熱反射隔熱防腐蝕涂料的研制

倪余偉，董建民，張 松

(中國人民解放軍92117 部隊，北京 100072)

地面金屬油罐受到強烈的太陽輻射，會引起罐壁溫度的大幅升高，高于油沸點時形成油氣，油氣的累積導致設備內部壓力急劇上升，不但造成油品損耗，還存在著較大的爆炸風險。本文研制了一種能用于地面金屬油罐及各種金屬表面的太陽熱反射隔熱防腐蝕涂料，它能有效地反射、阻隔、輻射太陽光的能量，使其在不消耗能量的情況下，能有效地降低夏季暴露在太陽光下的物體的表面溫度，從而在源頭上阻止熱的傳導，不但減少輕質油產品的呼吸損耗，同時免去水噴淋的效能，達到節省能源、降低消耗、提高安全的目的。該涂料在配方設計時，還兼顧了防腐蝕性能，以滿足地面金屬油罐戶外長期經受自然環境侵蝕的要求。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

羥基丙烯酸樹脂、環氧樹脂;流平劑、分散劑、消泡劑、縮二脲;硅烷偶聯劑、空心玻璃微珠、納米紅外粉料、鈦白粉、玻璃鱗片、氧化鐵紅。

1.2 底漆的研制

1.2.1 成膜物質的選擇

環氧樹脂涂料是目前防腐蝕涂料的主要品種，防腐蝕性能優異。環氧樹脂因分子結構中含有強極性的羥基和難水解的醚鍵，故使涂層對基體附著牢固且耐腐蝕，又因分子鏈中兼有剛性的芳環又有柔性的烴鏈，故使涂層強韌而耐磨。國產環氧樹脂的牌號眾多，本文選擇分子量和環氧值居中的E-20 作為主要成膜物質。

1.2.2 防銹顏料的選擇

本文按物理作用型防銹底漆的配方原理設計底漆。物理作用防銹顏料主要有氧化鐵紅、云母氧化鐵、鋁粉及玻璃鱗片等，這些顏料均是不易被腐蝕介質分解破壞的化學性質穩定的惰性顏料，顏料微粒具有良好的填充作用，使涂層的結構十分致密。其中，玻璃鱗片因呈鱗片狀態，在漆膜中能發揮良好的抗滲作用，適于在海洋氣候區和濕熱帶地區使用，用于戶外金屬設備、橋梁等鋼結構保護。但是，玻璃鱗片質輕、脆性大，與有機高分子樹脂的相容性較差，因此，選擇玻璃鱗片作為主要防銹顏料，適量加入氧化鐵紅以提高涂料的固體含量和涂膜的物理機械性能。

1.2.3 隔熱填料的選擇

用于熱反射隔熱涂料的填料應具備低導熱系數特性。根據研究可知，滿足要求的填料主要為高填充結構材料，如空心微珠、軟木粉等。目前，使用最多的是空心玻璃微珠或中空陶瓷微珠。在相同配方下，采用不同的功能性填料，測定涂膜的反射比和穩定性能。結果發現空心微珠對近紅外光的反射比遠遠高于普通填料，玻璃微珠與陶瓷微珠的反射比接近，陶瓷微珠略高于玻璃微珠，但其儲存穩定性差［1］。所以，本文選擇空心玻璃微珠為主要隔熱填料。經試驗確定，隔熱涂料底漆采用了三種不同粒徑分布的微珠進行復配，微珠質量分數為8%。

1.3 面漆的研制

1.3.1 樹脂的選擇

樹脂是涂料中必不可少的組份，對于功能填料來說，樹脂則是一個重要的載體，它起著將功能填料與基材連結起來的作用。可選擇透明度高，對可見光和近紅外吸收小的合成樹脂［2］。綜合考慮戶外耐久性、快干性等因素，經試驗確定采用改性含羥基丙烯酸樹脂作為熱反射隔熱防腐涂料的主要成膜物質。

1.3.2 主要功能填料的選擇

功能填料是熱反射隔熱涂層中最重要的組份。熱反射隔熱涂層所選擇的功能填料要求對太陽熱輻射具有高反射、低吸收的性質。綜合考慮反射和隔熱效果，TiO2無疑是最好的選擇。金紅石型TiO2是太陽熱反射隔熱涂層中首選的功能填料［3］。試驗確定，鈦白粉的適宜質量分數為24%。

1.3.3 納米紅外粉料的選用

在涂料中加入適量納米紅外粉料，可以提高涂層的輻射性能，使涂層具有高輻射率。添加適量紅外粉料的隔熱涂料，不但能夠延緩外部熱量(太陽熱量)向內部的傳遞，還能夠持續的將內部熱量轉換為遠紅外線輻射到外太空，降低內部熱量，儲存涂層的熱量，減緩涂層的熱量向基體傳遞，使遠紅外粉料能吸收更多基體的熱量，從而提高遠紅外粉料向外輻射熱量的效果。試驗證明，添加3%～4%(質量分數)的紅外粉料可以大大提高涂層的紅外輻射能力。加量超過5%時，涂層的輻射系數開始下降。

1.3.4 空心玻璃微珠的選用

由于面漆對太陽光反射率和裝飾性的要求，不宜選用粒度較大的微珠，選用了粒度分布較適中的美國3M 公司生產的微珠。空心微珠具有較強的消光性，對提高涂層的太陽光不利，空心微珠在面漆中的加入量不宜超過5%(質量份數)。

1.4 配 方

依據上述配方設計原則，經過大量配方試驗，確定了熱反射隔熱防腐蝕涂料的底漆、面漆的配方組成，它們配套使用作為地面金屬油罐及管線外壁防腐蝕涂裝體系。

2 工藝研究

2.1 空心玻璃微珠的表面處理

空心玻璃微珠具有導熱系數低、空間體積大等優點，但同時存在機械強度低、吸水性強、耐水性差等缺點。為了克服這種缺點，使用有機硅氧烷對空心玻璃微珠進行表面處理。處理后的空心玻璃微珠具有較好的流動性，易于分散，涂層的耐水性也有很大的提高。

2.2 納米紅外粉料的表面處理

本項目采用的紅外粉料平均粒徑72 nm，系納米水溶性材料，在涂料體系中如果分散不好，將大大降低其遠紅外線輻射能力和阻隔紅外線等性能。必須對其進行表面處理。

2.2.1 改性

先用配制涂料用的混合溶劑300 mL，與紅外粉料100 g 混合，用超聲波分散機或高速分散機分散15～20 min，使用高速分散機攪拌速率控制在1 000 r/min 以上。再用少量的混合溶劑將硅烷偶聯劑稀釋攪拌均勻后倒入分散好的膠料中，再次攪拌，分散15～20 min，分散完成后，納米材料與混合溶劑的混合物呈漿狀物。

2.2.2 分散

分散劑可以根據涂料體系確定，將分散劑2～4 g 加入到上述的漿料中，再次用超聲波分散機或高速分散機分散15～20 min，防止納米材料二次團聚，達到納米材料均勻分散在混合溶劑當中。

3 性能試驗及結果

對熱反射隔熱防腐蝕涂料分別進行了機械性能試驗、耐中性鹽霧試驗、人工氣候老化試驗，以考查該涂料的物理機械性能、耐腐蝕性能及耐老化性能。對于熱反射隔熱涂料，太陽光反射比和半球發射率是兩個非常重要的技術指標。另外，隔熱溫差可以直觀地描述熱反射材料降溫的程度，因此，隔熱溫差也是熱反射材料研發、隔熱評價必不可少的手段［4］。導熱系數是反映材料的導熱性能的重要參數之一。涂層導熱系數λ 不大于0.25 W/(m·K)，一般被認為具有較好的隔熱降溫功能［5］，因此，本文還對熱反射隔熱涂料的導熱系數進行了測試。試驗方法及結果見表1。

表1 熱反射隔熱防腐蝕涂料性能試驗結果

4 結論

(1)熱反射隔熱防腐蝕涂料采用環氧樹脂底漆和丙烯酸聚氨酯面漆的配套體系，保證了涂層具有優良的力學性能、耐腐蝕性能和耐戶外老化性能。

(2)底漆采用三種不同粒度范圍的國產空心玻璃微珠進行復配，最大限度提高涂層對太陽輻射熱能的阻隔能力，同時保證了底漆的力學性能。微珠在甲組分配方中所占質量份數為8%時，涂層具有良好的力學性能和隔熱性能。

(3)面漆通過采用質量份數分別為24%的金紅石型二氧化鈦、5%的空心玻璃微珠、3%的納米紅外粉料進行配比，協同作用使面漆具有較高的太陽光反射比和半球發射率。

(4)性能試驗表明，該涂料的太陽光反射比為0.81，半球發射率為0.88，反射隔熱性能符合HG/T 4341-2012(金屬表面用熱反射隔熱涂料的規定)相應標準的要求。同時該涂料具有優良的物理機械性能和防腐蝕性能。

［1］王金臺，路國忠.太陽熱反射隔熱涂料［J］.涂料工業，2004，34(10):17-19.

［2］余麗蓉，陸春華，高樹軍，等.隔熱功能涂料的研究與發展趨勢［J］.材料導報，2006，20(10):52-56.

［3］王科林，徐娜.太陽熱反射隔熱涂層及其發展趨勢［J］.現代涂料與涂裝，2009，12(2):18-22.

［4］楊文頤.熱反射涂料熱性能測試方法綜述［J］.中國涂料，2012，27(3):64-68.

［5］胡傳炘，孟輝，胡家暉.熱反射隔熱防腐蝕涂層得現狀及其應用［J］.石油化工腐蝕與防護，2005，22(3):20-24.