高性能外墻隔熱反射涂料的制備與研究

孫萬萬，曾明，周紫晨，張冰

（中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北 武漢430000）

近年來，能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴重，如何在保證經(jīng)濟發(fā)展的同時提高能源的利用率已經(jīng)成為全社會亟待解決的問題。建筑能耗占整個能源消耗的30%～40%[1]。我國自2003年來不斷加大對節(jié)能減排政策的推行力度，且規(guī)定從2005年起，所有新建住宅必須采取隔熱保溫措施，而隔熱材料中的隔熱反射涂料因其節(jié)能環(huán)保、價格低廉且隔熱保溫效果好等優(yōu)點在市場上的應用越來越多[2-3]。

外墻隔熱反射涂料是一種近年來發(fā)展的新型功能型涂料，自身熱阻大、導熱系數(shù)低、且熱反射率高，能有效提高材料本身反射太陽光熱量及內(nèi)部傳導傳熱，將其用于建筑物的表面可達到降低建筑物內(nèi)部溫度，減少空調(diào)等能源消耗，從而起到反射隔熱保溫，節(jié)約能源的效果[4-5]。

目前，研究較多的外墻反射隔熱涂料，主要是通過加入具有隔熱和反射效果的功能性填料來提高涂料的反射隔熱效果[6]。本研究采用SR-01丙烯酸乳液作為主要成膜物質(zhì)，以空心玻璃微珠、實心陶瓷微珠和氣相二氧化硅為功能性填料，輔以其他普通填料及相關(guān)涂料助劑，從而制備出一種高性能外墻隔熱反射涂料。

1 實 驗

1.1 實驗原料

丙烯酸乳液：SR-01，陶氏化學；空心玻璃微珠：VS-5500，美國3M公司；實心陶瓷微珠：W-610，美國3M公司；金紅石型鈦白粉：R-258，攀鋼集團鈦業(yè)有限公司；高嶺土、滑石粉：河北世貿(mào)建材有限公司；潤濕劑、分散劑、流平劑、pH值調(diào)節(jié)劑、增稠劑、消泡劑、成膜助劑、乙二醇：佛山諾裕新材料科技有限公司。

1.2 涂料制備

隔熱反射涂料基礎配方見表1。

按照表1配方的用量，在調(diào)漆罐中將成膜助劑、潤濕劑、分散劑、流平劑、消泡劑和pH值調(diào)節(jié)劑加入到去離子水中，在300～500 r/min下分散10 min；攪拌均勻后加入滑石粉、鈦白粉和高嶺土，在1500～2000 r/min下分散30 min；隨后在攪拌均勻的混合物料中加入丙烯酸乳液和隔熱反射功能性填料，在300～500 r/min下分散20 min；然后加入消泡劑、成膜助劑和剩余的去離子水攪拌均勻；最后加入增稠劑調(diào)節(jié)至合適的黏度，制得隔熱反射外墻保溫涂料。

1.3 性能測試與表征

1.3.1 涂膜的基礎性能測試

干燥時間：GB/T 1728—1979《漆膜、膩子膜干燥時間測定法》；耐洗刷次數(shù)：GB/T 9266—2009《建筑涂料 涂層耐洗刷性的測定》；凍融穩(wěn)定性：GB/T 9268—1988《乳膠漆耐凍融性的測定》；耐水性：GB/T 1733—93《漆膜耐水性測定法》；涂膜對比率：GB/T 23981—2009《白色和淺色漆對比率的測定》；隔熱溫差衰減、半球反射率：JG/T 235—2008《建筑反射隔熱涂料》；太陽光反射率：ASTM C 1549。

1.3.2 隔熱性能

隔熱溫差試驗（見圖1）：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，其表面按GB/T 9271—2008《色漆和清漆標準試板》的規(guī)定進行處理，并以空白板為基材制備隔熱試板。測試條件：（1）室內(nèi)測試，實驗進行時應保證門窗緊閉；（2）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(nèi)表面溫度隨時間的變化；（3）為保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，測試時間為1 h；（4）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 隔熱性能測試模擬

2 結(jié)果與討論

2.1 丙烯酸乳液對涂料性能的影響

丙烯酸乳液對涂料性能主要起到粘結(jié)和成膜作用，同時可以賦予基層良好的附著力，是決定涂料性能的重要因素。本實驗選擇了市場上常見的3種丙烯酸酯樹脂乳液（見表2），具有良好的耐候性和附著力，且透明性好、折光系數(shù)較低、安全環(huán)保以及施工方便，非常適用于制備建筑外墻反射隔熱涂料。

表2 3種丙烯酸乳液的技術(shù)性能

苯丙乳液附著力好，漆膜透明，耐老化性、耐水性、耐堿性能良好，且聚合速率快，聚合黏度低，產(chǎn)物分子質(zhì)量高，缺點是易黃變，且施工條件苛刻。硅丙乳液具有很好的耐水、耐酸堿和耐粘污性能，且涂膜不泛黃，漆膜致密、堅韌、硬度高，抗老化性能極佳，缺點是價格昂貴。純丙乳液具有優(yōu)良的成膜性能，出色的耐候性、耐粘污性、耐磨性能和耐老化性能，并且無毒無腐蝕性，高光澤，適用于做外墻涂料。因此綜合比較3種乳液的性能，本實驗體系選擇價格合適、綜合性能優(yōu)良的純丙乳液作為外墻反射隔熱涂料的成膜物。

2.2 鈦白粉用量對涂膜反射性能的影響（見圖2）

圖2 金紅石型鈦白粉用量對涂膜反射性能的影響

由圖2可以看出，涂料中鈦白粉用量對太陽光反射率有一定的影響，當鈦白粉用量從5%增加到15%時，涂料的上表面溫度不斷降低，用量為15%時溫度達到最低；當繼續(xù)增加鈦白粉用量時，溫度則有所上升，說明過量的鈦白粉會減少涂料對太陽光的反射效果。這是因為當鈦白粉用量在一定范圍內(nèi)增加時，涂料內(nèi)顏料用量增大導致其密度增大，從而使得起到反射作用的顏料粒子增多，提高了涂料的反射性能，但是當鈦白粉用量繼續(xù)增加時，涂料的分散效率降低，導致顏料粒子不能得到完全分散，散射效率降低，基料不能完全潤濕全部的鈦白粉粒子，故導熱系數(shù)略有上升。所以應將本體系中的鈦白粉用量維持在15%左右才能起到最佳的反射隔熱效果。

2.3 空心玻璃微珠用量對隔熱性能的影響（見圖3）

圖3 空心玻璃微珠用量對隔熱保溫性能的影響

由圖3可以看出，空心玻璃微珠用量對涂料隔熱性能有著較為明顯的影響，當空心玻璃微珠用量從6%增加到12%時，涂料的隔熱溫差最大，達到8.1℃，而再增加空心玻璃微珠用量后，涂層的隔熱溫差開始有所減少。這是因為空心玻璃微珠用量從6%開始增加時，此時涂層中空心玻璃微珠粒子排列稀疏，并不能形成致密的反射隔熱層，涂層的隔熱效果不佳。而隨著玻璃微珠用量逐漸增加，其在涂膜中的排列逐漸緊密，有效增強了涂膜對太陽光的反射率，同時導熱系數(shù)也明顯降低，隔熱效果增強。而當空心玻璃微珠用量達到12%以后，再繼續(xù)增加其用量，不僅會使得涂料分散不均勻，還會使得空心玻璃微珠緊密形成的涂層力學性能降低，隔熱效果下降。

2.4 涂膜厚度對涂料隔熱性能的影響（見圖4）

圖4 涂膜厚度對涂料隔熱保溫性能的影響

由圖4可以看出，涂膜厚度對涂料保溫隔熱性能有著較為明顯的影響，尤其是當涂膜厚度從200 μm增加到400 μm時，隔熱溫差從4.7℃增大到9.6℃，但是繼續(xù)增大涂膜厚度后，雖然隔熱溫差也有提升，但提升幅度很小，隔熱保溫效果基本沒有變化。這說明增大涂膜厚度，能有效提高涂料的隔熱保溫性能，但是當涂膜厚度增加到一定程度以后，再繼續(xù)增加涂膜厚度，并不能有效提升涂料的隔熱保溫性能。綜合考慮隔熱保溫效果以及項目施工成本兩方面，本體系選擇400 μm涂膜厚度為最佳涂膜厚度。

2.5 反射隔熱涂料綜合性能測試

通過涂料的基礎配方，以陶氏SR-01純丙乳液作為主體成膜物質(zhì)，金紅石型鈦白粉用量為15%，空心玻璃微珠（VS-5500）用量為12%，涂膜厚度為400 μm時，高性能外墻隔熱反射涂料性能測試結(jié)果如表3所示。

表3 隔熱反射涂料綜合性能測試結(jié)果

3 結(jié)論

通過在制備普通涂料的基礎上，對比了3種不同丙烯酸乳液、鈦白粉用量、空心玻璃微珠用量及涂膜厚度對涂膜隔熱性能的影響。當陶氏SR-01純丙乳液作為主體成膜物質(zhì)，金紅石型鈦白粉用量為15%，空心玻璃微珠（VS-5500）用量為12%，涂膜厚度為400 μm時，制備的反射隔熱涂料太陽光反射率達到0.88，隔熱最大溫差為12.5℃，反射隔熱保溫效果良好。