低碳經(jīng)濟(jì)與建筑防水_專(zhuān)題系列報(bào)道之二外墻反射隔熱防水涂料的研制.doc

外墻反射隔熱防水涂料的研制前言 國(guó)外的建筑保溫與隔熱始于20世紀(jì)70年代初的世界性能源危機(jī)。如今，為了節(jié)約能源，采用絕熱材料達(dá)到節(jié)能目的已成為各國(guó)普遍采用的重要手段建筑能耗在整個(gè)能源消耗中所占比例一般在3040，且其絕大多數(shù)是取暖和降溫的能耗。節(jié)約能源降低能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益是科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的基本目標(biāo)之一，涂料也不例外1。通過(guò)研究，在原有的裝飾、保護(hù)、防腐防水等功能的基礎(chǔ)上，使涂層具有保溫功能，例如，在外墻涂上保溫隔熱涂料可以保持室內(nèi)溫度恒定，增大室內(nèi)外的溫差，在夏季減少降溫能耗在冬季降低取暖費(fèi)用。目前，保溫技術(shù)向高效、薄層、隔熱、防水、外護(hù)一體化方向發(fā)展，如何充分利用傳熱機(jī)理研制新型節(jié)能材料是主要發(fā)展方向2-3。熱傳遞是通過(guò)對(duì)流、輻射及分子振動(dòng)熱傳導(dǎo)三種途徑實(shí)現(xiàn)的，要獲得良好的隔熱保溫效果，涂料設(shè)計(jì)需要從以下三個(gè)方面切斷熱傳遞的途經(jīng)：1）分子振動(dòng)熱傳導(dǎo)主要是通過(guò)固體物質(zhì)進(jìn)行，固體物質(zhì)熱導(dǎo)率越大，熱傳導(dǎo)就進(jìn)行得越充分，所以，隔熱涂料選用的材料要有較小的熱導(dǎo)，在保持足夠力學(xué)強(qiáng)度的前提下，體積密度越小越理想；2）熱對(duì)流通過(guò)空氣的流動(dòng)來(lái)進(jìn)行，隔熱層中不能有較大的能使空氣發(fā)生對(duì)流的空隙，必須將空氣對(duì)流減弱到極限；3）熱輻射的傳遞不需要介質(zhì)，可以通過(guò)材料的表面反射、散射和發(fā)射來(lái)降低熱輻射的強(qiáng)度。一種隔熱保溫效果良好的涂料，往往是多種隔熱機(jī)理協(xié)同作用的結(jié)果4。同時(shí)，外墻涂料長(zhǎng)期暴露于戶(hù)外，受到風(fēng)吹、雨淋和日曬，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，飾面的外觀(guān)會(huì)發(fā)生粉化、變色、褪色、失光等現(xiàn)象。對(duì)高性能外墻涂料的耐候保色要求一般是810年以上，因此，在配制高性能外墻涂料時(shí)應(yīng)選擇耐候性?xún)?yōu)異的乳液作為基料?；谝陨峡紤]，我們研制了外墻反射隔熱防水涂料。1實(shí)驗(yàn)1.1原材料外墻反射隔熱防水涂料基料選擇德國(guó)巴斯夫生產(chǎn)的丙烯酸乳液，顏填料有超細(xì)空心微珠、金紅石型鈦白粉、沉淀硫酸鋇和滑石粉等，助劑主要有潤(rùn)濕分散劑、消泡劑、增塑劑和成膜助劑等。1.2涂料制備按表1配方稱(chēng)取各種物料，按圖1工藝在低速攪拌下依次加入蒸餾水、潤(rùn)濕分散劑、適量消泡劑和成膜助劑等充分混合均勻，然后添加鈦白粉等顏填料，高速攪拌30 min，使粉體粒子在高剪切速率作用下，分散成原級(jí)粒子，并達(dá)到分散穩(wěn)定狀態(tài)。接著將調(diào)制好的顏填料色漿緩慢加入到乳液中，再低速攪拌3040 min。為避免過(guò)高的轉(zhuǎn)速破壞微珠的空心結(jié)構(gòu)，使其失去隔熱反射能力，空心玻璃微珠最后在低速狀態(tài)下加入到分散液中，攪拌過(guò)程中滴加剩余消泡劑，并調(diào)到合適的黏度，過(guò)濾、出料。1.3試驗(yàn)儀器SDF-400型調(diào)速分散研磨機(jī)；PHD-200型酸度計(jì)；C84-III反射率測(cè)定儀；NZW型涂層耐沾污性沖洗裝置；DXLL-10000電子拉力機(jī)。隔熱溫差檢測(cè)裝置如圖2所示，其中測(cè)溫箱是由導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.030 W（/mK）的3 cm厚XPS板構(gòu)成的五面體，內(nèi)腔尺寸為30 cm30 cm30 cm；測(cè)溫儀測(cè)量精度為0.1；加熱燈為全輻射通量135 W的紅外燈。2結(jié)果和討論隔熱涂料主要由成膜物質(zhì)、水、功能性顏填料和助劑組成5。在涂料制備過(guò)程中，由于空心微珠粒小質(zhì)輕的特殊性，使得添加微珠后的涂料不易分散，影響涂膜的均一性，且涂膜中空心介質(zhì)的存在也大大降低了涂層整體的力學(xué)性能。因此，在保證隔熱效果的前提下，設(shè)計(jì)調(diào)配出具有優(yōu)良耐候性和流平性的涂料成為研究的重點(diǎn)。2.1成膜基料成膜物質(zhì)是涂料中最重要的組成部分，對(duì)涂膜性能起主導(dǎo)作用，直接關(guān)系到涂料的質(zhì)量。根據(jù)室外氣候多變、溫差大的特點(diǎn)，必須選擇耐候性好、耐水性強(qiáng)又有較高粘結(jié)力和彈性的材料，并且與保溫填料及反射填料的相容性要好。用于研制太陽(yáng)反射涂料的成膜物質(zhì)一般選擇透明度高、不含吸熱基團(tuán)、對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光吸收較少的丙烯酸類(lèi)樹(shù)脂6。通過(guò)對(duì)常用樹(shù)脂的紫外可見(jiàn)近紅外光平均反射率的分析比較，余麗蓉等7發(fā)現(xiàn)丙烯酸乳液中的純丙和硅丙更適宜做成膜基料。其中，純丙樹(shù)脂具有良好的耐候性和保光性，并且可以常溫自干，但由于受其本身的熱塑性所限，線(xiàn)性分子上又缺少交聯(lián)點(diǎn)，難以形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而耐溫性差，易高溫回粘，降低涂膜的耐沾污性及抗積塵性。而硅丙乳液，由于引入了無(wú)機(jī)硅氧結(jié)構(gòu)，大大改進(jìn)了涂料的性能。有機(jī)硅樹(shù)脂主鏈為SiO鍵鍵能為452 kJ/mol，而一般乳膠漆分子主鏈為C鍵，鍵能為356 kJ/mol，因此，有機(jī)硅改性樹(shù)脂能有效抵御紫外線(xiàn)對(duì)涂膜的光氧化降解，具有令人滿(mǎn)意的耐久性。而且，有機(jī)硅樹(shù)脂中分子對(duì)稱(chēng)性高，極性相互抵消，整個(gè)分子呈非極性，從而具有很低的表面張力和優(yōu)良的斥水性能。這樣一方面能對(duì)建筑物起到有效的保護(hù)，另一方面又能提高涂膜的耐沾污性。因此本試驗(yàn)選用純丙乳液和硅丙乳液混拼來(lái)實(shí)現(xiàn)涂膜彈性和耐污染性之間的平衡。顯示了乳液總量一定的情況下，組成乳液的純丙和硅丙比例不同所引起的涂膜力學(xué)性能的變化如圖3所示，隨著純丙含量相對(duì)硅丙含量的逐漸升高涂層的拉伸強(qiáng)度明顯降低，而斷裂延伸率則大大增強(qiáng)?？梢?jiàn)，涂料的延伸性主要取決于高彈性乳液的摻2.2顏填料顏料的主要作用就是使涂膜具有一定的遮蓋力和呈現(xiàn)不同的色彩，因此要使涂膜具有優(yōu)異的耐候性，顏料就需具有較好的遮蓋力和著色力、較高的分散度、鮮明的色彩以及對(duì)光的穩(wěn)定性等。耐候性?xún)?yōu)異的白色顏料不僅自身的顏色始終如一，而且能吸收大量紫外線(xiàn)，減輕紫外線(xiàn)對(duì)基料的破壞，提高涂膜的耐候保色性。白色顏料中應(yīng)用最廣、效果最好的是金紅石型鈦白粉。保溫填料是影響薄層保溫涂料隔熱性能的關(guān)鍵，保溫填料的中空程度影響到涂料的密度及熱阻。為了使涂料具有優(yōu)越的保溫隔熱性能，必須選擇質(zhì)輕中空、耐高溫、熱阻大的填料。空心玻璃微珠也稱(chēng)涂料用多功能空心添加劑，其顆粒呈圓形或近圓形，表面光滑堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)致密，內(nèi)部空心，密度低、導(dǎo)熱系數(shù)小，對(duì)各種液體介質(zhì)幾乎不吸收，能夠很好地反射光、熱等入射波8，適合作為反射填料，與成膜基料一起構(gòu)成絕熱層，有效隔斷熱量的傳遞。圖4考察了在基料組成一定的情況下，空心玻璃微珠的添加對(duì)涂膜力學(xué)性能的影響?？梢钥闯觯?dāng)空心微珠用量開(kāi)始增加時(shí)，涂膜拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率隨之升高；超細(xì)玻璃粉體有較好的填充效果，能有效消除涂料中的微氣孔缺陷，提高涂膜的致密性。然而，隨著空心微珠用量的進(jìn)一步增加，涂料的物理力學(xué)性能在達(dá)到峰值后呈明顯的下降趨勢(shì)。這是因?yàn)榉蹱钐盍洗藭r(shí)改善涂膜微氣孔缺陷的作用已不再明顯，反而增加了涂料的黏度，不利于泡沫的消除，而且固化后大量空心腔體的存在也加劇了力學(xué)性能的損失，以至影響到涂膜的整體性能。2.3助劑為改善涂料的相關(guān)性能，需對(duì)涂料的成膜助劑、增稠劑、分散劑、防霉劑、消泡劑、阻燃劑等多種助劑的用量及添加順序進(jìn)行篩選研究。助劑的選擇，主要應(yīng)考慮對(duì)涂料及涂層相關(guān)性能的改善作用，如采用有機(jī)硅來(lái)提高涂層的耐水、耐污及耐溫性能；用成膜助劑來(lái)改善涂層的流平性、施工性與降低成膜溫度。其中，高耐污染性是外墻涂料十分重要的性能指標(biāo)，對(duì)反射隔熱涂料尤為重要，直接關(guān)系到反射性能的發(fā)揮。外墻反射隔熱防水涂料發(fā)展緩慢，一個(gè)重要的原因就是涂層的耐沾污性不理想，效果不持久。高性能外墻涂料需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題就是設(shè)法提高涂層的耐沾污性，使涂層對(duì)污染介質(zhì)有抵御能力。耐沾污劑的作用機(jī)理是在涂料固化成膜過(guò)程中，耐沾污粒子充當(dāng)交聯(lián)點(diǎn)，把線(xiàn)型的有機(jī)高分子交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效改善漆膜的致密性，降低涂膜的孔隙尺寸，防止灰塵的吸入和外界水分的侵入，從而改善外墻涂料的耐沾污性。從圖5可以看出，納米型耐沾污劑摻量在1.7%之前都有較為顯著的改性效果，摻量進(jìn)一步增加，效果變得不再明顯。2.4涂料性能 （）供稿根據(jù)GB/T 97552001合成樹(shù)脂乳液外墻涂料和JC/T 2352008建筑反射隔熱涂料“WQ型”要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。3結(jié)語(yǔ)1）乳液的性能是影響拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率的關(guān)鍵,是外墻涂料耐候性的基礎(chǔ)。為取得彈性、強(qiáng)度、耐沾污性以及保溫隔熱性能的平衡，涂料在設(shè)計(jì)配方時(shí)要合理選擇基料及其配比。2）涂料的隔熱性能主要由空心玻璃微珠的添加量決定，空心微珠的添加量對(duì)涂膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率都有一定程度的影響。空心微珠與二氧化鈦混合使用可達(dá)到良好的反射隔熱效果。3）涂料制備中應(yīng)該選擇合適的基料、顏填料和助劑的配比，使涂膜性能滿(mǎn)足不同的使用要求。4）經(jīng)測(cè)試，所研制的外墻反射隔熱防水涂料產(chǎn)品滿(mǎn)足GB/T 97552001合成樹(shù)脂乳液外墻涂料“優(yōu)等品”要求