水性建筑隔熱保溫外墻涂料的研制

陳中華 *，張玲

（1.華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510640；2.廣州集泰化工有限公司，廣東 廣州 510520）

1 前言

能源的不可再生性使其成為影響世界發展的重要問題，而建筑住房的不斷增多使得保溫節能材料在建筑行業的運用日益廣泛，建筑外墻涂料的保溫隔熱性能也越來越受到人們的關注。近年來，關于建筑外墻保溫隔熱涂料的開發與應用已經成為建筑涂料的主要發展趨勢之一[1-2]。

目前，保溫隔熱涂料主要采用調節涂層的吸收/輻射比、增大涂層的熱阻和紅外輻射制冷等模式[3]，但在實際使用中存在涂層過厚、表觀效果較差、隔熱保溫效果受大氣和灰塵影響等缺點。針對上述問題，本文從4 種廣泛使用的隔熱填料中優選出導熱系數低、熱反射率高的熱反射隔熱粉為隔熱填料，制備出一種新型的建筑隔熱保溫外墻涂料，并從隔熱效果、微觀形貌和施工厚度等幾個方面與近年來研究較熱門的空心玻璃微珠隔熱涂層作比較。結果表明，熱反射隔熱粉涂料的綜合性能明顯好于空心玻璃微珠隔熱涂料，且薄層施工就可達到較好的隔熱保溫效果，同時表觀效果良好，隔熱效果較持久。

2 實驗

2.1 主要原料

純丙乳液A，美國陶氏化學公司；苯丙乳液B、硅丙乳液C、彈性乳液D，國產；熱反射隔熱粉、納米摻銻二氧化錫(ATO)漿料、閉孔珍珠巖，國產；空心玻璃微珠，美國3M 公司；氣相二氧化硅，中石化雙吉化工；潤濕分散劑、消泡劑和疏水劑，迪高化學；成膜助劑，伊士曼化工；防霉防菌劑、丙烯酸酯類增稠劑、pH 調節劑，美國陶氏化學公司。

2.2 主要儀器

JSF-400 型攪拌砂磨分散多用機，上海普申化工機械有限公司；WYSK-100X 讀數顯微鏡，上海舒耀儀器設備有限公司；QUV-II 型紫外加速老化儀，上海現代環境工程技術有限公司；熱電偶溫度計，臺灣TES 公司；仿真隔熱測試儀，自制；Lambda950 型紫外-可見光-近紅外分光光度計，美國PE 公司；AE 式法向發射率測定儀，美國ACH 公司；Nova NanoSEM 430 型超高分辨率場發射掃描電子顯微鏡，美國FEI 公司。

2.3 隔熱保溫涂料的制備

隔熱保溫涂料的基礎配方如下：

乳液 30%～50%

隔熱功能填料 6%～15%

其他顏填料 15%～30%

成膜助劑 2%～4%

潤濕分散劑 0.5%～1.5%

疏水劑 1%～4%

pH 調節劑 0.1%～0.3%

流變助劑 0.3%～0.5%

增稠劑 0.5%～2.0%

消泡劑 0.3%～0.7%

防霉防菌劑 0.1%～0.3%

水 余量

按配方中的量，依次加入去離子水、防霉防菌劑、潤濕分散劑、pH 調節劑、流變助劑和一半消泡劑，中速(1 000～1 200 r/min)攪拌3～5 min，然后加入乳液、顏填料，再高速(2 500～3 000 r/min)分散30 min，直到細度達40 μm 以下，接著在低速(600～800 r/min)攪拌下加入成膜助劑、疏水劑和另一半消泡劑，攪拌10 min，最后添加適量增稠劑調節涂料至合適黏度(85～90 KU)，過濾即得成品。

將制得的隔熱涂料按GB/T 9755-2001《合成樹脂乳液外墻涂料》的要求、采用線棒涂布器制板，在(23 ± 2) °C、相對濕度50% ± 5%的條件下干燥7 d 即可測試。

2.4 測試與表征

2.4.1 自制仿真隔熱測試儀

參照建筑工業行業標準JG/T 235-2008《建筑反射隔熱涂料》，并借鑒國內外科研單位的測試方法[4-5]，建立了如圖1所示的隔熱能力評估系統，通過測定平衡溫度和隔熱溫差(與空白板對比)來評價漆膜的隔熱性能。

以纖維增強硅酸鈣板作為隔熱溫差試驗的空白試板，尺寸為100 mm × 100 mm × 5 mm，其表面處理按GB/T 9271-2008《色漆和清漆 標準試板》中的規定進行，并以空白板為基材制備隔熱試板。測試條件：(1)室內測試，實驗時應保證門窗緊閉；(2)調節電壓，保證 測試時板上表面溫度在(75 ± 2) °C；(3)測試過程中，將隔熱試板和空白板放置在型腔上，涂層面朝向碘鎢燈，觀察2 塊板內表面溫度隨時間的變化；(4)為保證數據的穩定性，測試時間為1 h；(5)除討論厚度對隔熱性能影響的測試樣外，其余樣板涂刷干膜厚度均為200 μm。

圖1 隔熱測試儀模型Figure 1 Model of heat-insulating tester

2.4.2 紫外-可見光-近紅外光譜分析

采用美國PE 公司生產的紫外-可見光-近紅外分光光度計對隔熱涂料干燥后的涂膜進行分析，并測定太陽反射比。測試用樣板為100 mm × 100 mm × 2 mm 的鋁板，樣板表面漆膜厚度為60 μm。

2.4.3 涂層輻射率測定

采用美國ACH 公司生產的AE 式半球輻射率測定儀對隔熱涂料樣板進行測試。測試用樣板為100 mm × 100 mm × 2 mm 的鋁板，樣板表面漆膜厚度為60 μm。

2.4.4 掃描電子顯微鏡觀察

將樣品放置在銅片上面噴金，然后放入 Nova NanoSEM 430 型超高分辨率場發射掃描電子顯微鏡的試樣倉進行觀察。

2.4.5 外墻用涂料常規性能測試

常規性能測試用樣板為纖維增強硅酸鈣板，按GB/T 9755-2001 進行測試。耐洗刷樣板規格為450 mm × 150 mm × 5 mm，耐人工加速老化樣板規格為100 mm × 80 mm × 5 mm，其余各項測試所用樣板規格為100 mm × 100 mm × 5 mm。

3 結果與討論

3.1 成膜基料的選擇

對于隔熱保溫涂料，成膜樹脂的選擇必須遵循以下兩個原則：(1)成膜樹脂必須能耐強紫外線輻射，含有環氧基團和易氧化芳香族基團的樹脂不宜用作成膜基料[6]；(2)合成樹脂的折光指數為1.45～1.50。由于樹脂種類對涂層的太陽熱反射能力影響不大，因此，可選擇透明度高、對可見光和近紅外光吸收率低的合成樹脂為基料[7]。

鑒于樹脂對涂層熱反射性能影響較小，實驗中選擇了市場上常見的幾種丙烯酸乳液進行實驗。其透明性好，折光指數較低，本身不含吸熱基團；同時它具有良好的耐水性、耐候性和附著力，安全環保，施工簡便，適用于建筑隔熱保溫涂料。依據基礎配方制成涂料后進行物理性能和耐候、耐沾污性能對比測試，結果如表1所示。

表1 不同水性丙烯酸樹脂乳液對漆膜性能的影響Table 1 Effects of different water-based acrylic emulsions on coating performance

由表1的測試結果可以看出，苯丙乳液B 和彈性乳液D 制成的漆膜經紫外加速老化儀600 h 照射后出現輕微黃變，且彈性乳液D 的硬度較低、耐沾污性能較差，硅丙乳液C 的附著力較差；純丙乳液A 具有較高的硬度和優異的附著力，制成的漆膜耐沾污性能最好，同時純丙乳液A 的機械穩定性較好，在3 000 r/min的高速剪切力下不破乳，可在打漿時加入，極大地節省了配漆時間。綜合這幾個因素，本實驗選擇綜合性能優異的純丙乳液A 作為外墻用隔熱保溫面漆的主要成膜物。

3.2 隔熱功能填料種類的選擇及用量的確定

3.2.1 隔熱功能填料種類的選擇

隔熱涂料中常用的功能填料主要有空心玻璃微珠、二氧化鈦、氧化鋁、納米ATO 等，其中以空心玻璃微珠的應用最多。本實驗中選用了熱反射隔熱粉、納米ATO 漿料、空心玻璃微珠、閉孔珍珠巖等4 種隔熱功能填料分別進行實驗，并對涂膜進行隔熱性能測試，以篩選出隔熱性能最佳的填料。測試結果見表2。

表2 隔熱填料種類對漆膜隔熱性能的影響Table 2 Effect of filler type on heat-insulating property of the coatings

由表2可知，熱反射隔熱粉和空心玻璃微珠的導熱系數較低，且漆膜的太陽反射比遠遠大于納米ATO漿料和閉孔珍珠巖，從隔熱溫差也能直觀地看出熱反射隔熱粉和空心玻璃微珠的隔熱效果較好。這是由不同填料的成分和結構所決定的。熱反射隔熱粉是由金紅石型TiO2、Al2O3、SiO2及酞酸酯組成的超細粉體，粒徑為5～6 μm，這種填料具有導熱系數低和比熱小的特點，并且對太陽光中的紅外及遠紅外波段具有較高的反射率；空心玻璃微珠是經特殊工藝制成的硼硅酸鹽類薄壁空心球體，低導熱且有良好的紅外光反射性[8]；納米ATO 導電粒子由于含有一定濃度的電子空穴，能夠引起晶格中自由載流子的吸收，對分布于紅外波段占45%左右的太陽能量起到良好的反射阻隔作用[9]，但納米粒子的小尺寸效應使得其分散困難，納米特性受到影響；閉孔珍珠巖是一種具有封閉多孔結構的發泡顆粒，主要由SiO2、Al2O3、Na2O 和K2O 組成，導熱系數低且具有反光的連續玻質化光滑外表面，也具有一定的保溫隔熱效果，但其粒徑較大，難形成連續的隔熱涂層。

因此，選擇空心玻璃微珠和熱反射隔熱粉作為本體系的隔熱填料，并嘗試將兩者復配使用。

3.2.2 隔熱填料用量對漆膜隔熱性能的影響

分別考察了熱反射隔熱粉、空心玻璃微珠的不同配比對漆膜隔熱性能的影響。結果見圖2。由圖2可知，熱反射隔熱粉用量為10%、空心玻璃微珠用量為7%時，漆膜的隔熱性能最佳，隔熱溫差前者達8.5 °C，后者為7.8 °C。這是因為熱反射隔熱粉中的金紅石型TiO2、SiO2、Al2O3等全波長遠紅外積分發射率較高的物質能夠將太陽光熱量發射到空氣中，阻擋了熱量的傳遞。隨著熱反射隔熱粉用量的增加，隔熱溫差逐漸增大，隔熱性能得到提高。然而熱反射隔熱粉的用量并非越多越好，添加量超過10%，粉體之間不能被乳液和其他基料很好地填充，彼此之間形成較多連通的空隙，造成輻射傳熱加劇，導致隔熱作用減弱。空心玻璃微珠的多級組合能形成低導熱率的封閉型中空氣體層，并且其內部有許多細小的孔隙，能夠很好地反射光和熱等入射波，阻止熱量的傳遞[10]。因此，當空心玻璃微珠的添加量小于4%時，由于其在涂膜中排布稀疏，不能形成致密的反射隔熱層，光線能夠透射穿過涂膜，隔熱效果不佳；隨著空心微珠用量的增加，其在涂膜中的排列逐漸緊密，反射隔熱效果也顯著增強。當含量達到7%時，玻璃微珠在涂膜中排布致密，此時對太陽光的反射率達到最大，熱導率也明顯降低。然而，繼續增加玻璃微珠的含量，不僅使涂料分散困難，隔熱效果下降，而且空心微珠緊密排列形成的中空氣體層會導致涂層力學性能變差[11]。

圖2 熱反射隔熱粉和空心玻璃微珠用量對漆膜隔熱溫差的影響Figure 2 Effects of dosages of reflective heat-insulation powder and hollow glass bead on heat-insulating temperature difference of the coatings

考察了熱反射隔熱粉涂層、空心玻璃微珠涂層和2 種填料復配后隔熱效果最好的涂層試板內表面溫度隨時間的變化，結果見圖3。

圖3 3 種隔熱涂層試板內表面溫度隨時間的變化Figure 3 Temperature variation of inner surfaces of three heat-insulating test panels with time

由圖3可知，單獨使用熱反射隔熱粉和空心玻璃微珠時，均有較好的隔熱效果，且試板溫度在60 min左右基本達到平衡。而熱反射隔熱粉與空心玻璃微珠復配后，涂層隔熱效果反而變差，平衡時隔熱溫差僅為6.9 °C，這與復配后漆膜的太陽反射比下降相符。其原因可能是因為兩者復合使用時熱反射隔熱粉的反射效果減弱，對熱能的反射效率降低；同時由于空心玻璃微珠的相對用量減少，導致涂層熱傳遞加快。因此，隔熱反射粉和空心玻璃微珠復配后不但起不到協同作用，反而使涂層整體的隔熱效果變差。

3.3 隔熱涂層的掃描電鏡(SEM)分析

圖4為3 種涂層斷面的SEM 形貌圖。由圖可知，含熱反射隔熱粉的涂層除了局部的小缺陷外，表面平整而且連續致密；在含空心玻璃微珠涂層中，可以看到球狀的玻璃微珠浮于表面，漆膜比較疏松且有較淺的孔洞存在，表面粗糙；在熱反射隔熱粉與空心玻璃微珠復合涂層中，可以看到較深的孔洞，顏填料顆粒比較突兀，一些較大的顆粒甚至未被很好地包覆而裸露在外，與漆膜主體粘結較差。

圖4 3 種涂層的截面形貌照片Figure 4 Images of section morphologies of three coatings

綜合微觀形貌和宏觀隔熱性能測試可知，空心玻璃微珠涂層表面粗糙，不適合做面漆。熱反射隔熱粉涂層的表觀效果和隔熱效果較好，適合作為外墻隔熱面漆。因此，最終選擇熱反射隔熱粉作為本體系的隔熱填料。

3.4 涂膜厚度對涂料隔熱性能的影響

以熱反射隔熱粉作隔熱填料，用量為10%，研究了不同厚度熱反射涂層對隔熱效果的影響，結果見圖5。

圖5 不同厚度熱反射隔熱涂層的隔熱效果Figure 5 Heat-insulation effectiveness of reflective heat-insulation coatings with different thicknesses

由圖5可知，隨著涂膜厚度的增加，試板內表面溫度降低，隔熱溫差增大。當涂膜厚度從100 μm 增加到150 μm 時，同空白板相比，隔熱溫差從4.2 °C 增大到6.8 °C，隔熱效果顯著提高；當涂膜厚度增加到200 μm時，試板內表面隔熱溫差達到8.5 °C；繼續增加涂膜厚度，隔熱溫差增大程度很小，隔熱效果幾乎沒有明顯提高。這說明對于熱反射型隔熱涂料，當涂層厚度較薄時，涂層的厚度對其隔熱性能影響較大。如果涂層厚度較薄，入射光線就有可能透過涂層，將熱量傳遞給涂覆基材，那么基材對熱量的吸收與涂層反射隔熱效果相抵消，總體隔熱效果不佳；當涂層厚度增大到一定程度時，由于光線并不能夠透過涂膜照射到基層，其反射性能只與涂膜表面的反射率有關，而與涂膜的 厚度無關，此時涂膜厚度的增加對反射率影響不大。因此，綜合考慮，涂層厚度以200 μm 為宜。與空心玻璃微珠隔熱涂層(其隔熱性能最好時涂膜厚度為0.5 mm[12])相比，熱反射隔熱粉涂料薄層施工即可獲良好的隔熱效果。

3.5 PVC 對漆膜綜合性能的影響

顏填料體積濃度(PVC)對涂層的綜合性能會產生較大影響，因此，本文討論了熱反射隔熱粉用量為10%時不同PVC 下漆膜的各項性能，結果見表3。

表3 顏填料體積濃度(PVC)對漆膜性能的影響Table 3 Effect of pigment volume concentration (PVC) on film performance

從表3可以看出，涂層的對比率隨著PVC 的提高而逐漸增大，耐沾污性和隔熱性能則隨著PVC 的提高而出現了最佳點。當PVC 值為41.5%時，涂層的耐沾污性和隔熱性能最好。這是因為，一方面隨著PVC 的增大，漆膜中聚合物的相對含量降低，漆膜的硬度增加，其粘附性沾污減弱，耐沾污性得到提高，同時涂層的連續性得到改善，隔熱性能提高；另一方面，PVC過高會使漆膜的孔隙率增加，涂層的致密性下降，不能形成連續的隔熱層，隔熱性能下降，同時漆膜的吸入性污染增大，漆膜耐沾污性下降。因此，PVC 從34.2%增加到48.1%時，漆膜的反射系數下降率呈先降后增的趨勢，隔熱溫差和太陽反射比基本呈先增后降的趨勢，耐沾污性和隔熱性能在PVC 為41.5%時達到最佳。

3.6 隔熱涂料涂層的光譜分析

太陽反射比是指在全波段范圍內，涂層反射的太陽輻射能通量與入射的太陽輻射能通量之比。

采用紫外-可見光-近紅外分光光度計對熱反射隔熱粉用量為10%、PVC為41.5%的涂層進行300～2 500 nm波段光譜的反射分析，全反射譜圖如圖6所示。由圖6可知，隔熱涂層在500～2 250 nm 波段都表現出較高的反射率，且該涂層在可見光波段的太陽反射比為0.923 1，全波段太陽反射比為0.815 2。

4 結論

圖6 隔熱涂料的太陽反射比Figure 6 Solar reflectance of thermal-insulation coating

(1) 選擇了綜合性能優異的純丙乳液A 作為隔熱 保溫涂料的成膜基料、隔熱性能優異的熱反射隔熱粉作為功能填料，制備出一種新型建筑隔熱保溫外墻涂料。

(2) 相比于納米ATO 漿料、閉孔珍珠巖等隔熱填料，熱反射隔熱粉和中空玻璃微珠的隔熱保溫效果較好，隔熱效果分別在用量為10%和7%時達到最佳。但這兩種隔熱填料復配后，隔熱效果反而比單獨使用時差。熱反射隔熱粉和中空玻璃微珠涂層的宏觀隔熱效果、微觀形貌和涂層厚度研究表明，熱反射隔熱粉的隔熱效果較好，而且外觀平整，適合做面漆。

(3) 由自制仿真隔熱測試儀和紫外-可見光-近紅外分光光度計的測試結果可知，所制備的熱反射隔熱粉涂層具有良好的隔熱保溫功能，且可以薄涂施工，涂膜厚度僅需200 μm。

(4) 當隔熱保溫涂料的顏填料體積濃度(PVC)為41.5%時，涂層的耐沾污性和隔熱性能最好，此時反射系數下降率為4.31%，隔熱溫差為8.5 °C，太陽反射比為0.815 2，半球輻射率為0.90。

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