新型有机/无机反射型隔热建筑涂料的研制

陈荣华1，向 　波2，瞿金清2

(1.嘉宝莉化工集团股份公司，广东江门 529085；2.华南理工大学化学与化工学院，广州　510640)

0　前　言

建筑保温隔热涂料可以有效地降低建筑物表面和室内温度，是实现建筑节能的重要手段之一。热量传递的方式有3种：传导、对流和辐射。根据热的这3种传导机理，可以把建筑保温隔热涂料分成阻隔型建筑保温隔热涂料、反射型建筑保温隔热涂料和辐射型建筑保温隔热涂料。其中，建筑反射隔热涂料又称太阳热反射隔热涂料，其涂层能够有效地反射和辐射太阳能量。穿越大气层到达地面的太阳光的波长集中在200～2 500 nm，其中红外区约占50%，可见光区约占45%，紫外线约占能量的5%，即太阳光的能量主要集中在红外区和可见光区。建筑反射隔热涂料主要是由于在红外区和可见光区的太阳光反射率较高而达到反射隔热的效果。这种涂料的优点是能够从源头上阻止热量向建筑物内部传递。目前反射型隔热涂料大部分还是溶剂型涂料，开发出性能优异的水性化的反射隔热涂料是隔热涂料的发展趋势之一。
本实验采用聚合物乳液与硅溶胶复配作为基料，并添加反射率较高的陶瓷微球和金红石型钛白粉、半球发射率较高的红外陶瓷粉作为颜填料，制备了一种新型的有机/无机复合反射隔热涂料，该反射隔热涂料不仅具有较高的反射率、半球发射率和隔热温差，而且还具有较好的基本性能，包括耐候性、耐洗刷性、耐水性和耐沾污性等。由于硅溶胶成膜后形成的是Si—O—Si无机聚合物网状结构，对太阳光的吸收程度比有机聚合物低；同时，由于硅溶胶成膜后能提高复合涂层的耐沾污性，有利于隔热涂料隔热温差衰减的降低，有利于提高涂层的隔热保温性能；另外，由于硅溶胶成膜过程中不需要成膜助剂，所以用硅溶胶与有机聚合物复配的涂料的挥发性有机化合物(VOC)含量低于纯有机聚合物配成的涂料。因此，本研究所得到的有机/无机复合型反射隔热涂料不仅具有优异的反射隔热性能，还具有优异的物理和化学性能，其VOC含量低。
 

1　实验部分

1.1　实验原料

纯丙乳液(K-2)，陶氏化学；碱性硅溶胶，江阴国联化工；空心玻璃微球，S15，美国3M；陶瓷微球，W-610，美国3M；钛白粉，SR-237，山东东佳；其他原材料为市售工业品。

1.2　涂料制备

按照表1配方量将成膜助剂、防冻剂、润湿剂、分散剂、消泡剂和增稠剂加入到去离子水中，在300～500 r/min的转速下搅拌3～10 min得到混合物；加入配方量的木质纤维、滑石粉和重质碳酸钙，在1 000～2 000 r/min的转速下分散15～60 min得到浆料；在300～600 r/min转速下，依次加入配方量的杀菌防霉剂、有机聚合物乳液、空心玻璃微珠、消泡剂、pH值调节剂、增稠剂和剩余的去离子水，搅拌均匀，调节混合体系的黏度为140 KU以上，停止搅拌得到反射型隔热建筑涂料。

1.3　性能测试与表征

按GB/T 1728—1979中表干乙法的规定测试涂膜的干燥时间，按GB/T 9266规定测定涂料的耐洗刷次数，按GB/T 9265的规定测试涂膜的耐碱性，按GB/T 1733—93的规定测定涂膜耐水性，按GB/T 23981—2009的规定测定涂膜对比率，按JG/T 235—2008的规定测定涂膜的隔热温差衰减，按JG/T 235—2008的规定检测涂膜的半球反射率。
太阳光反射率：采用Lambda 950近红外紫外可见分光光度计测试涂膜的太阳光反射率曲线。
反射型隔热涂料隔热性能测试：以纤维增强硅酸钙板为空白试板，尺寸为360 mm×360 mm×5 mm，将塑料的涂膜模具固定与空白试板上，倒入搅拌混合均匀的涂料，用不锈钢刮板把表面刮平，24 h后脱模，在(23±2) ℃，相对湿度(50%±5%)的恒温恒湿房养护7 d，涂膜表面应光滑平整，无明显气泡、裂纹等缺陷，最终干膜厚度约为0.5 mm。试板制好以后采用图1所示方法测试涂膜的平衡温度。

2　结果与讨论

2.1　钛白粉含量对反射隔热性能的影响

选用金红石型钛白粉，研究其不同添加量下涂膜反射隔热性能。图2为不同钛白粉添加量下涂料试板背面的平衡温度曲线。

从图2可以看出，随着钛白粉含量的增加，平衡温度有所下降，当钛白粉含量为15%时平衡温度达到最小；当钛白粉的添加量继续增大时，平衡温度又有所上升。这是因为钛白粉含量增大时，涂膜内颜料相对密度增大，其反射作用的颜料粒子增多，反射作用增强，因而反射隔热性能提高。但是当钛白粉的含量继续增大时，颜料的分散效率开始下降，体系中的颜料粒子不能完全分散，部分颜料粒子聚集使比表面积减小，散射效率降低，基料不能完全润湿全部的颜料粒子，故平衡温度不再变化。因而反射隔热涂料中钛白粉的含量应该维持在15%左右。

2.2　反射型填料对反射隔热性能的影响

在颜料含量一定，PVC为45%，功能性填料占涂料总质量含量为10%的情况下，选用陶瓷微球、堇青石和空心玻璃微球为填料配制成反射隔热涂料，制成涂膜后用紫外可见-近红外分光光度计测试其在200～2 500 nm的反射率曲线。图3为3种不同的功能性填料的配制而成的涂料的反射率曲线。

从图3可以看出，3种功能性填料中，陶瓷微球的反射率最高，堇青石的反射率最低，空心玻璃微球的反射率居于陶瓷微球和堇青石之间。与空心玻璃微球相比，虽然陶瓷微球比空心玻璃微球的导热系数更高，但是由于空心玻璃微球一般较粗，而陶瓷微球的粒径较细，所配制而成的涂料的细度较小，形成的涂膜更加光滑。由于涂料本身对于涂膜外观的要求，综合考虑陶瓷微球更适合应用于反射型隔热涂料，因此本实验选用陶瓷微球作为本产品的反射填料。

2.3　红外陶瓷粉添加量对反射隔热性能的影响

选用粒径为800目的红外陶瓷粉，在颜料含量相同、PVC为45%的情况下，按红外陶瓷粉占涂料总质量的2%、4%、6%、8%、10%配制反射隔热涂料，用自制的反射隔热性能测试装置测试涂料试板背面平衡温度。图4为红外陶瓷粉不同添加量下涂料试板背面平衡温度曲线。

由图4可以看出，涂料试板背面平衡温度随红外陶瓷粉的添加量的增加而下降。在红外陶瓷粉的添加量为4%～6%时，平衡温度下降得最快；当红外陶瓷粉的添加量大于8%时，平衡温度得化曲线开始变得平缓，平衡温度下降的速度变慢。这是由于红外陶瓷粉的量增加时，涂层中起辐射降温的粒子增多，但是当红外陶瓷粉添加量大于8%时，涂层中的红外陶瓷粉粒子的量达到饱和，此时再增大其添加量对隔热性能的影响不大。因此，红外陶瓷粉的量应该维持在6%～8%。

2.4　反射型隔热涂料反射率测试

以马口铁板为底材，将研究获得的最优配方所配制而成的隔热涂料涂于马口铁板上，涂膜的干膜厚度约为150 μm。待涂膜完全干燥后用Lambda 950紫外可见-近红外分光光度计对隔热涂料的涂膜与普通白色外墙涂料的涂膜进行热反射性能比较，图5为反射隔热涂料与普通白色外墙涂料的反射率曲线。

由图5可以看出，反射型隔热涂料的反射率明显要高于普通涂料的反射率，其中反射型隔热涂料的反射率R＝0.85，普通外墙涂料的反射率R＝0.76。

2.5　反射隔热涂料综合性能检测

采用上述参数，制备反射型隔热涂料，经过国家建筑材料检测中心的检测，结果列于表2。表2说明本实验制备的建筑隔热涂料的反射率为0.85，半球发射率为0.86，隔热温差为15.8 ℃，隔热温差衰减为2.2℃。隔热性能指标超过JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》标准。

3　结　语

采用硅溶胶和丙烯酸酯乳液复配作为基料，金红石型钛白粉作为颜料，陶瓷微球和红外陶瓷粉作为功能填料，碳酸钙和高岭土等作为普通填料，外加一些助剂制备了新型有机/无机反射型隔热涂料。颜料选择使用金红石型钛白粉，相比其他颜料，金红石型钛白粉具有更高的折射率，所配成的涂料具有更高的反射率，反射隔热的效果最佳。在空心玻璃微球、堇青石和陶瓷微球3种功能性填料中陶瓷微球所配制成的涂料的反射率最高，最适合用于反射隔热涂料中；当红外陶瓷粉粒径为800目，添加量维持在6%～8%的时候，所配成的涂料能够获得最佳的隔热效果和经济效果。所制备的隔热性能指标超过JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》标准。