法》(GB/T 16777—2008)第9节内容进行测试。附着力使用拉脱式涂层黏结力测试仪(SHJ-40，煤科总院北京中煤矿山工程有限公司)，参照《混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件》(JT/T 695—2007)附录中B.3节内容进行测试。涂层光泽度参照标准《色漆和清漆 不含金属颜料的色漆漆膜的20°、60°和85°镜面光泽的测定》(GB/T 9754—2007)，使用单角度光泽度仪进行测试，测试角度为60°；涂层明度通过分光测色仪(NS800，3nh公司)进行测定；涂层的反射隔热效果通过隔热温差测试进行评价，测试时使用自制装置并参照《金属表面用热反射涂料》(HG/T 4341—2012)附录A中规定的方法进行，其中，光源采用碘钨灯。

2 结果与讨论

2.1 TiO2用量的影响

控制基础涂料用量为80 g，涂层明度值为70±3，研究了亚微米级TiO2填料用量对涂层性能的影响，结果见图1。

图1 TiO2用量对涂层性能的影响

由图1(a)可知，当涂层中不含TiO2填料时，其断裂伸长率达到320%，抗拉强度达到5.4 MPa。随TiO2填料用量增加，涂层的断裂伸长率和抗拉强度均下降。当TiO2填料用量在10 g以内时，涂层的抗拉强度变化不明显；当其用量增加至15 g后，涂层的抗拉强度开始明显下降。这是由于亚微米级TiO2的粒径较小，且在涂层中分散良好，各填料粒子间的平均距离较长，填料粒子与成膜物间的界面缺陷也较少，因此，一定量填料的添加并未降低涂层强度。但当填料用量继续增加时，填料间的平均距离缩短，填料堆叠几率加大，在涂层中形成了较明显缺陷，因而使抗拉强度降低[10-11]。涂层断裂伸长率的降低亦与其有关，但由于包裹填料的成膜物连续相没有变化，涂层断裂时的伸长率仍主要取决于成膜物自身性质，因而填料用量在所测试范围内继续增加时，涂层断裂伸长率反而变化不大。

由图1(b)、图1(c)分别给出了TiO2用量对涂层黏结性能和光泽度的影响。可知，涂层在混凝土基面的黏结强度和涂层光泽度均随TiO2用量逐渐下降。由于TiO2填料自身不具备黏结能力，因此其对涂层黏结性能的影响主要在于降低了黏结界面处的成膜物含量。当其用量达到20 g时，涂层黏结强度有了较明显的降低。TiO2填料对涂层光泽度的影响主要在于提高了涂层表面的粗糙度，填料用量越高，涂层表面越粗糙，导致光泽度下降。

进一步对各涂层的反射隔热效果进行了测定，结果见图2。隔热温差测试结果表明，加入TiO2填料提高了实际降温幅度，说明TiO2填料的反射功能起到了明显降温效果。当TiO2添加量为 5 g 时，1 h时温度降低值就达到了5 ℃；当其添加量达到10 g后，继续增加填料用量，涂层的反射隔热效果变化不明显。

图2 TiO2用量对涂层反射隔热效果的影响

2.2 空心玻璃微珠用量的影响

控制基础涂料用量为80 g，TiO2填料用量为10 g，涂层明度值为70±3，研究空心玻璃微珠填料用量对涂层性能的影响，结果见图3。

图3 空心玻璃微珠用量对涂层性能的影响

由图3(a)可知，添加空心玻璃微珠后，涂层抗拉强度与断裂伸长率均明显下降，但在填料用量为2～5 g 时存在变化较缓慢的平台区。涂层抗拉强度在空心玻璃微珠用量达1 g时明显下降，随着填料用量进一步增加其下降趋势反而趋缓。涂层的断裂伸长率随着空心玻璃微珠用量的增加一直呈较稳定的下降趋势。当填料用量达到6 g时，涂层断裂伸长率下降至初始值的50%左右；当填料用量达到10 g时，涂层断裂伸长率已降低至初始值的25%。在少量添加空心玻璃微珠时涂层力学性能的下降与空心玻璃微珠与涂层成膜物之间的界面结合状态有关，由于微珠粒径较大，在拉伸过程中更易在界面处产生应力集中区域，导致断裂伸长率和拉伸强度降低[12]。平台区的出现则与不同粒径填料间的堆积有关，较小粒径的TiO2填料分布于较大粒径的空心玻璃微珠周围，形成较密堆积的状态，而成膜物填充于其间的空隙。此时，在一定范围内增加空心玻璃微珠用量对拉伸状态下的涂层成膜物性能影响较小，因而出现平台区域。而当填料用量进一步增大时，被填料吸附固定的成膜物较多，体现为拉伸时的涂层变形能力较差，断裂伸长率显著下降。

如图3(b)所示，在涂料中添加空心玻璃微珠后，涂层的光泽度亦会下降。当空心玻璃微珠用量增加至3 g后，涂层光泽度(60°角)降低至20%以下，呈哑光状态。

进一步使用光学显微镜研究不同空心玻璃微珠用量下的涂层表面状态，见图4。

图4 不同空心玻璃微珠用量下的涂层表面形貌

由图4可知，随着空心玻璃微珠用量的增加，涂层表面可观察到的玻璃微珠逐渐增多，这使得涂层表面的粗糙度提高，漫反射增强，进而光泽度降低，涂层逐渐呈现哑光状态。

对各涂层的反射隔热效果进行了测定，结果见图5。可见，加入空心玻璃微珠填料进一步提高了降温效果。随着空心玻璃微珠用量的提高，涂层的降温幅度先逐渐增大；当填料用量增加至10 g时，温度反而有所回升，其最佳添加量为8 g。其原因是：①空心玻璃微珠由于其中空结构而使涂层热阻提高，加强了涂层上下表面间的隔热效果；②当空心玻璃微珠用量过高时，成膜物在填料间的填充程度降低，部分填料间发生堆砌，反而降低了涂层热阻。

图5 空心玻璃微珠用量对涂层反射隔热效果的影响

3 结论

可使用亚微米级TiO2和空心玻璃微珠对水性中明度反射隔热氟碳涂料的性能进行有效调节。具体结论如下：

1)随TiO2填料用量的增加，涂层断裂伸长率、光泽度及其在混凝土基面的黏结强度均逐渐下降。

2)在涂料中添加空心玻璃微珠后，涂层的断裂伸长率和抗拉强度均会下降，但在添加量为2～5 g时变化不明显；当空心玻璃微珠用量增加至3 g后，涂层光泽度(60°角)降低至20%以下，呈哑光状态。

3)加入TiO2和空心玻璃微珠填料均可提高涂层的隔热温差，当TiO2填料添加量达到10 g后，反射隔热效果变化不明显；空心玻璃微珠填料的最佳添加量为8 g。

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