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反射隔熱涂料配方設計與調色技巧

作者:星日金屬包裝機械 發布時間:2015-10-20
內容摘要: 反射隔熱涂料 建筑涂料 新型涂料 涂料

 專家介紹:金友軍,科德麗化工科技公司總經理  在 涂料行業沉淀15年,技術根底扎實依靠系統的涂料科學知識與對原材料的認識,緊跟行業潮流,把握時代脈搏,面對客戶不斷演變的需求,能隨時隨地提供針對性的解決方案。

       摘要:本文研究了一種新型高分子聚合物在建筑反射隔熱涂料體系中的應用,綜合分析了該高分子聚合物在有色反射隔熱涂料中的應用及性能,解決了普通建筑涂料反射隔熱率低下,色彩單調的問題。
       關鍵詞:反射隔熱;舒熱盾功能聚合物;建筑涂料;太陽光反射比
       中圖分類號:TQ 630.7       文獻標識碼:A       文章編號:
       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:我國建筑能耗約占全國能源總消費量的27%,居全國各類能耗之首。采暖和空調的能耗占建筑總能耗的55%,而且以每年1個百分點的速度增加(建筑能耗是指建筑使用過程中的能耗,包括采暖、空調等家用電器能耗)。除了采用控制空調溫度、使用太陽能熱水器、使用節能燈等普通方式,還應從根本上解決建筑能耗問題[1]。
       傳統隔熱建材只能推遲熱的傳入,但其本身吸熱的結果,讓整個建筑如烤爐般酷熱難耐。尤其晚上還會持續釋放熱能,容易形成都市熱島效應。反射隔熱涂料是近幾年發展起來的一種新型節能材料。它是一種通過低導熱系數和高導熱阻來實現隔熱保溫的材料,能主動反射太陽光的能量,能夠有效降低涂層表面和基材的溫度,進而降低室內溫度,從而達到改善工作環境,降低能耗的目的。從根本上減少空調的使用率,大大降低電能消耗,目前反射隔熱涂料已成功應用于航天、建筑、石化、軍工等領域,其顯著的節能效果得到廣泛的認可[2-6]。
       本文主要介紹一種能反射熱能的新型高分子材料——舒熱盾Solarproof聚合物隔熱材料在建筑反射隔熱涂料中的應用。該類隔熱材料無添加甲醛、不含APEO,黏度降低,無需使用特殊反射隔熱顏料,搭配普通顏料即可,0鈦白配比也可過低明度標準。將其加入涂料體系中能使涂料對可見光波長與紅外線長有優異的反射能力,此兩段波長正是太陽主要的熱能來源,占總太陽熱能約94%。    Solarproof聚合物能有效協助涂料體系反射總日光波長,其反射率高達90%以上,其中可見反光率最高達到98.8%,與多種不同無樹脂色漿搭配使用可以實現高性能反射隔熱建筑涂料的顏色多樣化,該類助劑的推廣應用將成為未來的建筑節能減排的新趨勢。
1 實驗部分
1.1 反射隔熱涂料的制備
       反射隔熱涂料的制備工藝同普通涂料相似,都是通過物理攪拌混合。制備涂料時,在低速攪拌下依次將水、乙二醇(或丙二醇)、分散劑、潤濕劑、pH調節劑和適量消泡劑以及顏、填料等在混料罐中混合均勻,高速分散30min,使分體顆粒在高速剪切作用下分散成原級粒子并達到穩定狀態后,再投入舒熱盾新型聚合物,中速攪拌均勻。轉移至調漆罐中,慢速攪拌環境下,加入乳液樹脂、成膜助劑、消泡劑、流平劑、防霉劑和防腐劑,并攪拌均勻。此外,還可以根據涂料的黏度狀況,使用適量的有機類增稠劑調整涂料的黏度,最后過濾,出料,即得反射隔熱建筑涂料。
1.2 性能測試
       涂料隔熱性能測試:在遮蓋力測試紙板上刮涂厚度為150±10μm的涂膜。在25℃,50%相對濕度條件下養護7d,采用Jasco V-570分光光譜儀進行測試。檢測標準按照JG/T 235-2014《建筑反射隔熱涂料》行業標準。
反射隔熱建筑涂料熱反射性能要求
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結果與討論
2.1舒熱盾Solarproof聚合物反射隔熱材料
       舒熱盾Solarproof聚合物隔熱材料是一類能反射熱能的高分子聚合物,產品不含甲醛、無APEO,黏度低,可直接添加搭配現有顏料,無需使用特殊顏料,0鈦白配比也可過低明度標準且能做的一黑到底。與一般中空隔熱材料相比,Solarproof聚合物具有的粒徑小,能延長涂層壽命等優點。將Solarproof聚合物添加到反射隔熱涂料中,該聚合物的平均粒徑均小于0.5微米,與涂料體系相容性高,制得的反射隔熱涂料儲存穩定性好,生產過程中不漂粉,不需改變生產流程,制作簡單不增添困擾。漆膜干膜后表面光滑、漆膜細膩,一般來說,物體表面越光滑平整,對入射光線的反射越高,物體將入射能量反射后,自身能量吸收較少。并且單位重量的可施工面積較高,涂膜具有優良的耐沾污性能,能提升漆膜的耐磨性、耐擦洗性能、耐候性與表面觸感(如表3所示)。
3 Solarproof隔熱材料與中空隔熱材料的性能參數對比
Table.3 Performancecomparison of Solarproof heat insulation material and hollow thermal insulation material
 
中空隔熱材料
舒熱盾SolarProof 
粒徑 
10-180um 
<5um 
涂膜表面 
粗糙不平 
平滑 
耐玷污性 
較差 
優異
附著力 
較差 
優異 
耐候性 
較差 
優異 
涂膜壽命 
較差 
優異 
儲存穩定性 
后增稠嚴重 
穩定不增稠 
涂料施作面積 
3m2 / KG 
5-6m2 / KG 

 


圖1 Solarproof隔熱材料與中空隔熱材料的反射率光譜分析
Fig.1 Reflectance spectra analysis of Solarproof heat insulation material and hollow thermal insulation material

通過Jasco V-570分光光譜儀測量對Solarproof隔熱材料與中空隔熱材料的反射率光譜分析結果可知(如圖1所示),使用澄達的舒熱盾SolarProof隔熱涂料,涂膜的反射率明顯高于使用中空隔熱的涂料,隔熱效果更優異。將配方總量10%的SolarProof隔熱涂料添加到涂料體系中能使涂料對可見光波長(380-780nm)與紅外線長(780-2500nm)有優異的反射能力。此兩段波長正是太陽主要的熱能來源,占總太陽熱能約94% Solarproof能有效協助涂料體系反射總日光波長(250-2500nm),其反射率高達90%以上,其中可見反光率最高達到98.8%。通過中國反射隔熱涂料的國家標準與行業標準,以及美國、日本等國家標準。亦能協助客戶取得LEED SS C7.2權分。
2.2 Solarproof聚合物作用機理
      可以認為,Solarproof聚合物的反射隔熱方式是通過聚合物自身內有的特殊結構來將熱量阻擋在涂層的外側。它自身的絕對體積比例大,導熱系數極小,進而影響涂層的導熱系數,能夠阻止了熱量在物體內部的傳遞,伴隨著反射的進行也具有一定的阻隔作用。同時,由于存在大氣窗口,在該區間內,Solarproof聚合物具有較高的反射率,可直接將物體所接收的太陽光熱量徑直通過此窗口發射到大氣層的外部空間,使得溫度明顯下降。

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

由于Solarproof聚合物對太陽光具有較強的反射效果,因此當Solarproof聚合物含量較少時,雖然已經具有一定的反射隔熱效果,但是由于含量較低,在涂膜中的排列比較稀疏,不能形成致密的反射隔熱層,部分光線還是能夠通過縫隙穿透過涂膜,因而其反射隔熱效果有限。隨著涂膜中Solarproof聚合物含量增加,Solarproof聚合物在涂膜中的排列逐漸緊密,涂膜的反射隔熱效果會顯著增加,當Solarproof聚合物的含量達到10%時,此時對太陽光的反射效果最為顯著(如圖2所示)。
2.3成膜樹脂
       選擇成膜基料是研究反射隔熱涂料的關鍵技術之一,成膜樹脂扮演著將功能顏料、填料等組分與基質結合起來的角色,目前,反射隔熱建筑涂料使用的成膜物主要是丙烯酸類以及丙烯酸共聚類合成乳液。因為反射隔熱建筑涂料主要應用于外墻、根據室外氣候變化大,溫度變化大等特點,需要選擇耐候性好、耐水性強、耐沾污性好又有強粘結效果的乳液來制備涂料。目前用于外墻涂料的乳液種類多以純丙乳液和苯丙乳液為主,但是通常純丙乳液具有更好的抗紫外線,吸水率低等,而苯丙乳液對顏填料的粘結力較好,吸水率低,抗皂化性好。本實驗將Solarproof隔熱材料添加到乳液中,并通過乳液用量的改變觀察涂膜的總太陽反射比率(TSR)變化,結果如圖3所示。


圖3 成膜樹脂對總太陽反射比率的影響
Fig.3 Influence of film-forming resin of total solar reflectance

由圖3可知,純丙乳液和苯丙乳液在樹脂含量相同的情況下,添加Solarproof隔熱材料,其涂膜的總太陽反射比率均較高,達到90%以上,但是隨著乳液量的增加,涂膜的總太陽反射比率逐漸下降明顯,這說明Solarproof隔熱材料與乳液體系的相容性較好,能在不同種類的乳液中體系表現其較高的反射隔熱效果。但是隨著乳液量的增加,過多的乳膠粒子會在Solarproof隔熱材料粒子周圍形成一定包裹層,屏蔽其反射隔熱功能,使得涂膜的反射隔熱性能下降。結合外墻建筑涂料要求涂膜具備優異的耐水性,耐沾污性,抗老化性等特點,本實驗選擇選用玻璃化溫度低并具有自交聯性能的有機硅改性合成的丙烯酸建筑乳液作為反射隔熱涂料的主要成膜物質。
2.4顏料和填料
       反射隔熱涂料的隔熱機理有三種,分別為:阻隔性隔熱、反射性隔熱以及輻射性隔熱。在反射隔熱涂料中,除了舒熱盾聚合物以外,還要根據涂料性能的需要添加一定量的顏料和填料,來達到上述一種或幾種復合隔熱機理的隔熱效果。從而進一步達到提高涂層隔熱反射率。顏料和填料的選用主要著眼于反射性能和對涂膜導熱系數的影響。本實驗選用煅燒高嶺土、滑石粉、硫酸鋇、重鈣、云母粉、硅灰石、氧化碳黑、碳黑、氧化鐵系顏料、氧化鉻綠、有機顏料以及鈦白等顏料和填料進行反射隔熱效果的對比分析,結果如圖4所示。


Fig.4 The brightness of different pigments and fillers

一般來說,明度(L值)越小,顏料和填料對應的總太陽反射比(TSR)值越低,其反射隔熱效果越顯著。選用顏料和填料時須注意,由于要保證舒熱盾在涂膜中的反射性能,涂料組成材料中應盡量少用對光吸收率高的普通填料,但可以使用對光、熱反射性能較好的功能填料。此外,還應根據顏料折光率與涂膜反射率的關系選用折光率高、吸收率小的顏料。由圖結果可知,大部分顏、填料均具有較高的反射率,可以在一定程度上提高涂層的反射隔熱性能,其中,以煅燒高嶺土、滑石粉,鈦白、氧化鉻綠等的反射效果最為明顯。可以配方設計時,適當選擇加入這些顏、填料。但是,炭黑和氧化碳黑的反射率很低,即使搭配很多近紅外反射顏料使用,涂層的近紅外反射比也不會很高,涂層達不到標準要求,所以在配方中不宜采用。此外,單獨使用云母和硅灰石時,其反射隔熱效果不明顯,只能在配方中添加少量作為體質填料搭配其他反射顏、填料一起使用。
2.5有色反射隔熱涂料制備
       目前反射隔熱建筑涂料的顏色單一,90%以上為白色,雖然白色涂料具有優異的太陽熱反射性能,但是,很難滿足現代建筑對色彩多樣性的要求。彩色顏料色漿受到不同彩色顏料的可見光反射率的限制,必須盡可能選擇紅外反射顏料,來增加涂膜在紅外部分的反射率。本實驗將Solarproof聚合物產品的SP-105C與市面上銷售的普通反射隔熱材料TiO2,某公司的功能性反射隔熱材料H5XX、H8xx進行比較分析,結果如圖5所示:
       有色反射隔熱涂料反射性能同顏色的明度關系很大,明度值越大,涂料的太陽光反射比和近紅外反射比值越高,隔熱溫差值越大。在反射隔熱涂料中添加色漿后,漆膜顏色L(明度)值均下降,所以在配方設計時,在涂膜顏色符合要求的前提下,必須盡可能控制色漿。由圖5結果表明:與其他三款反射隔熱材料相比,在相同配比情況下,Solarproof聚合物SP-105C的明度更低,在添加該聚合物的反射隔熱涂料中,只須更少的色漿即可達到所須色彩明度,能夠最大限度降低色漿顏料對涂膜反射隔熱性能的影響。

圖5 Solarproof聚合物與其他反射隔熱材料的比較
Fig.3 Comparison of Solarproof polymer and the other reflective insulation materials

在乳液體系的反射隔熱涂料中,選用無樹脂色漿體系具有通用性強,性價比高和生產調色方便等優勢。本實驗選用柯萊恩和廣州科迪高明度和中明度無樹脂彩色顏料色漿,表4和表5分別是配方制備的白色漆基礎上,使用科萊恩通用色漿制備出彩色隔熱反射涂料。
表4:高明度有色漆制備數據及性能指標
Table.4 The preparation data and performance indicators of tall lightness Colored Architectural Reflection and Thermal Insulation Coatings

表5:中明度有色漆制備數據及性能指標
Table.5 The preparation data and performance indicators of middle lightness Colored Architectural Reflection and Thermal Insulation Coatings


表6:低明度有色漆制備數據及性能指標
Table.6 The preparation data and performance indicators of low lightness Colored Architectural Reflection and Thermal Insulation Coatings

通過表4和表5表6的實驗結果,實驗配制的彩色隔熱反射建筑涂料對應的顏色基本一致;按照色系可分為藍色、紅色、黃色、綠色和灰色無種顏色;按照漆膜明度值可分為中明度和高明度在白色反射隔熱基礎漆中添加色漿,隨著顏料色漿添加量的增加而漆膜顏色L(明度)值下降,其中在相同L值時,黃色漿的添加量較大,一方面,說明黃色顏料對明度的影響相對最小,而藍色顏料的影響相對最大;另一方面也說明了黃色顏料的著色力相對較差。黃色紅外反射率最高,紅色、綠色、藍色其次,灰色最低。按照對應的明度值屬于高明度范圍,列舉出對應的太陽光反射比和近紅外反射率數據,數據顯示均達到JG/T235-2014新標準規定的數值。
2.6 Solarproof彩色反射隔熱涂料與其他反射隔熱材料的性能比較
       任何物質均具有反射或吸收一定波長太陽光的性能。一般反射隔熱反射建筑涂料涂膜的基底多為建筑墻體,不具有透過太陽光能力,可認為其透過率為零,僅需考慮太陽光的反射與吸收。太陽以輻射的形式不斷向地球傳遞輻射能量,輻射能量光譜中99%以上的波長集中在150~4000nm之間,太陽輻射能量按照波長變化分為三個光譜區:近紅外區(780~2500nm)大約占太陽光總能量的42%;可見光區(380~780nm)占太陽光總能量的55%;紫外光區(300~380nm)占太陽光總能量的3%。由此可見,太陽輻射的大部分能量(約95%)都集中在近紅外光和可見光區(380~1500nm)范圍,如果反射隔熱建筑涂料在此波長區域內對太陽光的反射率越高,那么涂層的反射隔熱效果就會越好。
        本實驗將Solarproof聚合物添加到彩色反射隔熱涂料中,并與某公司生產的彩色反射隔熱涂料產品作性能的比較分析,其結果如圖5所示。

圖5 不同反射隔熱涂料的總太陽光反射率
Fig.5 TSR of different reflection heat insulation coatings

實驗中的試片A為某公司生產的隔熱涂料制備的樣板,試片B為Solarproof彩色反射隔熱涂料制備的樣板,由圖5結果可知,試片A的TSR為83.19%,相比于試片A,試片B在可見光區和近紅外區(380~1500nm)的TSR高于試片A,其TSR為87.26%,說明目標涂料的反射隔熱效果優于某公司生產的彩色反射隔熱涂料。
3 結論
       舒熱盾Solarproof聚合物隔熱材料是一類能反射熱能的高分子聚合物,產品不含甲醛、無APEO,黏度低,可直接添加搭配現有顏料,無需使用特殊顏料,0鈦白配比也可過低明度標準。
       舒熱盾新型高分子聚合物制備出來的涂料施工面積是普通無機中空隔熱材料的2倍,不需再罩面處理即可解決耐沾污問題,提供優異的耐候性耐水性等性能
       舒熱盾Solarproof聚合物在10%左右的添加量即可滿足白色漆和彩色漆的隔熱性能要求,測試太陽光反射比和半球反射率均能達到JG/T235-2014新標準的要求。
       舒熱盾新型高分子聚合物讓有色建筑外墻反射隔熱涂料色彩多樣化成為了現實,解決了紅外反射顏料價格昂貴造成的配色成本較高的問題,同時也解決了紅外反射顏料品種有限,造成的配色受限制的問題。徹底達到簡單配色,優異隔熱效果,簡單化制備工藝等效果。
參考文獻

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