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反射隔热涂料配方设计与调色技巧

作者:星日金属包装机械 发布时间:2015-10-20
内容摘要: 反射隔热涂料 建筑涂料 新型涂料 涂料

 专家介绍:金友军,科德丽化工科技公司总经理  在 涂料行业沉淀15年,技术根底扎实依靠系统的涂料科学知识与对原材料的认识,紧跟行业潮流,把握时代脉搏,面对客户不断演变的需求,能随时随地提供针对性的解决方案。

       摘要:本文研究了一种新型高分子聚合物在建筑反射隔热涂料体系中的应用,综合分析了该高分子聚合物在有色反射隔热涂料中的应用及性能,解决了普通建筑涂料反射隔热率低下,色彩单调的问题。
       关键词:反射隔热;舒热盾功能聚合物;建筑涂料;太阳光反射比
       中图分类号:TQ 630.7       文献标识码:A       文章编号:
       The Application of a new type of Polymer in Colored Architectural Reflection and Thermal Insulation Coatings
Wang Yongliang, Jin Youjun
       (KeDeli Chemical Technology Co.Ltd. Guangdong Foshan, 528308, China;)
       Abstract: A new type of polymer in the architectural reflection heat insulation coating system was studied. The application and performance of the polymer in Colored Architectural Reflection and Thermal Insulation Coatings were comprehensive        analyzed. The lower rate of reflection heat insulation common architectural coatings and monotonous color problem were solved.
       Keywords: Reflection and Heat Insulation; Functional Polymer; Architectural Coatings; Solar Light Reflection Rate
       引言:我国建筑能耗约占全国能源总消费量的27%,居全国各类能耗之首。采暖和空调的能耗占建筑总能耗的55%,而且以每年1个百分点的速度增加(建筑能耗是指建筑使用过程中的能耗,包括采暖、空调等家用电器能耗)。除了采用控制空调温度、使用太阳能热水器、使用节能灯等普通方式,还应从根本上解决建筑能耗问题[1]。
       传统隔热建材只能推迟热的传入,但其本身吸热的结果,让整个建筑如烤炉般酷热难耐。尤其晚上还会持续释放热能,容易形成都市热岛效应。反射隔热涂料是近几年发展起来的一种新型节能材料。它是一种通过低导热系数和高导热阻来实现隔热保温的材料,能主动反射太阳光的能量,能够有效降低涂层表面和基材的温度,进而降低室内温度,从而达到改善工作环境,降低能耗的目的。从根本上减少空调的使用率,大大降低电能消耗,目前反射隔热涂料已成功应用于航天、建筑、石化、军工等领域,其显著的节能效果得到广泛的认可[2-6]。
       本文主要介绍一种能反射热能的新型高分子材料——舒热盾Solarproof聚合物隔热材料在建筑反射隔热涂料中的应用。该类隔热材料无添加甲醛、不含APEO,黏度降低,无需使用特殊反射隔热顏料,搭配普通顏料即可,0鈦白配比也可过低明度标准。将其加入涂料体系中能使涂料对可见光波长与红外线长有优异的反射能力,此两段波长正是太阳主要的热能来源,占总太阳热能约94%。    Solarproof聚合物能有效协助涂料体系反射总日光波长,其反射率高达90%以上,其中可见反光率最高达到98.8%,与多种不同无树脂色浆搭配使用可以实现高性能反射隔热建筑涂料的颜色多样化,该类助剂的推广应用将成为未来的建筑节能减排的新趋势。
1 实验部分
1.1 反射隔热涂料的制备
       反射隔热涂料的制备工艺同普通涂料相似,都是通过物理搅拌混合。制备涂料时,在低速搅拌下依次将水、乙二醇(或丙二醇)、分散剂、润湿剂、pH调节剂和适量消泡剂以及颜、填料等在混料罐中混合均匀,高速分散30min,使分体颗粒在高速剪切作用下分散成原级粒子并达到稳定状态后,再投入舒热盾新型聚合物,中速搅拌均匀。转移至调漆罐中,慢速搅拌环境下,加入乳液树脂、成膜助剂、消泡剂、流平剂、防霉剂和防腐剂,并搅拌均匀。此外,还可以根据涂料的黏度状况,使用适量的有机类增稠剂调整涂料的黏度,最后过滤,出料,即得反射隔热建筑涂料。
1.2 性能测试
       涂料隔热性能测试:在遮盖力测试纸板上刮涂厚度为150±10μm的涂膜。在25℃,50%相对湿度条件下养护7d,采用Jasco V-570分光光谱仪进行测试。检测标准按照JG/T 235-2014《建筑反射隔热涂料》行业标准。
反射隔热建筑涂料热反射性能要求
Table.2 Heat Reflection Performance Requirements of Architectural Reflection and Thermal Insulation Coatings
 
低明度(L*≦40) 
中明度(40
高明度(L*≧40) 
反射比(TSR%)
0.25
0.40
0.65
外反射比(NIR%)
0.40
L*/100
0.80
半球射率(HE)
0.85
0.85
0.85

2结果与讨论
2.1舒热盾Solarproof聚合物反射隔热材料
       舒热盾Solarproof聚合物隔热材料是一类能反射热能的高分子聚合物,产品不含甲醛、无APEO,黏度低,可直接添加搭配现有顏料,无需使用特殊顏料,0鈦白配比也可过低明度标准且能做的一黑到底。与一般中空隔热材料相比,Solarproof聚合物具有的粒径小,能延长涂层寿命等优点。将Solarproof聚合物添加到反射隔热涂料中,该聚合物的平均粒径均小于0.5微米,与涂料体系相容性高,制得的反射隔热涂料储存稳定性好,生产过程中不漂粉,不需改变生产流程,制作简单不增添困扰。漆膜干膜后表面光滑、漆膜细腻,一般来说,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。并且单位重量的可施工面积较高,涂膜具有优良的耐沾污性能,能提升漆膜的耐磨性、耐擦洗性能、耐候性与表面触感(如表3所示)。
3 Solarproof隔热材料与中空隔热材料的性能参数对比
Table.3 Performancecomparison of Solarproof heat insulation material and hollow thermal insulation material
 
中空隔热材料
舒热盾SolarProof 
粒径 
10-180um 
<5um 
涂膜表面 
粗糙不平 
平滑 
耐玷污性 
较差 
优异
附著力 
较差 
優異 
耐候性 
較差 
優異 
涂膜寿命 
較差 
優異 
儲存稳定性 
后增稠严重 
稳定不增稠 
涂料施作面积 
3m2 / KG 
5-6m2 / KG 

 


图1 Solarproof隔热材料与中空隔热材料的反射率光谱分析
Fig.1 Reflectance spectra analysis of Solarproof heat insulation material and hollow thermal insulation material

通过Jasco V-570分光光谱仪测量对Solarproof隔热材料与中空隔热材料的反射率光谱分析结果可知(如图1所示),使用澄達的舒热盾SolarProof隔热涂料,涂膜的反射率明显高于使用中空隔热的涂料,隔热效果更优异。将配方总量10%的SolarProof隔热涂料添加到涂料体系中能使涂料对可见光波长(380-780nm)与红外线长(780-2500nm)有优异的反射能力。此两段波长正是太阳主要的热能来源,占总太阳热能约94% Solarproof能有效协助涂料体系反射总日光波长(250-2500nm),其反射率高达90%以上,其中可见反光率最高达到98.8%。通过中国反射隔热涂料的国家标准与行业标准,以及美国、日本等国家标准。亦能协助客户取得LEED SS C7.2权分。
2.2 Solarproof聚合物作用机理
      可以认为,Solarproof聚合物的反射隔热方式是通过聚合物自身内有的特殊结构来将热量阻挡在涂层的外侧。它自身的绝对体积比例大,导热系数极小,进而影响涂层的导热系数,能够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。同时,由于存在大气窗口,在该区间内,Solarproof聚合物具有较高的反射率,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。

图2 Solarproof聚合物在涂膜中的排列示意图
Fig.2 Sketch of Solarproof polymer in coating

由于Solarproof聚合物对太阳光具有较强的反射效果,因此当Solarproof聚合物含量较少时,虽然已经具有一定的反射隔热效果,但是由于含量较低,在涂膜中的排列比较稀疏,不能形成致密的反射隔热层,部分光线还是能够通过缝隙穿透过涂膜,因而其反射隔热效果有限。随着涂膜中Solarproof聚合物含量增加,Solarproof聚合物在涂膜中的排列逐渐紧密,涂膜的反射隔热效果会显著增加,当Solarproof聚合物的含量达到10%时,此时对太阳光的反射效果最为显著(如图2所示)。
2.3成膜树脂
       选择成膜基料是研究反射隔热涂料的关键技术之一,成膜树脂扮演着将功能颜料、填料等组分与基质结合起来的角色,目前,反射隔热建筑涂料使用的成膜物主要是丙烯酸类以及丙烯酸共聚类合成乳液。因为反射隔热建筑涂料主要应用于外墙、根据室外气候变化大,温度变化大等特点,需要选择耐候性好、耐水性强、耐沾污性好又有强粘结效果的乳液来制备涂料。目前用于外墙涂料的乳液种类多以纯丙乳液和苯丙乳液为主,但是通常纯丙乳液具有更好的抗紫外线,吸水率低等,而苯丙乳液对颜填料的粘结力较好,吸水率低,抗皂化性好。本实验将Solarproof隔热材料添加到乳液中,并通过乳液用量的改变观察涂膜的总太阳反射比率(TSR)变化,结果如图3所示。


图3 成膜树脂对总太阳反射比率的影响
Fig.3 Influence of film-forming resin of total solar reflectance

由图3可知,纯丙乳液和苯丙乳液在树脂含量相同的情况下,添加Solarproof隔热材料,其涂膜的总太阳反射比率均较高,达到90%以上,但是随着乳液量的增加,涂膜的总太阳反射比率逐渐下降明显,这说明Solarproof隔热材料与乳液体系的相容性较好,能在不同种类的乳液中体系表现其较高的反射隔热效果。但是随着乳液量的增加,过多的乳胶粒子会在Solarproof隔热材料粒子周围形成一定包裹层,屏蔽其反射隔热功能,使得涂膜的反射隔热性能下降。结合外墙建筑涂料要求涂膜具备优异的耐水性,耐沾污性,抗老化性等特点,本实验选择选用玻璃化温度低并具有自交联性能的有机硅改性合成的丙烯酸建筑乳液作为反射隔热涂料的主要成膜物质。
2.4颜料和填料
       反射隔热涂料的隔热机理有三种,分别为:阻隔性隔热、反射性隔热以及辐射性隔热。在反射隔热涂料中,除了舒热盾聚合物以外,还要根据涂料性能的需要添加一定量的颜料和填料,来达到上述一种或几种复合隔热机理的隔热效果。从而进一步达到提高涂层隔热反射率。颜料和填料的选用主要着眼于反射性能和对涂膜导热系数的影响。本实验选用煅烧高岭土、滑石粉、硫酸钡、重钙、云母粉、硅灰石、氧化碳黑、碳黑、氧化铁系颜料、氧化铬绿、有机颜料以及钛白等颜料和填料进行反射隔热效果的对比分析,结果如图4所示。


Fig.4 The brightness of different pigments and fillers

一般来说,明度(L值)越小,颜料和填料对应的总太阳反射比(TSR)值越低,其反射隔热效果越显著。选用颜料和填料时须注意,由于要保证舒热盾在涂膜中的反射性能,涂料组成材料中应尽量少用对光吸收率高的普通填料,但可以使用对光、热反射性能较好的功能填料。此外,还应根据颜料折光率与涂膜反射率的关系选用折光率高、吸收率小的颜料。由图结果可知,大部分颜、填料均具有较高的反射率,可以在一定程度上提高涂层的反射隔热性能,其中,以煅烧高岭土、滑石粉,钛白、氧化铬绿等的反射效果最为明显。可以配方设计时,适当选择加入这些颜、填料。但是,炭黑和氧化碳黑的反射率很低,即使搭配很多近红外反射颜料使用,涂层的近红外反射比也不会很高,涂层达不到标准要求,所以在配方中不宜采用。此外,单独使用云母和硅灰石时,其反射隔热效果不明显,只能在配方中添加少量作为体质填料搭配其他反射颜、填料一起使用。
2.5有色反射隔热涂料制备
       目前反射隔热建筑涂料的颜色单一,90%以上为白色,虽然白色涂料具有优异的太阳热反射性能,但是,很难满足现代建筑对色彩多样性的要求。彩色颜料色浆受到不同彩色颜料的可见光反射率的限制,必须尽可能选择红外反射颜料,来增加涂膜在红外部分的反射率。本实验将Solarproof聚合物产品的SP-105C与市面上销售的普通反射隔热材料TiO2,某公司的功能性反射隔热材料H5XX、H8xx进行比较分析,结果如图5所示:
       有色反射隔热涂料反射性能同颜色的明度关系很大,明度值越大,涂料的太阳光反射比和近红外反射比值越高,隔热温差值越大。在反射隔热涂料中添加色浆后,漆膜颜色L(明度)值均下降,所以在配方设计时,在涂膜颜色符合要求的前提下,必须尽可能控制色浆。由图5结果表明:与其他三款反射隔热材料相比,在相同配比情况下,Solarproof聚合物SP-105C的明度更低,在添加该聚合物的反射隔热涂料中,只须更少的色浆即可达到所须色彩明度,能够最大限度降低色浆颜料对涂膜反射隔热性能的影响。

图5 Solarproof聚合物与其他反射隔热材料的比较
Fig.3 Comparison of Solarproof polymer and the other reflective insulation materials

在乳液体系的反射隔热涂料中,选用无树脂色浆体系具有通用性强,性价比高和生产调色方便等优势。本实验选用柯莱恩和广州科迪高明度和中明度无树脂彩色颜料色浆,表4和表5分别是配方制备的白色漆基础上,使用科莱恩通用色浆制备出彩色隔热反射涂料。
表4:高明度有色漆制备数据及性能指标
Table.4 The preparation data and performance indicators of tall lightness Colored Architectural Reflection and Thermal Insulation Coatings

表5:中明度有色漆制备数据及性能指标
Table.5 The preparation data and performance indicators of middle lightness Colored Architectural Reflection and Thermal Insulation Coatings


表6:低明度有色漆制备数据及性能指标
Table.6 The preparation data and performance indicators of low lightness Colored Architectural Reflection and Thermal Insulation Coatings

通过表4和表5表6的实验结果,实验配制的彩色隔热反射建筑涂料对应的颜色基本一致;按照色系可分为蓝色、红色、黄色、绿色和灰色无种颜色;按照漆膜明度值可分为中明度和高明度在白色反射隔热基础漆中添加色浆,随着颜料色浆添加量的增加而漆膜颜色L(明度)值下降,其中在相同L值时,黄色浆的添加量较大,一方面,说明黄色颜料对明度的影响相对最小,而蓝色颜料的影响相对最大;另一方面也说明了黄色颜料的着色力相对较差。黄色红外反射率最高,红色、绿色、蓝色其次,灰色最低。按照对应的明度值属于高明度范围,列举出对应的太阳光反射比和近红外反射率数据,数据显示均达到JG/T235-2014新标准规定的数值。
2.6 Solarproof彩色反射隔热涂料与其他反射隔热材料的性能比较
       任何物质均具有反射或吸收一定波长太阳光的性能。一般反射隔热反射建筑涂料涂膜的基底多为建筑墙体,不具有透过太阳光能力,可认为其透过率为零,仅需考虑太阳光的反射与吸收。太阳以辐射的形式不断向地球传递辐射能量,辐射能量光谱中99%以上的波长集中在150~4000nm之间,太阳辐射能量按照波长变化分为三个光谱区:近红外区(780~2500nm)大约占太阳光总能量的42%;可见光区(380~780nm)占太阳光总能量的55%;紫外光区(300~380nm)占太阳光总能量的3%。由此可见,太阳辐射的大部分能量(约95%)都集中在近红外光和可见光区(380~1500nm)范围,如果反射隔热建筑涂料在此波长区域内对太阳光的反射率越高,那么涂层的反射隔热效果就会越好。
        本实验将Solarproof聚合物添加到彩色反射隔热涂料中,并与某公司生产的彩色反射隔热涂料产品作性能的比较分析,其结果如图5所示。

图5 不同反射隔热涂料的总太阳光反射率
Fig.5 TSR of different reflection heat insulation coatings

实验中的试片A为某公司生产的隔热涂料制备的样板,试片B为Solarproof彩色反射隔热涂料制备的样板,由图5结果可知,试片A的TSR为83.19%,相比于试片A,试片B在可见光区和近红外区(380~1500nm)的TSR高于试片A,其TSR为87.26%,说明目标涂料的反射隔热效果优于某公司生产的彩色反射隔热涂料。
3 结论
       舒热盾Solarproof聚合物隔热材料是一类能反射热能的高分子聚合物,产品不含甲醛、无APEO,黏度低,可直接添加搭配現有顏料,无需使用特殊顏料,0鈦白配比也可过低明度标准。
       舒热盾新型高分子聚合物制备出来的涂料施工面积是普通无机中空隔热材料的2倍,不需再罩面处理即可解决耐沾污问题,提供优异的耐候性耐水性等性能
       舒热盾Solarproof聚合物在10%左右的添加量即可满足白色漆和彩色漆的隔热性能要求,测试太阳光反射比和半球反射率均能达到JG/T235-2014新标准的要求。
       舒热盾新型高分子聚合物让有色建筑外墙反射隔热涂料色彩多样化成为了现实,解决了红外反射颜料价格昂贵造成的配色成本较高的问题,同时也解决了红外反射颜料品种有限,造成的配色受限制的问题。彻底达到简单配色,优异隔热效果,简单化制备工艺等效果。
参考文献

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