隔热反射

隔热反射（精选八篇）

隔热反射 篇1

热反射隔热涂料对于降低夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的建筑能耗具有重要意义,同时,应用热反射隔热涂料还可以显著降低建筑装饰层表面的升温速度,对外墙外保温系统具有重要的保护作用,可大幅度减小外墙外保温系统开裂的可能性。由于国内市场热反射隔热涂料基本为白色,虽然白色热反射隔热涂料的太阳能热反射率最高,隔热效果最好,但在城市建筑大面积应用时毕竟存在光污染的问题,而添加色浆制成彩色涂料后,其隔热效果又是未知数。本研究主要探讨添加不同浓度、不同种类的色浆对涂层热反射能力的影响。

1 实验设计

1.1 原材料

1.1.1 基础涂料

选择某进口白色隔热涂料作为试验的基础涂料,其中主要白色颜填料为金红石型二氧化钛,还添加部分中空陶瓷微珠。

1.1.2 色浆

色浆包括:铁红、铁黄、酞青蓝和酞青绿,所有色浆均采用市场上常见的外墙涂料用色浆。通过添加不同浓度的色浆,分别配制成深浅2种色调的彩色涂料,包括浅红、浅黄、浅蓝、浅绿、深红、深黄、深蓝、深绿共8种。

1.2 实验仪器

主要采用Perkin Elmer Lambda 950分光光度计,测试热反射隔热涂料涂层干燥后的太阳能反射比,并按5 nm的光谱波长增量绘制出反射比曲线。

1.3 实验方法

制样和测试方法主要按照JC/T 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》中规定的方法进行。

2 结果与讨论

2.1 较低浓度色浆对不同光谱范围太阳能反射比的影响分析

添加色浆浓度较低,形成浅色调时,太阳能反射比曲线见图1。

根据图1可知:

(1)添加较低浓度的色浆时,色浆种类对涂料在1200~2500 nm近红外范围内反射比影响很小,在900~1200 nm近红外范围内反射比的影响较小。

(2)添加较低浓度的酞青蓝和酞青绿色浆,对涂料在780~900 nm近红外范围内反射比产生了较大的影响;但添加较低浓度的铁黄和铁红时,对涂料在780~900 nm近红外范围内反射比影响较小。

2.2 较低浓度色浆对热反射隔热涂料太阳能反射比的影响

添加较低浓度色浆时,根据图1中的反射比数据,按GJB2502—95《卫星热控涂层试验方法》中计算太阳能反射比的公式[见式(1)]计算出不同颜色涂料太阳能(250~2500 nm)反射比(见表1)。

式中:ρs——试样的太阳能反射比;

ρλi——波长为λi时试样的光谱反射比;

△λi——波长间断,△λi=(λi+1-λi)/2;

Es(λi)——在波长λi处的光谱密集度,W/(m2·μm);

n——在波长250~2500 nm范围内的测点数目,一般大于50。

由表1可以看出,浅黄色对太阳能反射比的影响最小,而浅蓝和浅绿影响较大。

2.3 较高浓度色浆对不同光谱范围太阳能反射比的影响分析

添加色浆浓度较高,形成深色调时,太阳能反射比曲线如图2所示。

根据图2可知:

(1)添加较高浓度的色浆,不分色浆种类,对涂料在1200~2500 nm近红外范围内反射比影响较小,由于该范围内的反射比曲线基本处于平行状态,所以,可以认为反射比和色浆种类的相关性远小于和色浆浓度的相关性。而添加较高浓度的色浆,对涂料在900~1200 nm近红外范围内反射比的影响较大。

(2)添加较高浓度的酞青蓝和酞青绿色浆,对涂料在780~900 nm近红外范围内反射比产生了非常大的影响;添加较高浓度的铁黄和铁红时,对涂料在780~900 nm近红外范围内反射比也产生了较大影响。

2.4 较高浓度色浆对热反射隔热涂料太阳能反射比的影响

添加较高浓度色浆时,根据式(1)计算不同颜色涂料太阳能(250~2500 nm)反射比见表2。

由表2可以看出,深黄色对太阳能反射比的影响相对较小,而深蓝和深绿影响相对较大。

3 结论

(1)随添加色浆浓度的加深,对涂料在280~780 nm可见光范围的反射率影响最大,在780~900 nm近红外范围内,色浆浓度对反射率影响也很大,在900~1200 nm近红外范围内,色浆浓度对反射率影响开始减小,而1200~2500 nm范围内,色浆浓度对反射率影响较小。

(2)在实验的4种色浆中,铁黄添加到热反射隔热涂料中对太阳能反射比的影响最小。

摘要：通过向白色热反射隔热涂料中添加不同颜色的色浆,然后测试250～2500nm范围内光谱反射性能。比较研究了添加不同浓度的铁红、铁黄、酞青蓝、酞青绿色浆后,热反射隔热涂料近红外区段热反射性能的变化规律。

隔热反射 篇2

重庆市城乡建设委员会

关于规范建筑反射隔热涂料工程应用的通知

各区县（自治县）城乡建委，两江新区、北部新区、高新区、经开区、万盛经开区、双桥经开区建设局，有关单位：

近期，我委不断收到区县城乡建委以及建设、设计、审图、施工和材料单位反映存在部分工程项目违规使用建筑反射隔热涂料的问题。为规范建筑反射隔热涂料工程应用，保证建筑节能工程节能效果，维护建筑节能工作严肃性和科学性，现将有关事项通知如下：

一、我市地处夏热冬冷地区，实施建筑节能要求建筑外围护结构应具备隔热保温功能。建筑反射隔热涂料是一种有较高太阳热反射比和半球发射率的外墙饰面材料，具有一定隔热效果，不具备保温功能。在本市行政区域内民用建筑节能工程中不得通过使用建筑反射隔热涂料取代隔热保温材料，但可以与隔热保温材料配套使用。

二、当民用建筑节能工程使用建筑反射隔热涂料时，应按照《居住建筑节能65%设计标准》

（DBJ50-071-2010）以及《建筑反射隔热涂料外墙保温系统技术规程》（DBJ/T50-076-2008）规定进行热工计算取值和构造设计。凡不按上述规定进行建筑反射隔热涂料热工计算取值和构造设计的，不得通过建筑初步设计节能审查、施工图节能审查和建筑能效测评，责令限期进行整改，并依法严肃处理。

三、建设、施工和监理等有关单位应切实加强建筑反射隔热涂料施工过程管理，严格按照《建筑节能工程施工质量验收规范》（GB 50411）和《建筑反射隔热涂料外墙保温系统技术规程》（DBJ/T50-076-2008）相关规定，核查进场的建筑反射隔热涂料外墙保温系统主要组成材料的质量证明文件及进场复验报告，并确保所用建筑反射隔热涂料性能指标和施工质量符合相关标准规范与设计文件要求。

四、建筑反射隔热涂料生产供应单位应客观合理地宣传建筑反射隔热涂料节能效果，切实规范建筑反射隔热涂料生产供应行为，保障建筑反射隔热涂料产品质量，正确引导建筑反射隔热涂料在建筑节能工程中应用。

新型节能材料——热反射隔热涂料 篇3

源源不断的太阳能是人类赖以生存的重要基础, 然而强烈的太阳辐射在给人类的工业生产和日常生活提供能量的同时, 也附加了诸多的不便。每秒以电磁波形式辐射到地球物体表面的太阳光能量约750w/m2, 这些能量在物体表面持续积累, 使得温度显著升高, 例如在炎热的夏天金属物体表面温度可以达到70~80℃[1], 建筑屋顶及外墙表面温度可至50℃。表面温度的升高相应提高了物体内部的温度, 增加了建筑工程室内空调的环境负荷, 而且存在一些安全隐患, 如石油化学工业、运输储存行业生产中, 许多露天的反应装置潜在爆炸危险。随着能源政策的调整与低碳经济的发展, 建筑节能逐渐摆在发展的首要位置, 热反射隔热涂料正是在这种背景下应运而生的。

1 热反射隔热涂料的特点

隔热涂料是通过各种方式可使被涂物体温度明显低于外界温度的材料[2]。其中热反射隔热涂料 (Reflective Thermal InsulatingCoating, 缩写为RTIC) 是最为常用的一类涂料, 简要来讲, 即通过选择合适的树脂、金属或金属氧化物填料及生产工艺来制得高反射率的涂层, 凭借辊涂、刷涂、喷涂或刮涂的方法覆于物体表面[3], 当处于太阳光照射环境下, 依靠涂层从源头上有效地把辐射能量反射回外层大气空间, 从而减少了物体对能量的吸收, 达到降温的目的。

作为一种新型的节能材料, 热反射隔热涂料隔热效果良好, 可以明显降低被覆空间范围———建筑物外墙、屋顶、室内等的温度, 改善了环境的舒适度, 减少了夏季空调等制冷设备在高温条件下或长期经受太阳照射过程的能源能耗, 在显著改善工作环境的同时, 节约了大量的能源, 减少物资不必要的损耗。另外, 这种涂料与各种基材附着力好, 耐候性强, 使用的溶剂无刺激性气味, 大大减少了对环境的影响, 操作方便, 适合于复杂工程的施工, 避免了其他隔热材料施工方面的缺点。

2 热反射隔热涂料的作用机理

2.1 太阳辐射光谱

任何物质均具有反射或吸收一定波长太阳光的性能。事实上, 某些物质如玻璃还具有透过太阳光的能力, 因热反射隔热涂料覆盖的物质一般为混凝土、金属等材料, 故认为透过率为零, 仅考虑反射和吸收。

由光谱分析, 太阳辐射能量按照波长变化分为三个光谱区 (见图1) :近红外区范围在0.72~2.5μm, 占太阳总能量的50%;可见光区范围0.4~0.721μm, 占太阳总能量的45%;紫外区0.2~0.4μm, 占太阳总能量的5%。

由此可了解到, 太阳辐射的大部分能量 (约95%) 都集中在近红外光和可见光范围, 如果热反射隔热涂料在此波长区域内对太阳辐射的反射率越高, 那么涂层的隔热效果就会越好。

2.2 RTIC涂层结构[4]

RTIC涂层结构分为热反射涂层、隔热层和防腐蚀层三部分 (见图2) 。

热反射涂层:厚度约40~60μm, 在可见光及近红外波长范围反射率很高, 在两个大气窗口处 (入=3~5μm, 入=8~13.5μm) , 尤其在后者范围内, 发射率很高。

隔热层:厚度约120~140μm, 其中巨量空心微球紧密排列, 形成多层空心夹层, 可有效阻隔热量传递。

防腐蚀层:厚度约60~80μm, 耐蚀性能及力学性能优良。

2.3 作用机理

可以认为, 热反射隔热涂料以反射的方式将热量阻挡在涂层的外侧。再者, 从结构中的隔热层说明, 内有巨量空心微球, 其绝对体积比例大导热系数极小, 进而影响涂层的导热系数, 则阻止了热量在物体内部的传递, 伴随着反射的进行也具有一定的阻隔作用。反射隔热涂层性能的好坏受涂层表面状态的影响极大, 通常来看, 物体表面越光滑平整, 对入射光线的反射越高, 物体将入射能量反射后, 自身能量吸收较少。同时, 由于存在大气窗口, 若涂层在该区间内, 特别是第二窗口入=8~13.5μm处, 有较高的反射率, 可直接将物体所接收的太阳光热量径直通过此窗口发射到大气层的外部空间, 使得温度明显下降。以上所述的综合作用正是RTIC涂层的热反射隔热降温机理。

3 热反射隔热涂料的组成及其对性能的影响

热反射隔热涂料是由树脂等作为基料, 功能填料、颜填料等具有反射隔热性能的物质填充内部并辅以合适助剂而制得的。每种组分均对材料性能的表现起到不可忽视的作用。

3.1 基料与性能的关系

热反射隔热涂料中的基料是不可或缺的组成物, 扮演着将功能填料等组分与基质结合起来的角色。通常各组分功能填料、颜填料均先被均匀地分散在基料中, 之后再被涂覆到基质上。基料对于填料来看即发挥载体的作用。具体来讲, 所用的基料为各类树脂。

工业常用的热反射隔热涂料树脂有氯磺化聚乙烯树脂、氯化橡胶树脂、高氯化聚乙烯树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚偏氟乙烯树脂、有机硅改性丙烯酸树脂、有机硅改性醇酸树脂等。这些树脂对太阳辐射中可见光和近红外光波长能量的吸收较小, 同时透光率在80%以上, 而且树脂中不含或少含-C-O-C、=C=O、-OH等吸收能量基团, 使得树脂对太阳辐射的吸收达到最低。需要说明的是有机硅改性丙烯酸树脂、有机硅改性醇酸树脂, 虽然这两类合成树脂的折光指数几乎相同, 似乎对太阳热反射隔热效果没有太大的差异, 但在实际应用过程中, 为降低结构中吸热基团的影响, 通过改性手段以Si-O基团代替原分子主链含有的-C-O-C吸热基团以降低对太阳能量的吸收, 且硅氧骨架结构形成的涂层透气性好, 其基团在界面定向排列与基质硅酸盐类材料可交联形成化学键, 因此大大地改善了涂层与基质之间的粘结, 从而提高了涂层的附着力。由于热反射隔热涂料主要应用于户外建筑物的外墙和屋顶, 以及工业设备等的外表面, 需长期经受日晒雨淋和自然环境的侵蚀, 因此要求树脂拥有良好的耐候性、耐腐蚀性、耐沾污性、保光保色性及合适的弹性, 能够消除建筑物形变所产生的应力.同时具备弥补微裂纹的能力。值得一提的是氟碳树脂, 其具有优异的耐候耐蚀性能、透明度高、附着力好、耐水耐化学性强、干燥快等特点, 可以广泛用作多种场合的涂料基料。

3.2 填料与性能的关系

热反射隔热涂料所用使用的填料分为颜填料、功能填料等, 分别对热反射隔热涂料的最终性能表现起到关键的作用。

3.2.1 颜填料与性能的关系

在热反射隔热涂料组分中颜填料的选择主要取决于反射率高低和对涂层导热系数的影响, 大部分属于电解质, 为了强化反射太阳光效果, 涂层常为银白色。因热反射隔热涂料是在铝基反光隔热涂料的基础上发展而来的, 其涂层中为金属或金属氧化物, 以往使用的薄片状铝粉类填料, 虽然反射性能很好, 但是铝粉也具有良好的导热性能, 即使涂层吸收少量的热会被很好地传导, 长期累积传导的热量不利于隔热。

对于颜填料的基本要求即该物质需在可见光和近红外光的波长范围内吸收率很低, 反射率极高, 且对可见光和近红外光有尽可能大的散射。作为当前最基本颜填料钛白粉可高效反射可见光和近红外光, 同时折光指数较高, 与其它填料有很好的相容性, 并在大气窗口有强烈辐射现象, 从而实现反射隔热降温的目的。从这点来看, 颜填料对应于RTIC涂层结构的热反射涂层, 其作用侧重以反射方式来阻隔热量降低内部温度。其他物质如金红粉 (金红石型Ti O2) 、氧化锌、滑石粉、云母粉、二氧化硅、高岭土等均可作为颜填料的选择。

3.2.2 功能填料与性能的关系

为了获得优异的隔热性能, 必须选择具有轻质、低导热系数、高球形率、稳定物理化学性质的空心物质, 来用作热反射隔热涂料填料。空心微珠是近年新兴起来的一种用途广泛、满足以上特点的最佳材料。

空心微珠的主要化学成分是硼硅酸盐, 粒径在10~250μm, 壁厚为1~2μm, 具有圆形微观结构, 在液体树脂中要比片状、针状或不规则形状的填料具有更好的流动性。它特有的中空结构使得涂层能够最大程度地阻隔热量的传递, 此点概念与RTIC涂层结构的隔热层相照应, 其隔热性能优劣与自身结构、分布状态、粒径大小有着密切的关系。然而, 采用单一粒径的空心微珠制备的热反射隔热涂层, 固化后涂层内存在大量间隙, 不利于热量的阻隔, 故实际情况下多采用多种粒径空心微珠复配, 以大粒径的空心微珠为主体, 利用小粒径的空心微珠填充空隙, 可以显著提高涂层的隔热能力。另外, 空心微珠填充后可大大减轻涂料的基重, 替代并节省更多的树脂, 一定程度上降低成本, 提高经济效益, 而且改善了涂料的力学性能、渗透性能、光泽度及流平性。

空心微珠被广泛应用于热反射隔热涂料中, 依靠自身的良好性能开拓了航空航天、豪华游艇等广阔领域, 获得开放的展示平台。

3.3 助剂与性能的关系

顾名思义, 助剂是辅助改善与提高热反射隔热涂料的性能而选择性加入的, 在选用的环节需考虑到该涂料的特征, 即基本原则不能影响材料的热反射隔热性能。通常, 助剂的用量很少, 一般为原料配比总量的1%左右[5]。从用途方面来讲, 助剂分为分散剂、消泡剂、流平剂、成膜助剂、增稠剂等, 这类物质的加入可以避免部分涂层缺陷及弊病, 同时又有利于涂料的施工和控制。

各种助剂的作用机理从本质看为表面活性剂的范畴, 与表面张力等概念相关。例如, 分散剂通过降低树脂与填料之间的界面张力, 增加填料在树脂中的润湿性, 使其能够快速、均匀、充分地分散到树脂基料中, 并保持整个分散体系在施工和使用流程中的稳定[6]。而消泡剂则可以润湿渗透到表面活性物质形成的薄层中, 依附其不相容性与该系统反应, 降低活性物质表面张力, 从而破坏薄层的稳定性, 达到消泡的目的。类似, 流平剂通过减小涂料的界面张力, 降低涂料在成膜过程中的失水速率, 保证涂料有良好的流平性, 并使涂层表面有一定的光滑性。

总之, 助剂也是热反射隔热涂料组成的一部分, 发挥着独特的作用, 根据需求添加该物质, 尽可能地得到综合性能优异的涂料。

4 热反射隔热涂料的性能检测

至今, 对热反射隔热涂料性能的检测评价仍是一个较为复杂的问题[7]。目前, 国内已公布的关于热反射隔热涂料性能测试标准有两个, 分别为JC/T1040-2007《建筑外表面用反射隔热涂料》和GB50393-2008《钢制石油罐防腐蚀工程技术规范》, 然而, 至今国家尚未规定此类产品的降温性能测试通用标准, 并且生产厂家所开发的产品测试方法不一, 难以对不同的材料降温性能进行纵向对比。尽管如此, 在实际的应用中, 可通过对已有的涂料标准或规范对该种材料大致降温范围做出初步推断与判定。

4.1 反射隔热性能的测定

该涂料的热反射隔热性能可借太阳反射比 (或反射率) 、半球发射率 (或发射率) 和涂层的隔热性能来反映。其中, 太阳反射比和半球发射率由JC/T1040-2007《建筑外表面用反射隔热涂料》来测定;反射率可根据美国军方标准 (MIL-E-46136) 或按照GJB5023.1-2003测定;发射率可按照GJB5023.2-2003测定;涂层隔热性能按照国家住房和城乡建设部的最新标准 (JG/T235-2008) 检测。

4.2 其他性能的测试

该涂料的其他性能包括耐冲击性、漆膜硬度、漆膜柔韧性、涂料附着力、涂料固含量、涂料干燥时间、涂料遮盖力、涂料黏度等方面。其中, 耐冲击性按照GB/T1732-93《漆膜耐冲击测定法》测定;漆膜硬度按照GB/T1730-93《漆膜硬度测定法》采用摆杆阻尼硬度法进行;漆膜柔韧性按照GBl731/93《漆膜柔韧性测定法》进行;涂料附着力测试按照GB/T1720-79 (89) 《漆膜附着力测定法》 (划圈法) 进行;涂料固含量按照GB/T1725-1979《涂料固含量的测定方法》进行;涂料干燥时间按照GB/T1728-1979《涂膜、腻子干燥时间测定法》测试;涂料遮盖力按照GB/T1709-79《颜料遮盖力测定法》测定;涂料粘度按照GB/T1723-1993《涂料粘度测定法》的规定进行。

5 国内外的研究现状及发展趋势

5.1 国外的研究进展

在国外发达地区, 关于热反射隔热涂料的研究报道相对较多, 研究也比较深入。最初, Nahar等在对干旱地区太阳光的冷却技术进行研究后发现, 有反射涂层的测试室室内温度明显比未涂反射层的测试室室内温度低。而涂料领域的代表需提到美国盾牌节能涂料, 主要应用于航天飞机隔热方面, 涂料中含有极细的陶瓷泡, 对太阳辐射具有较高的反射率, 且成膜后陶瓷泡紧密排列形成完整的隔热层。在英国, 一项专利介绍了一种褐色的热反射隔热涂料, 由成膜助剂和近红外反射填料构成, 近红外反射率≥70%, 太阳总反射率≥45%。在日本, 武居二郎研制了建筑物用太阳能反射涂料, 罔田道夫则对太阳反射涂层进行了评估[8]。

此外, 意大利等国家均投入巨资进行热反射隔热涂料的研究, 并开始产品化。美国ASTM隔热委员会C16还制定了C148标准, 对热反射隔热涂料的各项技术指标、测试方法作出了明确规定, 标志着“热反射隔热涂料”已正式被美国接受并规定应用于相关领域, 如建筑外墙、钢结构等。

5.2 国内的研究进展

自20世纪90年代起, 随着资源与能源危机的加剧, 考虑到经济和节约的因素, 我国科技人员开始研发在太阳光能量下可通过反射降温的涂料, 即热反射隔热涂料。国内研究虽然起步较晚, 但由于不少高等学府及科研单位积极从事此类研究, 因此, 在机理研究、品种开发及工程应用方面, 取得了巨大突破。尤其最近几年, 热反射隔热涂料所涉及的内容不仅局限于建筑外墙、工业储存等, 已扩展到国防军事领域, 像可见光及近红外隐身涂料、红外隐身涂料等的研发[9], 更是取得了丰硕成果。

在实际生产应用方面, 北京京安固特化工有限责任公司研制生产的GTR系列热反射隔热涂料与同行的银粉漆比较, 在35℃气温条件下表面温差达19℃, 用该涂料涂刷过的厂房与未使用该涂料的同样厂房相比, 表面温度降低20℃, 屋顶温度降低15%左右, 具有超强的热反射隔热效果。

5.3 未来的发展趋势

在全球提倡环保节能、低碳经济的大背景下, 热反射隔热涂料会逐渐取代传统涂料, 成为建筑外墙、化工储存、国防军事领域的主流, 创造巨大的经济效益、环境效益与社会效益。经过十余年的不懈努力, 我国热反射隔热涂料的研究竟初具规模, 为更好的发展打下坚实基础。可以预计, 未来的热反射隔热涂料有以下几种发展趋势:复合性、环保性、智能性。

5.3.1 复合性

鉴于现使用的热反射隔热涂料的填料组分单一, 可对此作出改进, 促使其朝着复合性填料的方向发展。通过对高纯度填料性能的理论研究和探索, 进而对单一填料的性能达到更深刻的认识层面, 然后通过特殊工艺, 开发各种高性能复合性填料[10], 使得热反射隔热涂料效果更好。

5.3.2 环保性

人类与环境的协调共存是当今发展的主题, 社会发展要求人类活动对环境的负面影响越小越好。然而传统的涂料多为溶剂型, 其中含有大量的有机溶剂, 使用时还常加入适当有机溶剂进行稀释, 这些溶剂在施工过程中难以控制用量, 施工难度较大, 之后挥发到大气中, 不仅危害人体健康, 而且污染环境。因此, 水性热反射隔热涂料、无溶剂型热反射隔热涂料成为这一领域发展的大势所趋[11]。水性涂料的原理是以水溶性树脂为基料, 在施工过程中以水为稀释剂, 这可消除施工时的火灾潜在危险, 降低对环境的污染, 称得上是“环境友好型”涂料。

5.3.3 智能性

另外, 热反射隔热涂料还可向智能化发展, 通过赋予其生命的“活性”, 能够拥有感知与调节的能力。原材料的选择可使用相变材料, 是一类可以在一定温度区间内实现物质状态的变化, 通过能量的吸收或释放, 来维持相变材料和周围环境或物质的温度恒定。相变材料的极大亮点在于能根据环境温度自动调节, 具有降低能耗的良好效果, 发展前景广阔。

6 结束语

随着世界各国对能源与资源的普遍重视, 强调环境和发展的统一结合, 热反射隔热涂料必将在建筑、化工等行业占有一席之地。因此, 作为一种符合节能要求的环保友好型材料, 热反射隔热涂料前景十分广阔, 应加大研发力度, 将对其的进一步研究推向全新的高度。

参考文献

[1]曾军.热反射涂料[P].中国.CN02100832.9, 1997 (0426) .

[2]孙明杰.太阳热反射隔热涂料的研究[D].北京:北京化工大学, 2010, 9.

[3]Michael Grafe, Alan Grafe, Martin Sheeran.Thermally Reflective Substrate Coating and Method for Making and Applying Same[P].US Pat6391143 BI, 2002.

[4]马建春, 胡家晖.热反射隔热涂料和相变涂料研究及应用[A].第2届特种涂料发展与应用技术研讨会[C].2009, 4.

[5]朱姝, 黄之祥.水性工业涂料助剂的功能与应用[J].涂料工业, 1999 (8) :33-35.

[6]林宣益.水涂料用助剂[J].涂料工业, 2006 (10) :36-42.

[7]胡家晖, 胡传.热反射隔热涂料研究及应用现状[J].节能与环保, 2009 (1) :34-37.

[8]邹战军.建筑隔热涂料综述[J].广州化工, 2010, 37 (8) :34-37.

[9]胡传, 孟辉.热反射隔热防腐蚀涂层的现状及其应用[J].石油化工腐蚀与防护, 2005, 22 (3) :20-24.

[10]徐永祥, 李运德, 师华, 等.太阳热反射隔热涂料研究进展[J].涂料工业, 2010, 40 (1) :70-74.

助剂对反射隔热弹性涂料性能的影响 篇4

近年来,随着建筑节能材料的推广,隔热涂料因经济环保和绿色高效等优点越来越受到人们的关注[1]。反射隔热涂料是一类通过添加空心介质来满足温控要求的功能性涂料,目前使用最多的是空心玻璃或陶瓷微珠。这类材料导热系数小,反射率高,耐磨性、耐候性、耐腐蚀性优良[2]。然而,具有高填充性的空心微珠的添加也一定程度上削弱了涂膜的力学性能,需要合理的配方调整来均衡涂料的各项性能。

反射隔热涂料在基料和颜填料组成一定时,使其性能提高的主要办法就是通过添加分散剂、消泡剂、润湿剂、成膜助剂、耐沾污剂及适当的pH值调节剂等助剂来实现。这些添加剂在涂料中的加入比例很小,却可以避免许多涂膜缺陷及弊病,明显提高涂料的各项性能,使涂料的生产和施工过程易于控制。目前,关于助剂的选用原则及添加范围方面的报道较少,大多是综述类的阐述[3,4,5,6],尤其对添加功能填料的反射隔热涂料的研究更少见报道。因此,本试验根据外墙涂料的制备原则并考虑到反射隔热涂料的特殊性,在其它组分配比不变的情况下,分别考察使用不同助剂及其用量对涂料性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

基料,主要选择德国巴斯夫有限公司生产的S-400纯丙弹性乳液和北京东联化工有限公司生产的BF-300硅丙弹性乳液;颜填料,主要有超细空心玻璃微珠、金红石型钛白粉、高岭土和滑石粉等;助剂,主要有德国科宁公司的润湿分散剂、消泡剂、增塑剂、成膜助剂和德国道旭高分子公司的耐沾污剂等。

1.2 涂料制备

按表1配方称取物料,在低速搅拌下依次加入蒸馏水、润湿分散剂、耐抗沾污剂和适量消泡剂等充分混合均匀,然后添加钛白粉和高岭土等颜填料,高速搅拌30 min,使粉体粒子在高剪切作用下分散成原级粒子,并达到分散稳定状态。接着将调制好的颜填料色浆缓慢加入到乳液中,再低速搅拌30~40min。为了避免过高的转速破坏微珠的空心结构,使其失去隔热反射能力,空心玻璃微珠需最后在低速状态下加入到分散液中,搅拌过程中滴加剩余消泡剂,然后过滤,出料。

1.3 试验仪器

SDF-400型调速分散研磨机;PHD-200型酸度计;NDJ-8型粘度计;C84-III反射率测定仪;NZW型涂层耐沾污性冲洗装置;DXLL-10000电子拉力机。

2 结果与讨论

乳液和颜填料是涂料的主要成分,乳液中所含的大部分单体疏水性较强,而无机颜填料中所含的极性基团亲水性较强,疏水的非极性分子和亲水的极性分子难以在一个体系中稳定存在,由此而导致颜填料的絮凝和涂料的分水、分层等现象。因此,表面活性剂等助剂应当被合理应用在涂料的制备过程中,以获得性能稳定的产品。对于建筑涂料特别是水性涂料,助剂对涂料质量的影响不亚于颜填料[7]。由于水性反射隔热弹性涂料中所用功能填料的特殊性,使得助剂对此体系的影响有别于一般涂料,需要进行认真探讨。

2.1 分散剂对涂料性能的影响

2.1.1 分散剂用量对涂料黏度的影响

颜填料在基料中的润湿和分散是涂料生产的重要过程,对涂膜的诸多性能起着决定性的作用。分散剂通过降低粉料与树脂液之间的界面张力,提高颗粒间的排斥势能,使粉料颗粒能够快速、完全被润湿,促进分散体系稳定。分散剂使用得当,不但能防止颜料沉淀,使涂料具有良好的贮存稳定性,而且能够改善流平性,防止颜料浮色发花,提高颜料的着色力、遮盖力,增加涂膜的光泽。

有机分散剂是一种具有较长分子链的高分子聚合电解质,它依靠主链上的活性基团吸附在颗粒表面,而侧链则在介质中充分伸展,形成几纳米到几十纳米厚度的吸附层,产生空间位阻效应,阻止颗粒间相互聚集。反射隔热弹性涂料制备中使用的空心微珠粒小质轻,表面积较大,当其掺量增多时,涂料中的树脂难以润湿全部的颜填料。从实验过程可以看出,通过添加分散剂,涂料的流动性得到很大改善,尤其体现在空心玻璃微珠从无法被完全润湿到能够均匀分散。图1为空心玻璃微珠用量为6.0%时,不同分散剂用量对涂料黏度的影响。

由图1可见,分散剂有一最佳用量0.22%,当小于这一最佳用量时,分散剂的分散效应占优,因为随着分散剂的逐步添加,高分子不断吸附在颗粒表面,其支链形成的空间位阻层逐渐增厚,颜填料也愈加稳定;然而,当分散剂用量大于这一最佳值时,分散剂絮凝效应占优,因为分散剂用量的继续增加,除了能够在颗粒表面达到饱和吸附外,多余的分散剂还会越来越多存在于介质中,对吸附在不同颗粒表面的位阻层支链进行搭桥,使颗粒之间絮凝,以致浆料黏度再次上升,反而降低了涂料的分散稳定性。

2.1.2 分散剂用量对涂膜性能的影响

为了考察分散剂对涂料固化后性能的影响,将图1中不同分散剂用量所制备的涂膜进行力学性能测试,拉伸性能按GB/T 16777—1997《建筑防水涂料试验方法》的规定进行,结果见图2。

由图2可以看出,随着分散剂用量的增加,涂膜拉伸强度提高的同时总是伴随着延伸率的损失。说明分散剂用量的确定要进行各因素的综合考虑,因为分散剂的加入不仅能防止颜填料聚沉,改善浆料流动性,提高涂膜质量,同时对涂膜的力学性能也有一定程度的影响。

2.2 消泡剂对涂料性能的影响

水性涂料中包含了许多表面活性剂,如乳化剂、润湿分散剂、耐沾污剂、成膜助剂等,它们在表面张力大的水性介质中更容易产生气泡。在外墙涂料的涂布过程中,起泡将干扰施工的正常进行以及涂膜的质量,涂膜渗水都是从最薄弱的地方开始的。显然,涂膜中气泡的增加,将会降低建筑物的防水功能。

涂料中的气泡通常由气-液交界处的活性分子形成,这些表面活性分子通常以分散的气泡形态形成稳定的、不易被破坏的薄层。消泡剂可以润湿渗透到由表面活性物质所形成的薄层中,降低其表面张力,破坏薄层的稳定性,从而达到消泡的目的。对于水性反射隔热弹性涂料来说,目前,效果比较理想的消泡剂是有机硅类消泡剂,由聚醚和烷基链改性的聚硅氧烷组成,改性后有机硅与涂料有一定的不相容性,消泡较为有效。图3为空心玻璃微珠用量为6.0%时,消泡剂用量对涂膜性能的影响。

由图3可见,涂膜的拉伸强度和断裂延伸率随着消泡剂用量的增加而增大,反映出适量的消泡剂对涂膜的改性效果是既增强又增韧,因而可以减少涂膜的缺陷,提高涂膜的整体防水效果;但当消泡剂用量达到0.2%后,再继续添加对涂膜力学性能的影响不大,可能还会引起涂料的胶凝,使其流动性降低。实验证明,消泡剂在一定的用量范围内具有良好的抑泡和破泡效果,过量则会引起缩孔等弊病[8]。

2.3 耐沾污剂对涂料性能的影响

弹性涂料一般都使用玻璃化温度低的乳液,使涂膜耐候性提高的同时耐沾污和抗积尘性则较差。为了改善反射隔热涂料的自洁性,添加具有低表面能的耐沾污剂,使涂膜表面产生疏水性,有利于反射隔热效果的更好发挥。耐沾污剂的作用机理是在涂料固化成膜过程中,耐沾污粒子充当交联点,把线型的有机高分子交联成网状结构,有效提高涂膜的致密性,降低涂膜的孔隙尺寸,防止灰尘的吸入和外界水分的侵入,从而改善外墙涂料的耐沾污性。由于反射隔热弹性涂料中空心微珠的堆积密度极小,仅为0.125 g/m L,它的添加使颜填料的总体密度减小,涂膜硬度也随之降低,耐沾污性相应下降。因此,在添加空心微珠的涂料体系中,需要添加耐沾污剂来满足使用要求。图4为空心玻璃微珠用量为6.0%时,耐沾污剂用量对涂膜耐沾污性的影响。

从图4可以看出,当纳米耐沾污剂的用量小于1.7%时,掺入耐沾污剂都有较为显著的改性效果;掺量进一步增加,则效果变得不再明显。

在基础配方中加入不同用量的耐沾污剂,其对涂膜力学性能的影响见图5。

由图5可见,掺入耐沾污剂能显著提高聚合物涂膜的拉伸强度,这是因为耐沾污剂带有的官能团在成膜过程中可与丙烯酸酯乳液的反应基团发生化学交联作用,交联程度的提高,必然会相应提高涂膜的拉伸强度、撕裂强度,降低涂膜的吸水率。但交联程度的提高,也同时限制了涂膜的变形,使其断裂伸长率也相应下降。这些力学性能的变化都与耐沾污剂的交联作用有关,为了提高涂膜自洁性的同时防止涂膜延伸率的大幅降低,耐沾污剂的最佳掺量在1.3%左右。耐沾污剂对涂膜性能的影响与其用量和种类都有关系,可以根据不同的实际情况适当选择以满足生产需要。

2.4 p H值对涂料稳定性的影响

在实际应用中,涂料配方中使用的乳液及有机添加剂等有时会被微生物降解,生成酸性物质,使p H值下降,进而影响浆体的分散稳定性。本实验考察了不同p H值下涂料的分散效果和贮存稳定性,结果见表2。

颜填料分散体要达到稳定状态,不管是通过静电稳定,还是通过空间位阻稳定,或者二者联合稳定,其前提条件是润湿分散剂必须牢牢地吸附在颜填料颗粒上。而涂料pH值的变化不仅会影响颜填料粒子表面的Zeta电位[9],而且还会影响分散剂的电离和吸附状态。一般来说,用于反射隔热弹性涂料的无机颜填料的等电点[9]在8.0左右,当pH值低于其等电点时,颜填料表面带正电,此时涂料中的阴离子型分散剂在酸性条件下电离度很小,只有少量离解的阴离子基团存在于液相中,并通过静电作用吸附在粉体表面,大量由数百到数千个一次粒子凝聚起来的二次粒子仍处于未被吸附状态,无法在研磨搅拌中离解成一次粒子并被分散剂所稳定。制备的涂料长期放置会因分散不均而出现沉降分层。然而,在碱性条件下,分散剂可以解离出全部的活性基团,通过分子力及化学作用吸附在颜填料颗粒表面,并在二次粒子打开过程中不断调整各自在一次粒子上的吸附量,最后达到吸附平衡,粒子间通过静电位阻作用而稳定。

由表2可见,pH值对涂料的分散尤其是贮存稳定性影响非常大。因此,控制涂料的酸碱性,可有效阻止颜填料的絮凝,改善浆料的流变性及贮存稳定性,也有利于固含量的提高。

3 结语

在以水性丙烯酸弹性乳液为成膜物质,钛白粉、空心玻璃微珠、高岭土等为颜填料制备的反射隔热弹性涂料中,通过调节助剂在涂料配方中的用量,发现0.22%的分散剂对涂料流动性的改善最为明显;消泡剂含量为0.2%左右即可达到良好的消泡效果;耐沾污剂的最佳用量为1.3%。并且,碱性条件更有利于分散剂效果的发挥,提高涂料的贮存稳定性。然而,助剂的添加对涂膜的拉伸强度和断裂延伸率都有一定程度的影响。涂料制备中应该适当调整组分配方,避免不必要的负面效应,使涂膜的力学性能满足不同的使用要求。

参考文献

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[7]穆颖.中国涂料用助剂的现状与发展展望[J].涂料技术与文摘,2007,28(10):5-9.

[8]马庆麟.涂料工业手册[M].北京:化学工业出版社,2001.

颜料对水性反射隔热涂料性能的影响 篇5

反射隔热涂料是一种功能性涂料,主要应用于建筑屋顶和外墙,它通过阻隔、反射、辐射等机理来延缓热能的传递,从而保持室内温度恒定,增大室内外的温差,在夏季减少降温能耗,在冬季降低取暖费用[1]。反射隔热涂料的组成中起主要作用的是成膜物质和颜填料,其中颜填料尤为重要[2]。

颜料的主要作用是使涂膜具有一定的遮盖力和呈现不同的色彩,因此要使涂膜具有优异的耐候性,颜料就需具有较好的遮盖力和着色力、较高的分散度、鲜明的色彩以及对光的稳定性等。白色颜料中应用最广、效果最好的是金红石型钛白粉,它能耐光、耐热、耐稀酸和碱,在白色和浅色涂料制备中必不可少[3]。此外,沉淀硫酸钡、氧化锌和立德粉作为钛白粉的辅助颜料,因价格便宜,常与钛白粉配合使用,以减轻紫外线对基料的破坏,赋予涂料良好的施工性及优良的力学性能。其中,沉淀硫酸钡(又称钡白)质地细腻,白度高,耐酸、碱、光、热,润滑性和分散性好,制成隔热涂料涂膜光泽度高、流平性好[4]。氧化锌(又称锌白)耐候性良好,不粉化,可改善涂膜的柔韧性和硬度,有清洁和防霉作用,作为紫外线吸收剂、固化剂或杀菌剂使用[5]。立德粉(又称锌钡白)含30%左右Zn S,70%左右Ba SO4,颜色洁白,遮盖力强,着色力高,可提高涂料致密性和耐磨性,增强涂膜的抗老化能力[6]。

目前,外墙保温技术向高效、薄层、隔热、防水等一体化方向发展,关于建筑隔热涂料的开发研究也不断深入[7]。然而,针对反射隔热涂料中不同颜料对其性能影响的报道还较少。本试验从节约成本出发,分别采用硫酸钡、氧化锌和立德粉部分替代钛白粉颜料,考察其对水性反射隔热涂料性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

基料:德国巴斯夫有限公司生产的Acronal PS 405 ap丙烯酸乳液。颜料:美国亨斯曼公司生产的多用途金红石型钛白粉、淄博雍滨微粉厂生产的沉淀硫酸钡、青岛纳卡森锌业科技有限公司生产的氧化锌和广州拓亿有限公司生产的立德粉。所用颜料的主要性质见表1。填料主要有空心玻璃微珠、轻钙和滑石粉等。助剂主要有润湿分散剂、消泡剂、增塑剂和成膜助剂等。

1.2 涂料的制备

按表2的配方称取各种物料,在低速搅拌下依次加入蒸馏水、润湿分散剂、消泡剂和成膜助剂等充分混合均匀,然后添加钛白粉等颜填料,高速分散研磨一段时间,细化粉体粒子并使之达到分散稳定状态。接着将调制好的颜填料色浆缓慢加入到乳液中,再低速搅拌30~40 min。为了避免过高的转速破坏微珠的空心结构,使其失去隔热反射能力,空心玻璃微珠最后在低速状态下加入到分散液中,搅拌过程中滴加剩余消泡剂,并调到合适的黏度,过滤,出料。

1.3 试验仪器

SDF-400型调速分散研磨机;JTX-II型涂料耐洗刷仪;C84-III反射率测定仪;DXLL-10000电子拉力机。隔热温差检测装置根据JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》标准自制(见图1)。其中测温箱是由3 cm厚导热系数不大于0.030 W/(m·K)的XPS板构成的五面体,内腔尺寸为30 cm×30 cm×30cm;测温仪测量精度为0.1℃;加热灯为全辐射通量135 W的红外灯。

2 结果与讨论

2.1 钛白粉用量与涂膜性能的关系

反射率定义为被物体表面反射的光通量与入射到物体表面的光通量之比。为降低建筑物内部温度而使用的太阳热反射外墙涂料,应满足对可见光和近红外光的高反射。因此,具有高折光系数的Ti O2被用来制备反射隔热涂料。

2.1.1 Ti O2用量对反射率的影响(见图2)

由图2可知,随着Ti O2用量的增加,白色涂层的反射率呈先增大后降低。在Ti O2用量为12%左右时达到最高值,之后随着Ti O2用量的增加,反射率反而有所下降。其原因可能是:当Ti O2开始逐渐添加时,涂膜内颜料的相对密度增多,起反射作用的颜料粒子数增大,故反射率呈上升趋势;当Ti O2用量到达一定值以后,随着用量的进一步增加,分散的颜料颗粒开始重新聚集,使反射的比表面积减少,反射效率降低,导致反射率下降。所以,无论是从实验角度还是从实用成本考虑,Ti O2用量并不是越大越好,而是有一个极限范围,本试验选用12%左右。

2.1.2 Ti O2用量对涂料对比率的影响

涂料对比率是涂料遮盖底材上的颜色或异色的能力。遮盖力好的涂料只需施涂1~2道就可遮住底材,涂料用量少,可大大节省涂装成本。涂料的遮盖力主要与所用颜料的品种及颜料体积浓度有关。Ti O2用量对涂料对比率的影响见图3。

由图3可见,随着Ti O2用量的增加,涂料的对比率逐渐增大,说明在涂料的单位体积中存在越来越多的界面,对太阳光有尽可能大的散射,很大程度上减少了光线的透过。但钛白粉用量增加到18%后,颜料颗粒在涂膜中的排列逐渐致密,趋于饱和,此时对比率的增大不再明显。

2.2 不同颜料对涂膜性能的影响

分别选择沉淀硫酸钡、氧化锌和立德粉作为钛白粉的辅助颜料,与钛白粉搭配使用。涂料在制备过程中保持配方中的总颜料质量百分数为12%,通过改变其中的辅助颜料和钛白粉的比例,考察不同颜料对涂膜性能的影响。

2.2.1 不同颜料对反射率和对比率的影响(见图4、图5)

由图4可见,随着辅助颜料比例的增大,涂膜的反射性能存在不同程度的降低。在替代量小于50%时,涂层反射率的大小顺序为:立德粉>氧化锌>硫酸钡,这一顺序也与各颜料的折光系数相符合;然而,当替代量大于50%时,含有立德粉的涂膜反射率急剧下降,尽管该涂膜的反射性能在立德粉替代量小于30%时基本不受组分变化影响。其主要原因除了与反射率相关的介质物理性质有关,可能还由于各种粉料的粒子形状、颗粒大小及在涂料中的润湿分散程度不同等所导致。

由图5可见,与单独使用钛白粉颜料相比,立德粉在替代量小于30%时,涂料的对比率一直呈上升趋势;而氧化锌的添加对对比率影响不大;但是,作为替代部分钛白粉颜料的硫酸钡,其微量的使用都会引起涂膜对比率的大幅度降低。由表1可知,硫酸钡的折光系数较低,对光的散射作用差,添加后严重削弱了涂层的不透明度。而且,沉淀硫酸钡呈无定型粉末状,表面略带疏水性,吸油量相对较高,容易使涂膜不均匀,造成对比率下降。由此推断,选择吸油量低、折光系数高的氧化锌和立德粉取代30%的钛白粉颜料,在基本不影响反射性能的基础上,同样可达到一定的遮盖力。

2.2.2 不同颜料对涂膜拉伸性能的影响

拉伸性能按GB/T 16777—1997《建筑防水涂料试验方法》进行测试,结果见图6、图7。

由图6、图7可见,当涂料体系中引入替代颜料后,涂膜的拉伸强度和断裂延伸率都随之增大。拉伸强度的大小顺序为:硫酸钡>立德粉>氧化锌;断裂延伸率的大小顺序为:氧化锌>立德粉>硫酸钡。由于对涂料中无机相与有机相的作用原理尚不完全清楚,推测可能由于物理化学性质不同的其它颜料加入到涂料体系后,能有效填补原本颜填料粒子间的孔隙,进而与涂料体系中的乳液、分散剂等其它组分间的作用增强,使颜料粒子与基料结合度增强,涂膜的拉伸性能提高,更能抵制外力的拉伸。

2.2.3 不同颜料对涂膜耐洗刷性的影响

耐洗刷性能可综合反映涂膜的耐水性、耐碱性、硬度、表面光滑程度和对底材的附着力等,是评价涂料优劣的重要指标。辅助颜料种类及用量对涂膜耐洗刷性的影响见图8。

由图8可见,与单独使用Ti O2颜料相比,各白色颜料的混合添加均使涂层的耐洗刷性能有所下降,但添加立德粉下降最不明显,添加硫酸钡下降最明显。这可能是由于立德粉本身疏水耐碱,硬度低,润滑性好,且吸油量小;而硫酸钡粒径不均且吸油量大,在涂料中难以被完全润湿,以至分散性差,易团聚,涂膜干燥成型后表面也无法达到均匀致密,耐洗刷性能因而也明显降低。

2.3 不同颜料对涂层隔热效果的影响

在基础配方中加入10%的空心玻璃微珠和不同折光系数的白色颜料,分别在试板上制成涂膜,在同样的条件下进行对比试验,考察试板底面温度随时间的变化,结果见图9。

由图9可以看出,试板上不同颜料配制的涂层,在红外灯辐照下,试板温度不断上升,当照射60 min温度达到稳定时,试板底面的平衡温度按照硫酸钡>氧化锌>立德粉依次降低,含12%的钛白颜料的试板要比含4%硫酸钡和8%钛白粉试板底面的温度低4℃左右,即相同条件下替代颜料的折光系数越高,所配制涂层的表面温度越低,隔热效果越好。

3 结语

(1)钛白粉颜料能明显改善隔热涂料的反射性能,但添加量并非越高越好,这是因为颜料的过量添加反而会引起涂膜反射率的下降,添加量一般在12%左右时效果较好。

(2)探讨了用沉淀硫酸钡、氧化锌和立德粉作为辅助白色颜料,部分替代Ti O2制备反射隔热涂料涂膜性能的变化。结果表明,当立德粉替代量为钛白粉的30%时会引起涂膜反射率的下降,一般替代量为12%左右时效果较好,涂层的反射率、对比率、隔热和耐洗刷等性能与单独使用钛白粉颜料的差别不是很大。为了不影响涂料品质,建议优先选用立德粉来替代部分钛白颜料。

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热固型反射隔热涂料的制备与研究 篇6

1 热固型反射隔热涂料主要成分的选择

1.1 热固型氟碳树脂、丙烯酸树脂为基料

基料是制备反射隔热涂料的重要组成部分,氟碳树脂是含氟单体进行自聚或共聚而得到的分子结构中含有较多氟碳化学键的一类树脂,基料的自身性能影响反射隔热涂料的使用寿命。以氟碳树脂为基料,由于氟原子与碳原子形成的C-F键的键能为447.8k J·mol-1,相对于其他的C-C、C-O、C-Cl、C-H的键能高很多,所以较高的温度或紫外线难以解离C-F键。而且由于氟原子的电负性极大(4.0),相邻氟原子的排斥,使C-C主键形成一种螺旋结构,高键能的C-F键对低键能的C-C主键起屏蔽保护作用[1],使氟碳树脂与其他树脂相比,具有极为优异的耐温变耐热性、耐酸碱性、耐水性、耐候性。很好的耐温变耐热性,确保涂料受太阳光长时间的暴晒或雨水的突然降温作用时不易褪色,不易粉化,有较长的使用寿命。很好的耐酸碱性、耐水性,确保涂料不易腐蚀、起泡。氟碳树脂与丙烯酸树脂物理共混改性,可以使涂层对水的接触角增大,表面能明显降低[2],光泽度提高,附着力增强,还可以使成本得到有效降低。涂层的表面能越低,越不易被雨水润湿,具有较强的不粘性和防污自洁功能。

1.2 金红石型二氧化钛

根据物理结构的不同,二氧化钛分为金红石型、锐钛型。金红石型二氧化钛具有高抗粉化性,其折光指数为2.8,是所有白色颜料中最大的一种,颜填料的折光指数越大,对太阳光的反射率越高[3]。白色颜料金红石型二氧化钛不但对光线具有很好的遮盖效果,而且对太阳光有强烈的反射作用,是反射隔热涂料中的功能性白色颜料。

1.3 陶瓷空心微珠

陶瓷空心微珠或玻璃空心微珠,具有中空结构,导热系数较低,为0.03~0.10W·(m·K)-1。在反射隔热涂料中,通常加入不同粒径的空心微珠,这样微珠在涂层的表面形成叠夹的静态空气组,使得其填充于涂料中具有优良的隔热和保温效果。同时空心微珠比表面比较大,光线照到涂层表面时能够通过空心微珠产生多次反射,提高涂料的反射隔热效果。

在选取空心微珠时,还需注意:(1)对比抗压强度要高;(2)按重量百分比通过正交试验选取不同粒径的空心微珠的最佳配比;(3)空心微珠应在树脂、颜填料、溶剂、助剂研磨之后再加入搅拌分散,以防止空心微珠的破碎。

2 实验部分

2.1 实验主要原料和仪器

主要原料:热固型氟碳树脂,热固型丙烯酸树脂;金红石型二氧化钛,二氧化硅,陶瓷空心微珠,缩二脲;分散剂、消泡剂、流平剂等,均为市售工业品。

仪器:电动高速分散机、砂磨机、粘度仪、细度检测仪等。

2.2 制备方法

将一定比例的树脂、二氧化钛、二氧化硅、溶剂、各种助剂投入混合料桶中,经电动高速分散机分散均匀后由砂磨机研磨3遍以上,检验细度达到25μm以下,再加入陶瓷空心微珠以1000r·min-1高速搅拌分散25min后结束,成品包装备用。成品在使用前加入固化剂缩二脲搅拌熟化30min,熟化后的成品即为热固型反射隔热涂料。

3 结果与讨论

3.1 热固型反射隔热涂料隔热温差测试

3.1.1 自然太阳光照射下的箱体温差对比

(1)喷涂与不喷涂反射隔热涂料箱体温差对比

在自然太阳光照射下,用数字式热电偶温度计测试箱体内温度变化情况和温差。箱体规格500mm×500mm×500mm;箱体材料:镀锌板空白箱与喷涂反射隔热涂料箱;测试时间13:00-14:00,每10min测1次,环境温度:35.3℃。

注:箱体内温差△T=7.4℃

(2)喷涂反射隔热涂料与普通涂料箱体温差对比

在自然太阳光照射下,用数字式热电偶温度计测试喷涂反射隔热涂料和喷涂普通涂料的箱体内温度变化情况和温差。箱体规格300mm×300mm×300mm;箱体材料:铁皮板;测试时间11:00-12:00,每10min测1次,环境温度:34.6℃。

注:箱体内温差△T=3.0℃

箱体内温差的大小与测试时自然太阳光的强弱有关,与实验箱的涂膜厚度有关,与选择试验用的箱体材质及厚度有关。在同样材质和厚度的镀锌板上,喷涂反射隔热涂料箱体内温度比不喷涂低7.4℃,温差比较明显;在同样材质和厚度的铁皮板上,喷涂白色反射隔热涂料比喷涂白色普通涂料箱体内温度低3.0℃,说明反射隔热涂料确实具有较好的隔热效果。

3.1.2 模拟太阳光照射下的箱体温差对比

利用1000W碘钨灯(2支)照射,灯与箱体顶部距离10cm,用数字式热电偶温度计测试箱体内温度变化情况和温差。箱体规格300mm×300mm×300mm;箱体材料:镀锌板空白箱与喷涂反射隔热涂料箱;测试时间12:00-13:00,每10min测1次,环境温度:14.0℃。

注:箱体内温差△T=9.5℃

在同样材质和厚度的镀锌板上,模拟太阳光照射下喷涂反射隔热涂料箱体内温度比不喷涂低9.5℃,箱体内温差与选择的光源强度有关,和灯与箱体顶部距离有关。

3.1.3 自然太阳光照射下彩钢瓦面的单车顶棚背面下温差对比

用反射隔热涂料分3次在彩钢瓦面的单车棚顶上涂刷,实验规模7.10m×4.30m。用数字型热电阻温度计测量涂刷和没涂刷反射隔热涂料的彩钢瓦背面下的温度。测试时间15:00,环境温度35.0℃。在没涂刷反射隔热涂料的彩钢瓦背面下的温度为62.5℃,用手触摸有明显的滚烫感,而涂刷反射隔热涂料的彩钢瓦背面下的温度为48.1℃,二者温差14.4℃,用手触摸,明显感觉没有那么烫手,在棚下也会阴凉很多。因此,对于使用彩钢瓦面为屋顶的临时建筑物或简易厂房,以及露天的生产管道、容器、储罐等,在太阳光的强烈照射下,会造成外墙、屋顶或外壁及内壁的温度大幅升高,而采用涂刷反射隔热涂料来降温,将是改善居住环境和生产使用条件的一个简单且行之有效的办法。

3.1.4 反射隔热涂料中含不同颜色微珠时的对比试验

在自然太阳光照射下,用数字式热电偶温度计测试分别涂刷含有浅灰色和白色陶瓷空心微珠的反射隔热涂料箱体内温度变化情况和温差。箱体规格300mm×300mm×300mm;箱体材料:镀锌板;测试时间14:45-15:45,每10min测1次,环境温度34.4℃。

注:箱体内温差△T=4.0℃

太阳光照射在任何物体上,都会发生吸收、反射、透过现象,如果说不透明的镀锌板涂层对太阳光的透过可以忽略不计的话,那么由于涂层中浅灰色微珠比白色微珠对太阳光的吸收要大,在其他条件完全相同的情况下,白色微珠比浅灰色微珠对太阳光的反射率要高,因而含白色陶瓷空心微珠的反射隔热涂料具有较好的反射隔热效果。

3.2 热固型反射隔热涂料的涂料等级及建筑节能指标检测结果

将所制备的热固型反射隔热涂料送广西产品质量监督检验院检验涂料等级,检验依据为GB/T9757-2001《溶剂型外墙涂料》,其主要指标及结果见表5。

检验结果说明,所制备的热固型反射隔热涂料具有优异的耐人工气候老化性、耐温变性、耐洗刷性、耐水性、耐碱性等性能,达到溶剂型外墙涂料的优等品等级。涂料粉化、褪色等级低,不易起泡,不易剥落,不易产生裂纹以致脱落,从而提高了反射隔热涂料的使用寿命。

将所制备的热固型反射隔热涂料送广西建筑工程质量检测中心进行建筑节能材料检验,半球发射率项目送至广西绿色建筑节能中心有限公司检验,检验的依据:(1)JG/T 235-2008《建筑反射隔热涂料》;(2)GB/T 25261-2010《建筑用反射隔热涂料》,其主要检测指标要求和结果见表6。

国家和建设部对建筑反射隔热涂料的标准中主要有2个关键指标,即太阳光反射比(白色)≥0.80,半球发射率≥0.80。太阳光反射比和半球发射率是反射隔热保温涂料的基本特性,这2个指标的高低将决定涂料的整体反射隔热保温效果[4]。检验结果说明所制备的热固型反射隔热涂料完全达到国家和建设部对发射隔热涂料的要求标准。

4 结论

(1)所制备的热固型反射隔热涂料是溶剂型外墙涂料的优等品,同时完全达到国家和建设部对反射隔热涂料的要求标准:太阳光反射比(白色)≥0.85,半球发射率≥0.87,隔热温差为12℃,隔热温差衰减(白色)为4℃。

(2)自然太阳光照射下,1h内,在其他条件相同情况下,喷涂反射隔热涂料比空白箱箱体内温度低7.4℃;比喷涂普通涂料箱箱体内温度低3.0℃;模拟太阳光照射下比空白箱箱体内温度低9.5℃;比没涂刷反射隔热涂料的彩钢瓦面单车顶棚背面下温度低14.4℃。以上结果说明所制备的热固型反射隔热涂料具有明显的隔热保温效果

(3)热固型反射隔热涂料比水性反射隔热涂料一次性投入成本高一些,但其使用寿命长,超耐久性,对于不便于维修和保养的高层或超高层建筑的外墙隔热保温具有重要的意义。

参考文献

[1]边藴静.氟碳树脂涂料[J].中国涂料,2006(6):22-26.

[2]杨启如,叶发银,吴培,等.无毒型低表面能海洋防污涂料的研制[J].材料保护,2007,40(7):32-35.

[3]孙明杰.太阳热反射隔热涂料的研究[D].北京:北京化工大学,2010.

隔热反射 篇7

1 实验

1.1 实验原料

金红石型钛白粉:RCL595(澳洲美礼联),ALTIRIS-550、800(美国亨斯迈);空心玻璃微珠,美国3M公司;重质碳酸钙:1250 目,河北保定望都县白特粉体有限公司;煅烧高岭土:GT-1250,河北保定望都县白特粉体有限公司;沉淀硫酸钡:1250 目,郑州同创化工有限公司;纯丙乳液:AC-261,陶氏化学;水性国产色浆:炭黑、铁黄、铁红、酞菁蓝、酞菁绿、大红、有机橙;分散剂:731A,陶氏化学;消泡剂:CF246,英国布莱克本;润湿剂:CF-10,陶氏化学;p H值调节剂:AMP-95,安格斯;防腐剂:RS,英国索尔;流平剂:RM2020,陶氏化学;防冻剂:丙二醇,国产;成膜助剂:醇酯12,陶氏化学;增稠剂:ACRYSOL DR-72,陶氏化学。

1.2 主要仪器设备

高速分散机、色差仪、Perkin Elmer Lambda 950 型紫外-可见光-近红外分光光度计。

1.3 反射隔热涂料制备与性能测试

1.3.1 白色反射隔热涂料的制备

按表1 基础配方制备白色反射隔热涂料。

1.3.2 彩色反射隔热涂料的制备

在白色反射隔热涂料中加入普通色浆(炭黑、铁黄、铁红、酞菁蓝、酞菁绿、大红、有机橙)配制成彩色涂料。

1.4 光学性能测试方法

颜色:使用色差仪测试涂层的表面颜色参数L*、a*、b*值。

太阳光反射比和近红外反射比:制样和测试方法按JG/T235—2014《建筑反射隔热涂料》进行。

2 结果与讨论

2.1 白色涂料的光学性能研究

2.1.1 钛白粉对太阳光反射比的影响

金红石型钛白粉折射系数高,遮盖力好,是影响白色反射隔热涂料反射比性能的关键因素。按表1 配方,考察不同厂家和牌号的钛白粉对太阳光反射比的影响,测试结果见表2 和图1。

注:(1)TSR为总太阳光反射比,即250~2000 nm反射与入射太阳光辐射能量的比值;(2)RNIR为近红外反射比,即在780~2000 nm反射与入射太阳光辐射能量的比值。下同。

从表2 和图1 可以看出,不同厂家和牌号钛白粉的白色涂料总太阳光反射比差别不大,2#和3#涂料样品在长波近红外光区(1100~2500 nm)具有较高的反射比。这是由于钛白粉粒径不同造成的,普通金红石钛白粉的粒径为0.2~0.4 μm,而ALTIRIS -550 的粒径为0.6 μm,ALTIRIS -800 的粒径为0.9μm,比普通金红石钛白粉粒径大,红外光反射能力略有增大[1]。

2.1.2 常用填料对太阳光反射比的影响

以金红石型钛白粉RCL595 为着色颜料,按表1 白色涂料的基础配方,考察常用填料重质碳酸钙、煅烧高岭土、沉淀硫酸钡对太阳光反射比的影响,试验结果见表3、图2。

从图2 可以看出,加入不同的常用填料后,太阳光反射比随波长的变化规律基本一致,白色涂料的太阳光反射比差别不大。

2.1.3 空心玻璃微珠对太阳光反射比的影响

按表1 配方,以金红石钛白粉RCL595 为着色颜料,分别加入涂料质量4%和8%的空心玻璃微珠,测试涂膜的太阳光反射比,结果见表4 和图3。

从表4 和图3 可以看出,空心玻璃微珠的加入可以明显提高涂料的近红外反射比和太阳光反射比。这主要是因为空心玻璃微珠是薄壁中空球体,具有较低的导热系数,在涂层中紧密多级排列,形成真空层,对太阳辐射热有极强的反射和阻隔作用[2,3,4]。

2.2 普通颜料对涂料反射比的影响

在分别以金红石型钛白粉RCL595、金红石型钛白粉RCL595+空心玻璃微珠4%、亨斯迈钛白粉ALTIRIS-550 为着色颜料的白色基础漆(1＃、7＃、2＃)中,添加炭黑、铁黄、铁红、大红、酞菁蓝、酞菁绿、有机橙色浆,考察这些颜料对涂料反射比的影响,结果见表5~表7 及图4~图6。

从表5~表7 和图4~图6 可以看出,与白色基础漆相比,加入普通颜料后,太阳总反射比和近红外反射比均有所下降,涂料的反射比谱图变化较大。加入炭黑后,涂料的太阳光反射比和近红外反射比均大幅降低,不能达到JG/T 235—2014 的规定要求。其余颜料对涂料在1200~2500 nm范围内的反射比影响较小,主要影响在380~1200 nm范围内。铁红、大红、有机橙有很好的近红外反射比值,可以达到JG/T 235—2014的规定要求;酞菁绿在可见光范围内反射比值较低,从而使得涂料的太阳光反射比值较低;铁黄在380~780 nm可见光范围内反射比较高,780~1200 nm范围内的反射比较低,导致涂料的太阳光反射比合格,近红外反射比值不合格。

另外,加入空心玻璃微珠可以提高涂料的太阳总反射比和近红外反射比;亨斯迈钛白粉基础漆具有很好的近红外反射比,加入普通色浆后比相同明度和颜色的金红石型钛白粉RCL595 涂料的太阳光反射比和近红外反射比均较高。

3 结论

(1)白色涂料具有较高的太阳光反射比,钛白粉是影响白色涂料反射比的关键,ALTIRIS-550 和800 有较大的粒径,比普通金红石型钛白粉的白色基础漆有较高的近红外反射比;常用填料的影响很小。

(2)空心玻璃微珠可以提高反射隔热涂料的太阳光反射比和近红外反射比。

(3)炭黑明显降低太阳光反射比,不能用于反射隔热涂料配方中;铁黄的近红外反射比较低;酞菁绿的太阳光反射比较低;铁红、酞菁蓝、大红、有机橙可以用于反射隔热涂料配方中;除炭黑外,其它颜料加入到含有一定量空心玻璃微珠和钛白粉ALTIRIS-550 的白色基础漆中,反射隔热涂料反射比可以达到JG/T 235—2014 标准规定要求。

参考文献

[1]林宣益.有色反射隔热建筑涂料探讨[J].中国涂料,2013,28(9):23-26.

[2]刘亚辉,冯建林,许传华.空心玻璃微珠在反射隔热涂料中的应用[J].现代涂料与涂装,2014,17(2):22-24.

[3]张雪芹,徐超.建筑反射隔热涂料的关键技术及其应用[J].新型建筑材料,2015(10):1-4,57.

隔热反射 篇8

透明隔热膜作为安全节能材料被广泛用于建筑与汽车领域。在欧美、东南亚及日本等国家, 透明隔热膜的应用非常普遍, 市场需求仍然旺盛, 2012年全年需求量达11937.4t。我国透明隔热膜市场也呈现出双增长的局面, 一是需求市场的增长, 汽车工业的高速发展, 已将汽车玻璃隔热防爆膜的需求规模超过1亿平方米 / 年, 建筑玻璃窗膜已经启动, 这将使我国透明隔热膜市场更为繁荣。另一方面, 我国透明隔热膜在近6年中, 本土制造商已经完成了从无到有历史阶段, 目前已经有3家, 制造厂商与规模也在不断增长, 但国内的产能与需求市场规模严重背离, 市场空间潜力巨大。

本文研究了透明隔热膜, 特别是采用湿法涂布工艺的红外反射型透明隔热膜的产品结构、制造工艺技术及国内外研究状况和主要成果, 提出了红外反 射型透明 隔热膜的 技术设计 原则、构想;产品结构与配方模型。

2反射型透明隔热膜

2.1透明隔热膜与反射型透明隔热膜

透明隔热膜是在太阳光的可见光谱范围拥有高透过率 (至少在70%以上) 、在红外光谱区域具有高阻隔率 (至少在80%以上) 、紫外线阻隔率达到98%以上的功能性薄膜。这种薄膜主要用于建筑玻璃门窗、顶棚以及汽车玻璃, 达到节能与安全目的。通过反射红外线而实现隔热功能的被称之为反射型透明隔热膜。

2.2隔热原理

2.2.1地球表面太阳辐射能量

抵达地球表面的太阳辐射能包括紫外区、可见光区和红外区, 图1为抵达地球表面的太阳辐射能分布谱图及数据[1,7]。

2.2.2红外反射隔热原理

透明隔热膜技术设计的 宗旨是在 可见光区域的透过率尽可能的高, 即不阻隔或尽可能少的阻隔可见光区的光线;而对于紫外和红外区域的辐射能要完全或尽可能高的, 主要以反射的方式予以阻隔, 特别是近红外短波区域的反射阻隔。其原理是通过设置红外线反射或兼具反射与吸收的涂层, 阻止太阳辐射能进入室内, 达到隔热目的, 如某品牌透明隔热膜隔热原理及测试结果图示[8,15] (见图2) 。

2.2.3吸收型与反射型透明隔热膜的隔热原理比较

透明隔热膜常用的分类有按主体隔热物质和技术类型2种。按制造技术类型分为吸收 (吸热) 型和反射型2大类:

(1) 吸收型透明隔热膜

吸收型透明隔热膜是利用涂布在聚酯基膜表面上的功能涂层吸收红外线实现隔热功能的, 涂层中的功能物质对红外线的吸收大于反射, 它们可以是染料、颜料或是微、纳米金属或其化合物粒子, 具有实用价值的红外线吸收剂通常是微、纳米金属或其化合物粒子 (典型的红外吸收金属氧化物粒子, 如氧化锡锑ATO) , 这类透明隔热膜被也被称为纳米膜。

(2) 反射型透明隔热膜

反射型透明隔热膜是利用涂布在聚酯基膜表面的功能涂层反射红外线实现隔热功能的, 其对红外线的反射大于吸收, 主体成分是对红外线具有选择性反射的金属或多金属复合涂层或它们的组合物涂层;金属化合物或多层不同金属化合物涂层;金属与金属化合物的复合涂层等。可见光透过率最高并且红外反射最强的物质是石墨烯, 但目前这一技术仍在发育期。典型的商业化透明隔热膜产品多为多金属多层磁控溅射膜和多金属化合物的多层膜以及金属和金属化合物的多层膜。还有一种多层折射隔热膜[8], 利用光折射系数相差0.1以上的高分子或氧化物或金属多层涂层交替叠加, 使红外线反射率理论上达到100%。

3反射型透明隔热膜是隔热膜的主要技术取向

3.1反射型与吸收型透明隔热膜的隔热效果对比

市面上在销售的透明隔热膜产品中, 以吸收型和反射型的金属膜居多 (如:量子膜、太阳膜等) , 而光谱选择性反射型的多层磁控溅射膜占据市场的高端 (如:舒热佳等) 。虽然同为金属膜, 但其隔热原理与效果存在很大差异, 如图3 (a, b) 所示。反射型与吸收型透明隔热膜的隔热原理与效果如图4所示。

从对比效果图中能够明显看出, 不论是新下线还是使用一年之后的透明隔热膜, 反射型透明隔热膜的隔热效果远好于吸收型隔热膜, 使用一年之后, 隔热效果的差距拉的更大, 如图5所示。

3.2反射型透明隔热膜是主要的市场取向

吸收型和反射型透明隔热膜的区别在于, 吸收型隔热膜在吸收红外线之后, 使得玻璃和膜的温度升高, 热能以远红外的形式向车内和室内辐射热量, 造成第二次辐射, 实际隔热率降低。反射型透明隔热膜则利用红外反射层将大部分红外热量反射到大气中, 大幅度降低了二次辐射, 隔热效果好且持久。

在国外市场, 如美国、欧洲和东南亚等国家, 也曾经面临吸热型隔热膜和反射型隔热膜的选择问题, 但经过反复验证, 吸收型隔热膜不如反射型的隔热效果好, 也不能起到真正意义上的节能, 所以无论在建筑市场, 还是汽车市场都最终都选择了反射型隔热膜。

国内透明隔热膜的市场比较混乱, 消费者还不能全面认识到这两种类型隔热膜的区别, 国家相关标准不够完善, 常在不知情的情况下选用了吸收型隔热膜, 因此还存有一定的市场, 但随着人们认识的不断全面和深入, 反射型隔热膜定将成为市场的主流选择。

4反射型透明隔热膜的制造技术

4.1反射型透明隔热膜的典型结构与相关技术

4.1.1典型结构 (见图6)

4.1.2主要技术

从透明隔热膜产品结构 (图6) 不难看出, 制造透明隔热膜的相关技术包括涂层技术和隔热技术。涂层技术涉及湿法涂布工艺和干法涂布工艺。抗划伤层 (硬化涂层) 、安装胶层、易施工层 (微黏胶层) 均属湿法涂布工艺, 而隔热单元层的膜层或湿法涂布或干法涂布或干法与湿法混合涂布工艺。湿法涂布工艺特指隔热单元层的膜层采用湿法涂布工艺。隔热技术包括金属红外反射涂层、金属化合物红外反射涂层、金属与金属化合物多层红外反射涂层、金属化合物叠层以及高分子叠层红外反射等技术。

主要涂层的功能

⑴硬化涂层:主要功能是提高膜层硬度, 高透明并使其抗划伤、耐磨、耐污和防光眩晕, 同时具有高耐候性。目前, 该涂层技术基本成熟;

⑵安装胶层:多为丙烯酸压敏胶涂层, 主要功能是与玻璃实现牢固粘接且持久耐候;

⑶易施工层 (微粘胶层) :主要功能是方便贴膜时, 膜能在玻璃上的舒展和移动;

⑷隔热单元层:涂层功能主要是在可见光透过率允许的前提下, 主要以反射红外线达到隔热功能目的。该单元层组分包括单层金属、多金属;多金属多层;金属与金属化合物多层;金属化合物单层、多层;多金属化合物叠层;高分子聚合物叠层等, 除此之外, 人们在不断探索阻隔太阳能辐射的新物质, 如石墨烯等。目前, 比较成熟的是多金属多层、金属与金属氧化合物多层及金属化合物叠层, 也是市场主流产品采用的隔热功能组分。隔热单元层涂布, 干法涂布以磁控溅射为主要应用工艺, 已比较成熟;湿法涂布以溶剂型为主流涂布工艺, 但也有水剂涂布工艺应用的报道。湿法涂布工艺是将纳米金属或金属化合物或它们的 混合物分 散于溶剂 稀释的聚 合物中 , 做成浆料, 或单层或多层或叠层涂布成透明隔热单元层。

4.1.3关键技术

透明隔热膜的关键技术是隔热功能组分及配方和涂层结构设计技术。

5反射型透明隔热膜的制造工艺技术

反射型透明隔热膜的关键技术是隔热层单元涂层设置、具有强红外反射功能组分的优选和合理搭配。关键技术的核心是选择具有强红外反射物质及其纳米级粒子涂层。辅助技术包括减少膜层的热传导技术, 如选择热传导系数低的浆料载体、设置透明绝热层等;利用叠层设计技术进一步提高红外反射强度等。

5.1红外反射材料

在有资料报道的红外反射材料中, 常见的有四类:⑴有机颜料, 如含有铜 - 酞青染料的黑色颜料和偶 氮颜料、聚 吡咯、聚苯 胺、聚 -3- 辛基噻吩等, 它们都具有优良的近红外反射性能;⑵金属, 如金 (Au) 、银 (Ag) 、铝 (Al) 、钛 (Ti) 、镍 (Ni) 、锡 (Se) 、锌 (Zn) 等, Ag、Au、Al在波长200-2500nm的反射率都在90%以上;3金属化合物, 如氧化铬、氧化铁、氧化钛、氧化镁、氧化锰、氧化锌、氧化锡、氧化钇、氧化锆、氧化铈、氧化铝、氧化铟、氮化钛等 ; ⑷参杂金 属化合物 , 如氧化铟 锡 (ITO) 、氧化锡锑 (ATO) 、铝参杂氧 化锌 (AZO) 、镓参杂氧化锌 (GZO) 以及各种化合物参杂构成组合体。

有机颜料及其聚合物虽 然具有优 良的红外反射性能, 但可见光的透过受到影响, 且耐光性比较差, 因此在透明隔热材料中的应用受到限制。某些金属具有很高的红外反射率, 但因易被氧化而失去太阳辐射的阻隔功能, 虽然在其应用中采取了抗氧化措施, 但也只能是延缓, 不能根本解决氧化问题, 产品有效寿命仍是问题。金属化合物的光学性能各有千秋, 单纯使用它们, 其光学性能不尽完美, 通过参杂、混合或叠层形成金属化合物组合体, 其光学性能得到改善, 反射隔热功能获得大幅提升是人们不断研究探索的重要课题。同时, 诸如石墨烯类的新材料也是人们研究与应用新焦点。

5.2国内外对透明隔热材料的研究概况

透明隔热材料的研究主要集中在美国、日本、韩国及欧洲的一些国家[6,9]。美国Nanophase公司率先将半 导体纳米 材料 (ITO、ATO、Zn O、A12O3、Ti O2等) 分散成稳定的水性或溶剂型浆料[10,11,12], 然后再将其应用到玻璃膜中, 获得了隔热、耐磨、紫外屏蔽和隔绝红外线的复合功能。日本三箭公司研制出一种用于建筑玻璃的浆料, 可在不影响采光的前提下, 消减68%的红外线和95%的紫外线。Nishida等采用高反射指数的无机材料 (如纳米Zr O2、Ti O2、Nb O、ITO、In2O3、Sn O2、Zn O等) 的混合树脂浆料制造透明隔热膜层[14,16,17]。Nishiara等采用共沉淀法研制了纳米ATO、ITO粉体并同合成树脂配制成透明隔热浆料[], 其涂层可见光透过率≥80%, 近红外几乎完全不透过。日本产综研开发出了大幅提高红外反射的ITO粒子的低成本制造技术 。Takeda等在树脂 本体中掺 入ATO、ITO、La B6等纳米颗粒成膜, 利用ATO、ITO阻隔波长较长的红外光, 而利用La B6阻隔波长较短的红外光, 使其在整个红外波段具有低透过率, 而在可见光区具有高透过率。Thongkanluang等研究了Cr2O3掺杂 (Al、Ti和V) 的红外反射特性, 掺钛Cr2O3的最大红 外反射率82.83% , 二元掺杂 [Al (OH) 33.4wt% 和Ti O21.07wt% ]Cr2O3的红外反 射率 (700~2500nm) 达到87.5% 。Kaneko等把SnO2、ITO、ATO纳米颗粒与聚丙烯酸酯制成复合浆料, 其在可见光区吸收率几乎为零, 而对红外热辐射具有很好的阻隔作用。

国内对透明隔热纳米涂料研究起步较晚, 但也取得了重要的研究进展[3,16,17]。张永进和赵石林等人制备出ATO、ITO水性纳米分散体, 并以水性聚氨酯等透明树脂为载体, 获得具有良好的光谱选择性的透明隔热涂料, 在可见光区具有高的透过性, 并能有效阻隔红外光区的热辐射。孟庆林等将ATO纳米粉体分散在醇类溶剂中, 然后与水性聚氨酯混合, 常温下, 在玻璃表面涂膜而成低辐射玻璃。顾广新等人利用具有常温相变功能的VO2, 将掺钨VO2和ATO粉体混合, 分散成浆料添加到水性聚氨酯涂料中, 制得具有一定智能相变温度控制的功能型透明隔热浆料;上海师范大学的吕宏斌研究了氧化钇纳米粒子及其复合氧化物的制备及其近红外反射性能的研究, 粒子形态的红外反射强弱依次为球状 - 片状 - 棒状。粒径180μ的球形Y2O3粒子[1], 在波长750~2500nm范围的反射率达到86%~93%, 粒径100μ时反射率为65%~85%, 40μ时的反射率为60%~78%, 还有许多的探索研究工作在进行中。

5.3专利技术

透明隔热膜以干法工艺的专利居多, 隔热单元层膜层结构包括透明导电膜系[8]:In2O3:Sn、Zn O:Al、Sn O2:Sb2F; 金属电介 质膜系 :Ti O2-Ag-Ti O2、Zn S-Ag-Zn S, Al N-Ag-Al N;电介质多层膜系[19]:Ti O2, Si O2, Si3N4-Si O2Ta2O3-Si O2Nb2O3-Si O2以及电介质金属氮化物复合膜系:Ti O2-Ti Nx-Ti O2的相关专 利。湿法工艺的专利比较少, 主要有掺杂金属化合物与空心微珠混合浆料、掺杂金属化合物的混合纳米粒子浆料并将其用于透明隔热膜或玻璃涂层。

CN201310450587.1提出的纳米陶瓷隔热膜, 其隔热单元层组分包括:氧化铈、氮化硅、氧化铒、氧化铝和二氧化钛。将上述物质按比例配置成质量分数为20%~25%的乳浊液, 在加入一定量的表面活性剂, 经超声分散1~1.5h后, 再经750~780℃, 煅烧2~3h后, 获得了无硬团聚集体, 颗粒大小分布为15~20nm, 然后将制备好的纳米陶瓷粉末均匀涂布在基材上, 得到纳米陶瓷隔热膜。CN201210204998.8提出的透明隔热膜, 涂层结构为:抗刮层 /PET/ 聚氨酯胶层 / 纳米材料隔热层 /PET/ 安装胶层 / 安装胶保护膜。涂布浆料组分为:三氧化二镓 - 二氧化锡乙醇浆料30%~80%, 成膜剂10%~65%, 增稠剂1%-3%, 流平剂0.5%~1%, 分散剂2%~5%。三氧化二镓 - 二氧化锡乙醇浆料的配比为三氧化二镓二氧化锡纳米粉体3%~20%, 无水乙醇78%~95%, 聚乙烯吡咯烷酮1%~2%, 三氧化二镓 - 二氧化锡纳米粉体的配比为硝酸镓:氯化锡:去离子水:聚乙烯吡咯烷酮:尿素 =0.05~0.15mol:0.005~0.015mol:4~7mol:0.2~0.4g:0.015~0.10mol。CN200810216330.9提出了一种聚氨酯BTO纳米透明隔热浆料。其技术方案是:聚氨酯树脂30~65份;纳米BTO10~25份;涂料助剂1~10份;稀释剂15~60份。其中的合成聚氨酯树脂为溶剂型或水性聚氨酯树脂, 纳米BTO粒径为30 ~80nm、固含量10% ~30% 的浆料, 涂料助剂包括分散剂、流平剂、消泡剂、成膜助剂。将具有隔热功能的纳米粉体通过载体涂覆在玻璃 (或其他基材) 表面, 从而使玻璃 (或者其他基材) 具有隔热功能, 同时在可见光范围内具有高的透过率、高红外线阻隔率、高附着力和硬度。

还有许多关于透明隔热涂料, 也可用于透明隔热涂层的专利技术, 但所述的技术不外乎纳米金属化合物、参杂纳米金属化合物、纳米金属化合物或参杂氧化物与空心微珠 (玻璃或陶瓷) 混合搭配提高红外反射率。

5.4金属化合物纳米粒子及其光谱性能

5.4.1纳米ITO粒子[2,5] (见图7)

红外反射特性:波长780-1000nm范围弱;在1000-1800nm范围, 随波长迅速增强, 2000nm后几乎全达到反射。

5.4.2纳米ATO粒子[4] (图8)

红光学特性 (董绍春研究) :

平平均吸热率:86%

反反射率:4.5%

在红外短波780-1100nm区域透过率比较高。

4.4.3其它纳米金属氧化物粒子的光学性能 (表1)

6反射型透明隔热膜湿法工艺技术设计

6.1设计原则

采用有机紫外吸收剂或Fe2O3或它们的组合构建紫外区全光谱强吸收层, 紫外线转换成热能并以红外线向膜层两面发射, 一部分发射到室外, 另一部分向隔热层发射并被反射到室外;构建红外光谱区强全反射, 消除红外反射光谱缺陷;将红外反射隔热单元层与其它涂层, 也包括玻璃在内, 构建红外反射膜层体系 (通过层间折光系数相差≥0.1的交替膜层) 再次提升红外反射强度。

6.2涂布浆料配方设计

6.2.1配方设计原则

膜层尽可能具有好的导电性, 导电性的高低直接影响着红外反射的强弱;红外反射主体组份、形状、尺寸与分布具有红外反射和散射功能, 尽可能降低衍射现象, 反射与散射都能阻止红外线的透过, 而衍射则利于红外线透过;红外反射纳米粒子表面与载体界面的折光系数差值最好≥0.1以上, 以有利于形成红外线界面反射;红外线反射粒子分散于载体中稳定, 不聚集。

6.2.2涂布配方模型 (表2)

6.2.3涂层结构设计

透明隔热膜的涂层设计要点: ⑴层间界面反射方向向室外;⑵紫外线吸收层设置在红外反射层靠室外一侧;⑶所有涂层的界面均构成红外反射膜层体系;⑷尽可能减少涂层数, 如图9所示。

6结束语