馮 娟,黃 超,秦少雄,蘇高申 (長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北荊州434023)

水性涂料因其無毒、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢逐漸引起人們的關(guān)注。隨著對(duì)建筑節(jié)能要求的不斷提高,水性涂料的隔熱功能化成為現(xiàn)今涂料研究的熱點(diǎn)[1～4]。目前研究的隔熱涂料主要有3種類型:阻隔型隔熱涂料、反射型隔熱涂料和輻射型隔熱涂料[5]。國內(nèi)外關(guān)于隔熱涂料的報(bào)道較多,但大多數(shù)只是停留在理論層面,實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步推廣。關(guān)于阻隔型隔熱涂料的研究應(yīng)用較少,存在的主要問題是隔熱效果不好。重要原因是涂料的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,導(dǎo)致其熱阻隔性較差。由于水性涂料含有相當(dāng)比重的固體無機(jī)礦物質(zhì)填料,填料在涂料中均勻分散,相互搭接形成無數(shù)熱橋,不利于隔熱。下面筆者通過將球形的中空玻璃微珠和不規(guī)則形狀的膨脹蛭石進(jìn)行級(jí)配,對(duì)隔熱涂料涂層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制,考察了涂層結(jié)構(gòu)變化對(duì)涂料隔熱保溫性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1)材料 苯丙改性乳液(北京東方亞科力化工科技有限公司);中空玻璃微珠HGB(Hollow glass bead,中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司)、膨脹蛭石EV(expanded vermiculite,上海匯精亞納米新材料有限公司)、涂料助劑 (北京東方亞科力化工科技有限公司)、輕鈣、滑石粉和煅燒高嶺土等 (市售)。

2)設(shè)備 高速分散用攪拌裝置FJ-200型(上海普申化工機(jī)械有限公司)、隔熱性能檢測裝置(自制)。

1.2 隔熱效果測試裝置及測試方法設(shè)計(jì)

筆者自制了一套隔熱性能檢測裝置,如圖1所示。測試方法如下:裝置放放置在室溫25℃環(huán)境中,裝置用3cm厚泡沫板密封保溫,選用500W碘鎢燈模擬熱源,試板基材選用導(dǎo)熱良好的0.25mm厚鋁板。將涂料涂在鋁板的一側(cè),背對(duì)熱源測試,涂膜厚度為0.1mm。試板左側(cè)溫度用T1表示,右側(cè)溫度用 T2表示,試板兩側(cè)溫差ΔT=T2-T1。以溫差ΔT對(duì)測試時(shí)間t作圖,對(duì)比不同組分隔熱涂料的隔熱效果,隔熱涂料的隔熱效果用 Tmax來表征:

圖1 自制隔熱檢測裝置

式中,ΔT隔熱為隔熱涂料試板2側(cè)溫差,℃;ΔT普通為普通乳膠涂料試板2側(cè)溫差,℃。

1.3 隔熱涂料制備

將分散劑加入水中,高速攪拌下加入填料,分散30min,然后加入膠乳和成膜助劑等添加劑,中速攪拌下加入增稠劑增稠,中空隔熱填料在增稠前緩慢加入,即得涂料試樣。

2 結(jié)果與討論

筆者選用膨脹蛭石 (EV)、中空玻璃微珠 (HGB)及兩者復(fù)配作為隔熱功能填料,制備出了不同組分的隔熱涂料,并用自制的測試裝置及測試方法對(duì)其隔熱效果進(jìn)行了表征,結(jié)果及討論如下。

2.1 膨脹蛭石對(duì)涂料隔熱性能的影響

膨脹蛭石具有密度小、疏松多孔等特點(diǎn)[6],將其添加到涂料中,以期產(chǎn)生一定的隔熱效果。固定填料總含量為20%,分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、15%、10%、5%的膨脹蛭石取代等量的輕鈣、滑石粉和煅燒高嶺土等體質(zhì)填料,制備不同膨脹蛭石含量的涂料。將涂料涂覆在鋁板,檢測其隔熱性能,繪制ΔT-t曲線,結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,隔熱效果排序A1＞A2＞A3＞A4＞A0,即少量膨脹蛭石就可以起到較好的隔熱效果。隨著膨脹蛭石含量的增加,隔熱效果逐漸降低。膨脹蛭石含量為5%時(shí),Tmax可達(dá)到3.4℃。

膨脹蛭石疏松多空,形態(tài)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,大部分呈片層結(jié)構(gòu),片層內(nèi)部孔隙保留了氣體,能夠起到一定的隔熱效果。同時(shí)其隔熱效果與膨脹蛭石在涂膜中的排列結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。5%含量膨脹蛭石能夠均勻分散在涂料當(dāng)中,涂膜干燥后,且由于膨脹蛭石含量較少,顆粒與顆粒之間不容易聚集,也不會(huì)橋接,形成熱橋數(shù)目就少,所以5%含量膨脹蛭石涂料隔熱效果好。隨著膨脹蛭石含量的增加,其隔熱效果出現(xiàn)下降?？赡茉蚴桥蛎涷问吭黾?膨脹蛭石在涂膜中會(huì)出現(xiàn)局部收縮堆積現(xiàn)象,膨脹蛭石與膨脹蛭石之間也會(huì)出現(xiàn)橋接,形成許多熱橋,熱橋數(shù)目隨膨脹蛭石含量增加而增加。故涂料隔熱效果隨膨脹蛭石含量增加而下降。

2.2 中空玻璃微珠對(duì)涂料隔熱性能的影響

中空玻璃微珠具有質(zhì)輕、絕熱、隔音、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、特殊的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)[7]。將它添加到普通涂料當(dāng)中,不僅具有對(duì)熱的阻隔作用還可以反射來自外部的能量。由于中空玻璃微珠為密閉球體,其內(nèi)部為類真空結(jié)構(gòu),在涂層中會(huì)形成很多微觀的獨(dú)立絕熱腔體,能阻止熱量的傳遞,使涂料的導(dǎo)熱系數(shù)大大降低。確定填料總含量為20%,分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%的中空玻璃微珠取代等質(zhì)量的體質(zhì)填料,制備不同含量的隔熱涂料。將涂料涂覆在試板上,檢測其隔熱性能,繪制其ΔT-t曲線,結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,隔熱效果排序B2＞B4＞B3＞B1＞B0。5%含量中空玻璃微珠幾乎無隔熱效果,其 Tmax只有0.5℃;10%含量中空玻璃微珠隔熱效果最好,Tmax可達(dá)5.2℃;15%含量中空玻璃微珠隔熱效果較差,Tmax為1.4℃;20%含量中空玻璃微珠隔熱效果較好,Tmax為3.2℃。

圖2 膨脹蛭石對(duì)涂料隔熱性能的影響

圖3 中空玻璃微珠對(duì)涂料隔熱性能的影響

當(dāng)中空玻璃微珠含量為5%時(shí),中空玻璃微珠含量較少,中空玻璃微珠在涂膜內(nèi)排列稀疏,體質(zhì)填料含量較高,相互橋接形成傳熱通道致使涂料的隔熱效果不明顯。當(dāng)中空玻璃微珠含量增加到10%時(shí),中空玻璃微珠在涂膜中排列較密集,分散均勻,此時(shí)熱阻隔效果明顯增加。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),中空玻璃微珠含量超過10%時(shí),由于中空玻璃微珠質(zhì)輕,在涂料涂覆前稀釋時(shí)上浮且容易粘附在涂覆工具上,造成涂層中中空玻璃微珠的實(shí)際含量較少,涂層的隔熱測試結(jié)果就不理想,即產(chǎn)生了B2＞B4＞B3的結(jié)果。

2.3 中空玻璃微珠和膨脹蛭石復(fù)配后對(duì)涂料隔熱性能的影響

綜合膨脹蛭石和中空玻璃微珠的隔熱性能,將兩者同時(shí)加入到涂料當(dāng)中,完全取代普通體質(zhì)填料,探討兩者同時(shí)存在時(shí)對(duì)涂料隔熱性能的影響。固定填料總含量為20%,分別制備不同配比的中空玻璃微珠和膨脹蛭石的涂料試樣。研究其對(duì)涂料涂膜結(jié)構(gòu)及隔熱性能影響。將涂料涂抹在鋁板上,檢測其隔熱性能,繪制ΔT-t曲線,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出,隔熱效果排序C3＞C2＞C4＞C1＞C5＞C0。復(fù)配后的隔熱涂料隔熱效果比單獨(dú)添加功能填料隔熱效果要好。C3隔熱效果最好,其Tmax可達(dá)到7.2℃;其次是C2,其Tmax可達(dá)5.2℃。C4的Tmax為3.9℃。

圖4 中空玻璃微珠和膨脹蛭石對(duì)涂料隔熱性能的影響

涂料含10%中空玻璃微珠和10%膨脹蛭石時(shí),中空玻璃微珠在涂料中均勻分散,起主要隔熱功能,膨脹蛭石起次要隔熱功能,復(fù)配后光和熱在涂料中的傳遞變得更加復(fù)雜。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),中空玻璃微珠含量超過10%時(shí),由于玻璃微珠上浮和在涂覆工具上的粘附會(huì)造成試板制樣困難,中空玻璃微珠會(huì)出現(xiàn)局部堆積,涂料隔熱效果下降,但此時(shí)由于膨脹蛭石的存在,涂料仍有較好的隔熱效果。

3 結(jié) 論

1)少量膨脹蛭石就可以起到較大的隔熱效果,增大膨脹蛭石含量,隔熱效果出現(xiàn)下降。膨脹蛭石添加量為5%時(shí),Tmax可達(dá)3.4℃。

2)中空玻璃微珠能夠起到很好隔熱效果,含量為10%時(shí),Tmax可達(dá)5.2℃,繼續(xù)增加中空玻璃微珠含量會(huì)造成涂覆困難且影響涂料隔熱效果。

3)將中空玻璃微珠和膨脹蛭石復(fù)配作為涂料的隔熱功能填料能夠起到很好的隔熱效果,比單獨(dú)使用效果要好。當(dāng)涂料中膨脹蛭石和中空玻璃微珠含量均為10%時(shí),隔熱效果最好,Tmax可達(dá)7.2℃。

[1]王瑾璐,蔡會(huì)武.薄層隔熱涂料的制備及其性能研究[J].涂料工業(yè),2009(4):5-7.

[2]吳邦俊,陳明鳳.阻隔型外墻隔熱涂料的研制及性能研究 [J].重慶建筑,2010(5):24-25.

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[5]靳濤,劉立強(qiáng).外墻用隔熱涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展 [J].新型建筑材料,2008(6):87-89.

[6]劉福生,彭同江.膨脹蛭石的利用及其新進(jìn)展 [J].非金屬礦,2001,7(4):6-7.

[7]靳濤,劉立強(qiáng).玻璃微珠在涂料中的隔熱性能研究 [J].涂料工業(yè),2008(9):15-17.