功能颜填料对水性纳米建筑涂料隔热性能的影响

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功能颜填料对水性纳米建筑涂料隔热性能的影响建筑物在使用期间,采暖、空调、通风、热水供应等方面消耗了大量的能源,约占人类能源消耗的30%~40%。因此,建筑节能已成为国内外建设节约型社会和循环经济的重要内容。而隔热涂料用于建筑物表面以达到降低建筑物内部温度,达到减少能源消耗目的。解决建筑节能问题的手段一般有2种:一是保温;二是反射隔热。其中,热反射隔热涂料是近几年发展起来的一种新型节能材料,它通过有效反射太阳光的能量而降低物体表面对太阳辐射能量的吸收,从而起到隔热保温的效果。太阳光热量中可见光占43%,近红外光占52%,紫外光占5%。以空心玻璃微珠或者金红石型二氧化钛为填料的热反射隔热涂料对可见光与近红外热具有很高的反射率,可以大大提高隔热效果。目前建筑隔热涂料按作用机制分为阻隔型、反射型和辐射型隔热涂料等3种类型。而最理想的隔热涂料是具有3种隔热机制协同作用的隔热涂料,使之成为一个完整的隔热体系,以获得良好的隔热效果。但是,这样会大大增加资金投入,使建筑成本急剧上升。因此,需要在保证涂料隔热性能基本达到使用要求的前提下,选择最佳经济效益和社会效益的隔热填料。此外,随着高性能纳米材料的不断涌现,在涂料中添加适量的纳米材料,可使涂料的综合性能得到很大地提升。二氧化钛纳米晶与空心玻璃微珠复合涂料反射率高于85%。并且,发展环境友好新型保温隔热材料和保温节能技术是顺应环保节能需要的重要举措。水性聚氨酯涂料具有硬度高、附着力强、耐腐蚀、耐溶剂好等优点。本文以水性聚氨酯为成膜剂,以滑石粉为填料,加上高辐射性能的绢云母,高反射的空心陶瓷微珠和纳米金红石型二氧化钛分别作为隔热功能颜填料,经高速分散仪分散后制备水性纳米隔热涂料,研究不同隔热填料对保温涂料隔热性能的影响。1实验部分1.1材料与仪器聚氨酯,泰兴中纺助剂厂;分散剂,深圳海川化工科技有限公司;消泡剂、润湿剂,国药集团化学试剂有限公司(上海);pH剂,南昌鑫光精细化工厂;防腐剂,江西核工业实验化工厂;空心玻璃微珠,中钢集团;成膜助剂,广州宣宁化工科技有限公司;增稠剂,天津市福晨化学试剂厂;超细滑石粉,南昌白云药业有限公司;纳米金红石型二氧化钛(60nm),阿拉丁试剂(上海)有限公司。GS28-B电子恒速搅拌器,上海安亭电子仪器厂;线棒涂布器,石家庄天同科技有限公司;隔热膜温度测试仪,深圳林上科技股份有限公司;Quanta200F环境扫描电子显微镜,荷兰FEI公司。1.2制备与涂刷按表1中比例依次加入蒸馏水、超细滑石粉、分散剂、润湿剂、消泡剂、防腐剂等助剂,然后添加绢云母、空心玻璃微珠(或金红石二氧化钛)后,采用高速分散仪转速2800r/min对其进行高速分散0.5h,然后降低转速到500r/min,再添加聚氨酯、成膜助剂,pH值调节至8~9,黏度通过添加增稠剂调节至合适,低速搅拌10min,然后静置30min,制得涂料备用。首先清除玻璃(规格20cm×16cm×0.4cm)表面灰尘及污垢,在10%NaOH溶液中浸泡2h,取出用清水洗净,烘干,备用;然后,将制备好的涂料用线棒涂布器涂刷在玻璃基材上,控制涂刷用量为20g,涂刷完毕后,室温下放置干燥保证涂膜中水分和有机添加剂充分挥发,再放入烘箱固化。1.3测试与表征涂料隔热性能测试,采用隔热膜温度测试仪,按照国标GB/T9755—2001进行测试,通过涂膜玻璃和未涂膜玻璃进行对照,隔热相对温差作为涂料隔热效果的衡量标准,如图1。用扫描电子显微镜观察纳米填料在涂料中的分散情况。2结果与分析2.1绢云母含量的影响绢云母是涂料工业中广泛应用的功能性填料,可以屏蔽80%以上紫外线,提高涂层的耐候性、延迟粉化、变色,其高径比的二维片状结构,可以增强涂层的综合机械性能,防水抗渗、抗龟裂。绢云母作为体质填料时,能够增加涂膜的丰满度,从而防止紫外线穿透而改变涂膜的耐候性及耐热性。同时,又由于绢云母属于单斜晶系,粉体具有一定的厚径比,易于成有序定向排列,易产生消光效应,可以阻挡可见光,也能屏蔽紫外线和红外辐射,理论上还可以阻挡微波。分别将绢云母按质量分数8%、9%、10%、11%、12%的比例添加至涂料基料中(不含空心玻璃微珠、金红石二氧化钛),制备涂料涂膜的隔热性能,并对涂膜进行隔热性能对比测试,结果见表2。表2绢云母添加量对涂料隔热性能的影响从表2可看出:绢云母含量的变化对涂料隔热性能的影响十分明显。初始时,涂膜隔热性能随着绢云母含量的增加而显著提高,涂刷效果也逐渐趋于理想状态,但当绢云母含量达到10%左右时,隔热性能逐步趋于稳定,涂刷效果也变得不理想。综合考虑,绢云母最佳含量(质量分数)应为10%。2.2空心玻璃微珠含量的影响空心玻璃作为隔热型颜填料具备低导热系数的特性,其主要特点是密度较玻璃微珠更小,导热性更差。空心玻璃微珠不仅具有反射光和热辐射的效果,还能利用其中空、质轻、热导率低的特点,可以起到阻隔热量目的,提高涂膜的隔热性能。因此,空心玻璃微珠作为填料时,可以实现反射太阳光和阻隔热量的复合效果。空心玻璃微珠具有导热系数小、堆积密度小等优点,用少量空心微珠即可达到良好的隔热效果;表面积小,大量添加而黏度保持在可接受的范围;耐久性、耐候性、耐腐蚀性优良。空心玻璃微珠是细微粉末在高温气流中悬浮熔融或者熔体在高压气流中雾化后,由于自身的表面张力凝聚形成的微珠,具有隔音、隔热、绝缘的特性。实验中选择空心玻璃微珠(约35~50μm)为反射隔热填料。在绢云母10%最优添加量的基础上,改变空心玻璃微珠的含量(质量分数)分别取为3%、4%、5%、6%、7%,制备对比样品的涂料隔热性能见表3。表3空心玻璃微珠含量对涂料性能的影响从表3可看出:涂料隔热性能在开始时也是随着空心玻璃微珠含量的增大而增强,在4%到5%的范围内,隔热温差明显增大,之后隔热性能呈现出微小变化的状态,从涂刷效果看也是5%较为理想。主要是因为随着空心微珠添加量的增加,涂抹比重逐渐减小,隔热性能提高;但实验表明空心玻璃微珠的量并不是越大越好,其添加量必须适量,否则过多会导致涂料成膜能力降低,对微珠不能充分包覆,涂料的流平性能降低,涂层的光滑度受影响,涂层的机械性能也下降。所以,综合经济效率和隔热效果,空心玻璃微珠最佳含量(质量分数)为5%。2.3纳米金红石二氧化钛含量的影响金红石型二氧化钛是所有白色颜料中折射率最大的一种(折射率为2.76),遮盖力也最佳,可以达到23.6m2/kg[9]。同时,金红石型二氧化钛还具有质量小、抗冲击力强、机械性能好等性能,作为填料时可以同时提高涂料的力学性能和机械性能。在绢云母10%最佳添加量情况下,改变金红石型二氧化钛的质量分数分别为4%、5%、6%、7%、8%,制备对比样品,其隔热性能对比如表4所示。可以看出:随着金红石二氧化钛含量的增加涂膜隔热率提高,但当达到6%之后,不再大幅度提高,故从综合涂刷效果和经济性角度看,金红石型二氧化钛最佳含量(质量分数)应为6%。表4纳米金红石型二氧化钛含量对涂料隔热性能的影响2.4涂膜表面微观结构利用扫描电子显微镜观察涂膜表面,如图2。从图中发现,绢云母成极致密细片状分布在涂膜中,不仅可以发挥其本身的辐射隔热性能,还能利用其涂覆的致密性形成遮盖力,进而提高反射隔热效果,同时还可以将颗粒表面凹凸处填平,改善涂膜表面形貌,提高涂层耐水性。空心玻璃微珠在高速分散仪的作用下均匀分散在涂膜中,周围被绢云母严密地包裹着,起到了骨料的作用,使涂膜的结合强度大大增强,减小了涂膜风化剥落的可能,同时利用其空心的结构特性,能够做到多层反射,大大提高了反射隔热性能。二氧化钛微粒均匀分布在绢云母之间,实验所用为纳米级的金红石型二氧化钛,具有极高的致密性,因而产生极强的遮盖能力,且金红石二氧化钛具有极高的反射能力,因此不仅能增强涂料强度,还能使隔热性能大大增强。3结论1)绢云母具有较高的辐射隔热效果,空心微珠为高反射隔热填料,随着空心微珠添加量的增加,隔热性能提高,而过多空心微珠会导致涂料机械性能下降。当绢云母与空心玻璃微珠混合时,绢云母最佳用量(质量分数)为10%,空心玻璃微珠最佳用量(质量分数)为5%。2)纳米金红石型二氧化钛是性能最好的反射填料,当绢云母与二氧化钛混合时,绢云母最佳用量(质量分数)为10%,二氧化钛最佳用量(质量分数)为6%。3)纳米金红石型二氧化钛比空心玻璃微珠的隔热性能稍优,最优隔热率达到94%以上。但是金红石型二氧化钛尺度为纳米,价格较高,虽然隔热效果相对较好,但是总体经济效益大大下降,故如果要求不是很严格,建议用空心玻璃微珠作为填料的聚氨酯涂料。

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