瀝青路面不飽和聚酯降溫涂料的研制

李文珍，李 亮，石 飛，魏河廣，鐘志明

(1.重慶交通大學(xué)，重慶400074;2.中交一航局 一公司第七項(xiàng)目部，天津300456;3.重慶渝通公路工程總公司，重慶400060)

太陽熱反射涂層是指涂覆于物體表面的節(jié)能型涂層材料，它可對太陽輻射中的可見光波段(0.4～0.76 μm)和近紅外波段(0.76 ～2.5 μm)具有高反射，并將吸收的熱能以長波(2.5～15 μm)的形式輻射到外圍空間，從而抑制涂層表面溫度的上升以及降低涂覆物內(nèi)部和周圍溫度［1］。在技術(shù)較為領(lǐng)先的美國、日本等，將太陽熱反射涂料用在甲板和汽車外殼上［2］，特別是在美國已成功地應(yīng)用在航天工業(yè)和國防軍事上［3］。在國內(nèi)也有這方面的綜述和相近領(lǐng)域的研究報(bào)道，天津大學(xué)康翠榮［4］等自制了一種降低儲存罐內(nèi)裝液體的溫度的熱反射涂料;青島海洋化工研究院戰(zhàn)為民［5］等主要針對深灰色甲板的太陽熱反射涂料進(jìn)行研究。

目前，國內(nèi)外的熱反射涂料主要是用于建筑、儲油罐的隔熱，以及飛行器甲板的降溫等方面［6］，但應(yīng)用于瀝青路面溫度場控制方面的相關(guān)研究甚少。在我國，已建成的公路中約有75%為瀝青路面。雖然瀝青路面具有平整度高、舒適性好等優(yōu)點(diǎn)，但瀝青的太陽吸收率很高，達(dá)到 0.85 ～0.95［1］。夏季炎熱時(shí)，我國大部分地區(qū)氣溫往往超過35℃甚至40℃以上，此時(shí)瀝青路面的溫度可以達(dá)到60～65℃，高溫的瀝青路面會導(dǎo)致路面產(chǎn)生一系列熱穩(wěn)性病害。因此，研制一種可用于瀝青路面的熱反射涂料，可以有效地降低瀝青路面的溫度，減少路面病害。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

自制改性不飽和聚酯;二氧化鈦(TiO2)，市售;二氧化硅(SiO2)，市售;MEKPO、環(huán)烷酸鈷，深圳長輝化工有限公司;過氧化苯甲酰(BPO)、N，N－二甲基苯胺(DMA)、N，N－二甲基對甲苯胺(DMT)，成都科龍化工有限公司;鐵紅、鐵綠，新鄉(xiāng)鵬呈化工有限責(zé)任公司;炭黑，青島德固賽化學(xué)有限公司;黑色素，科勒顏料有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

采用自制熱反射率測定裝置如圖1。

圖1 熱反射涂層溫度測試儀Fig.1 Temperature test equipment of solar－reflect coatings

1.3 涂料的制備工藝

將一定量的顏填料，加入相應(yīng)質(zhì)量的改性樹脂中，再加入適量的消泡劑、流平劑等助劑，在低速攪拌器下攪拌適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，將顏填料與樹脂充分混合均勻而得。

1.4 試驗(yàn)方法

凝膠時(shí)間:平板小刀法測試，并記錄樹脂開始抽絲和抽絲拉斷的時(shí)間，抽絲拉斷的時(shí)間即為樹脂凝膠時(shí)間;

耐磨性:GB1768《漆膜耐磨性測定法》，計(jì)算試驗(yàn)后樣品減少的重量;

黏度:GB/T1723《涂料黏度測定法》，采用便攜式涂－4杯黏度計(jì)測試;

耐水性:GB/T1733，觀察樣板表面狀況;

耐汽油性:GB/T1734，觀察樣板表面狀況;

耐候性:參照GB/T16422.1的人工加速耐候性試驗(yàn)，將樣板置于自制環(huán)境箱中，開啟碘鎢燈照射樣板600h。觀察照射前后樣板表面狀況。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料組成及用量對涂料性能影響

2.1.1 固化體系對涂料樹脂凝膠時(shí)間的影響

采用3種不同固化體系:BPO/DMT、BPO/DMA和MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系，通過研究促進(jìn)劑用量對自制樹脂凝膠時(shí)間的影響來選擇合適的固化體系。在10℃溫度下，取10 g樹脂。BPO/DMT和BPO/DMA體系中，采用BPO用量為樹脂質(zhì)量的2%;MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系中，MEKPO用量為樹脂質(zhì)量的3%。促進(jìn)劑用量與凝膠時(shí)間關(guān)系如圖2。

圖2 不同固化體系對UPR凝膠時(shí)間的影響Fig.2 Impact of different curing systems on UPR gelation time

由圖2可以看到，不同體系的凝膠時(shí)間差別較大。對于BPO/DMT體系，隨DMT用量增加，凝膠時(shí)間縮短，但該體系固化速度過快，凝膠時(shí)間過短，不易于路面施工;對于BPO/DMA體系，隨著DMA用量的增加，聚酯凝膠時(shí)間減少，凝膠時(shí)間為25 min左右，凝膠時(shí)間適當(dāng)，但該體系固化后固化物表面發(fā)黏，這是由于聚酯固化接觸空氣時(shí)，引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基會積極地先與空氣中的氧反應(yīng)，而不是繼續(xù)與聚酯發(fā)生共聚反應(yīng);對于MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系凝膠時(shí)間在60 min左右，固化后固化物表面狀況良好，適用于路面施工。

2.1.2 填料用量對涂料性能的影響

功能性填料是熱反射涂料實(shí)現(xiàn)降溫的關(guān)鍵材料。通過資料的收集和初步試驗(yàn)，將填料的含量確定在7% ～25%(即 7%，10%，13%，16%，19%，22%，25%)，通過熱反射涂層溫度的測定、遮蓋力的觀察，確定涂料中填料的最佳含量。初選TiO2和SiO2比例為2∶1，研究填料用量對涂料的降溫性能的影響。將涂有不同含量填料的涂料樣板分別與黑體放置于環(huán)境測試箱中，測定光源照射30 min后的平衡溫度，計(jì)算得到溫差如圖3。

圖3 不同填料用量下涂料樣板溫差Fig.3 Difference in temperature of coating samples with different amount of fillers

從圖3可以看到，當(dāng)填料含量低于10%時(shí)，降溫效果明顯，在7%為10.6℃，10%為14℃，但此時(shí)涂料涂刷后遮蓋力不夠、外觀不均勻現(xiàn)象明顯;當(dāng)填料含量在13% ～22%時(shí)，降溫效果十分明顯，并隨著填料用量的增加，降溫效果趨于平緩，與黑體相比溫度降低了16℃，涂層遮蓋力較好，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析，建議填料含量為13% ～15%;當(dāng)填料含量在25%時(shí)，降溫效果最明顯，但此時(shí)涂料本身稠度過大，攪拌困難，不利于涂刷。

2.1.3 不同TiO2/SiO2比對涂料性能影響

由圖3初步確定填料用量為14%。其中，SiO2對涂料的耐磨性有重要影響;TiO2對涂料的反射性能及遮蓋力起決定作用。因此選擇4種不同TiO2/SiO2比，以研究其對涂料性能的影響。

從表1中可以看到，耐磨試驗(yàn)后質(zhì)量損失都很小，表明涂料具有高耐磨性;隨著TiO2/SiO2比的增加，降溫值增加，耐磨試驗(yàn)重量損失略有降低。這是因?yàn)門iO2含量的增加提供了更高的熱反射性，而SiO2含量的增加則提供了更強(qiáng)的耐磨性，因此TiO2/SiO2比為10/4時(shí)既可以實(shí)現(xiàn)較好的降溫，同時(shí)耐磨性又極佳。

表1 TiO2/SiO2比對涂料性能影響Tab.1 Impact of TiO2/SiO2ratio on the performance of coatings

2.1.4 灰色顏料對降溫性能的影響

有研究指出，在大氣質(zhì)量為1時(shí)、太陽輻射為945W/m的情況下，灰色熱反射涂層的表面溫度可比同等其他顏色涂層降溫性能優(yōu)異。因此，采用炭黑(0.5%)+鈦白粉(10%)、黑色素(0.5%)+鈦白粉(10%)、鐵紅(0.5%)+ 鐵綠(0.8%)3 種配色方法配制灰色涂料，并將涂覆這3種灰色涂料的樣板分別與黑體放置于環(huán)境測試箱中，測定光源照射30 min后的平衡溫度，計(jì)算得到溫差如圖4。

圖4 不同灰色顏料降溫效果Fig.4 Temperature reduction effect of different kinds of gray coatings

從圖4可以看出，在涂料中加入不同方法配制的灰色顏料，與黑體溫度相比，降溫程度明顯不同。采用炭黑+鈦白粉配置的灰色顏料吸熱性極強(qiáng)，溫差僅為1.8℃;黑色素+鈦白粉的溫差達(dá)到近8℃;鐵紅+鐵綠溫差達(dá)到16.6℃，降溫效果最好。因此，灰色降溫涂料不能采用黑加白配制。

2.2 熱反射涂料性能參數(shù)測試

路面熱反射涂料作為一種新型涂料，無相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)，因此研究中參照J(rèn)T/T 280—2004《道路標(biāo)線涂料標(biāo)準(zhǔn)》和 HG/T 3829—2006《地坪涂料標(biāo)準(zhǔn)》，同時(shí)結(jié)合熱反射涂料在路面中實(shí)際的使用情況，以配制的灰色涂料為研究對象，其性能參數(shù)如表2。

表2 路面熱反射涂料性能測試結(jié)果Tab.2 Testing results of highway thermal reflective coatings performance

表2表明，制備的熱反射涂料不僅可有效降低物體表面溫度，而且具有良好的耐磨性、耐水性、耐汽油性、柔韌性以及耐候性，其性能滿足實(shí)際的路面需求。

2.3 熱反射涂料降溫效果評價(jià)

成型2塊相同的30 cm×30 cm×5 cm的SMA－13車轍試件，其中一塊表面保持原狀，另一塊表面涂布一層0.8 kg/m2的路用熱反射涂料。將試件暴露于太陽光下，測試點(diǎn)為試件中部2.5 cm深處，測試時(shí)間為2010－05－24 T 10:00—2010－05－25 T 10:00，5月24日最高氣溫為34℃(圖5)。從圖5中可以看到，無涂布涂料的SMA瀝青混凝土試件2.5 cm深處當(dāng)日最高溫度為58℃，而涂布熱反射涂料的試件最高溫度僅為48℃，即采用該涂料可降低試件溫度近10℃，這一結(jié)果表明熱反射涂料可以很好地降低路面溫度，減少路面病害。

圖5 不同表面狀況SMA－13試件2.5 cm處溫度Fig.5 Temperature of the testing points(middle of the specimen 2.5 cm depth)of SMA-13 sample with different surface condition

3 結(jié)論

1)采用MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系作為涂料的固化體系，固化后固化物表面狀況良好，固化時(shí)間適用于路面施工;

2)隨填料用量增加涂料的降溫效果先增加后趨于平緩，過高的填料使涂料黏度過大，影響施工，建議填料含量為13%～15%;

3)填料中隨著TiO2/SiO2比降低，涂料降溫效果減弱，耐磨性增強(qiáng);

4)采用紅色(0.5%)和綠色(0.8%)配置的灰色顏料對涂料降溫效果最好;

5)涂料具有良好的耐水性、耐油性、柔韌性、耐磨性和抗滑性，在夏季高溫季節(jié)可降低路面溫度近10℃。

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