水性復合型隔熱涂料制備及其性能研究

摘要 近年來，具有隔熱功能的涂料在建筑外墻中投入使用，能有效地降低太陽輻射所造成的房屋表面和內部環境溫度升高幅度。開發隔熱涂料，對節能減排、保護環境、發展低碳經濟和推進可持續發展具有重要意義。該實驗以高反射率金紅石型鈦白粉、低導熱中空玻璃微珠、遠紅外陶瓷粉及六鈦酸鉀晶須為原料，制備具有多種隔熱效果的復合隔熱涂料，通過反射率及導熱系數的測試，優化各顏填料的最佳配方。

關鍵詞 保溫隔熱涂料；復合型；反射率；導熱系數

中圖分類號 TQ637 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）08-0189-03

0 引言

近幾十年來，隨著全球經濟的迅速發展和城市化的建設，城市熱島效應不斷加劇，如何高效地節能減排越來越受到各國政府的重視。尤其在炎熱的夏天，建筑物表面的溫度甚至可以達到70～80 ℃[1]。表面溫度的升高加大了空調等制冷設備的用電量。據統計，建筑物在使用期間，空調等制冷設備對能量的消耗超過了全國總耗能的20%[2]。

隨著國家對建筑節能的重視，節能材料的研究也越來越多。有數據顯示，在家庭住房的外墻表面使用隔熱涂料后，一年可節約2%～5%的能量[3]。因此，開發隔熱節能涂料，降低建筑物室內溫度，減少制冷能耗，對節能環保具有重要意義。根據隔熱機理的差異，現有隔熱涂料大體分為阻隔、反射、輻射型三種。相比于單一隔熱，各種機理的協同作用使涂層具有更好的降溫效果[4]。因此，隨著隔熱和環保的要求，水性、薄層、各種隔熱協調配合的涂料將成為未來的熱點趨勢[5-8]，該實驗針對現有涂料隔熱性能單一，有機溶劑污染環境等問題，旨在制備一種多種隔熱協同作用的水性涂料，該種涂料具有多重隔熱機制，能夠達到更好的降溫效果，以水替代有機溶劑能夠減少溶劑揮發造成的污染，實現節能、環保、降能耗的多種效果。

1 實驗部分

1.1 水性復合隔熱涂料的制備基礎

實驗選用常見純丙乳液為成膜物質，將高反射率的金紅石型鈦白粉、低導熱系數的中空玻璃微珠、高輻射遠紅外陶瓷粉以及六鈦酸鉀晶須，加入常見的分散劑、消泡劑、潤濕劑、成膜助劑等制備復合型隔熱涂料，以反射率和導熱系數為關鍵指標確定各組分的最佳比例。實驗所需儀器如表1。

1.2 水性復合隔熱涂料的制備

原材料稱量完成后，按圖1所示工藝流程制備水性復合隔熱涂料。

將水、PE-100潤濕劑、5040分散劑、SN-612增稠劑、1/4的消泡劑、殺菌劑等助劑高速混合均勻，加入金紅石型鈦白粉和紅外輻射粉，高速攪拌以盡量地消除料漿中的聚集體。將純丙乳液、中空玻璃微珠和六鈦酸鉀晶須緩慢加入，低速攪拌，防止速度過快導致乳液破乳以及中空玻璃微珠破碎，加入剩余的消泡劑以及增稠劑調節稠度，持續攪拌，混合均勻即可。

1.3 涂料隔熱性能的測試

按照JG/T235—2008的標準制作隔熱測溫箱。測試裝置如圖2所示。將樣品在實驗室環境下養護7 d，用碘鎢燈模擬太陽光照射，當樣品溫度穩定時用表面溫度計測試背面平衡溫度，用來對比涂料的隔熱性能。

隔熱保溫箱的制作如下：保溫箱為邊長360 mm的正方體，所用材料厚度為30 mm、導熱系數不超過0.03 W/m·K的XPS板，內部尺寸為300 mm×300 mm×300 mm。將樣品放置在固定位置，在保溫箱的上方開一個孔洞，用表面溫度計連接樣品。碘鎢燈模擬太陽光來照射樣品，通過記錄樣品背面的溫度來評定涂料的隔熱性能。

2 原料選擇及正交實驗確定復合隔熱涂料各組分最佳配比

顏料折光指數越高，反射性能越好，金紅石型鈦白粉折光指數為2.8，在常見顏填料中比較高，因此選用金紅石型鈦白粉做反射型原料。金紅石型鈦白粉的XRD如圖3所示。

圖3是樣品烘干后測得的XRD結果，利用Jade6.0數據庫進行相、晶型結構的分析可知，樣品的主峰與標準金紅石型鈦白粉的峰值對應較好，鈦白粉整體純度較高，適合用于外墻的反射型顏料。

阻隔型材料導熱系數越小，隔熱降溫效果越好。中空玻璃微珠是現有隔熱涂料中較常加入的一種填料，在隔熱涂料中主要起反射和阻隔的雙重作用。中空玻璃微珠不但能夠反射太陽光，將它加入到涂料中時，能夠在涂料中形成一種薄壁微珠構成的空心腔體，能夠很好地阻止熱量的擴散。

中空玻璃微珠為規則的球形結構，通過放大觀察可見其內部為中空結構。中空結構使其具有較低的導熱系數（0.03～0.1 W/m·K）。因此，它能夠有效地阻礙熱量的傳遞。利用微珠制備的隔熱涂料用于外墻隔熱，太陽照射的熱量受到中空微珠的阻隔滯留室外，室內溫度可以得到有效緩解。其結構如圖4所示。

因此，該實驗選用金紅石型鈦白粉和中空玻璃微珠為主要顏填料，同時加入一定量遠紅外陶瓷粉和六鈦酸鉀晶須為輔助填料，利用正交實驗確定涂料較佳配方。實驗采用L9（34）正交實驗。表2為顏填料的因素水平表，表3為正交實驗結果。

正交實驗結果如表3所示，通過方差值R可以看出涂料反射率的影響為A＞C＞B＞D，即在四種顏填料中，金紅石型鈦白粉對反射率的影響最大，六鈦酸鉀晶須次之，紅外陶瓷粉影響最小。實驗結果發現，9組實驗中各組分質量發生較大變化，但反射率變化不明顯。這可能是由于中空玻璃微珠的加入量較多，所占體積較大，導致鈦白粉的變化對反射率影響不明顯。

根據實驗結果中四種顏填料方差值R可以看出涂料導熱系數的影響為B＞C＞D＞A，即中空玻璃微珠起主要作用，其次是六鈦酸鉀晶須，鈦白粉的影響最小，導熱系數越小，涂料的隔熱性能越好。正交實驗中導熱系數最小的是第6組，即A2B3C1D2，但是正交實驗數據并不一定是較佳配比，根據效應曲線可知較佳配比為A2B3C2D3。即金紅石型鈦白粉15 g，中空玻璃微珠23 g，六鈦酸鉀晶須4 g，遠紅外陶瓷粉7 g，按照A2B3C2D3配方，制備三組平行實驗，測得樣品平均導熱系數為0.214 5 W/m·K。

3 復合型、反射型和阻隔型涂料隔熱性能對比

采用自制隔熱性能測試裝置，分別測試正交實驗較佳組A2B3C2D3，單獨添加中空玻璃微珠作為阻隔型涂料，單獨添加金紅石型鈦白粉作為反射型涂料樣品平衡背面溫度，結果如表4。

由表4可知，復合型隔熱涂料表面溫度比反射型低0.9 ℃，比阻隔型低4.7 ℃，隔熱效果更佳，達到了多種隔熱協同作用。

4 結語

針對現有涂料隔熱性能單一、有機溶劑污染環境等問題，制備出一種多種隔熱協同作用的水性涂料。該種涂料具有多重隔熱機制，能夠達到更好的降溫效果，以水替代有機溶劑能夠減少溶劑揮發造成的污染，實現節能、環保、降能耗的多種效果。

通過正交實驗確定各種原料的最佳配比，各原料最佳配比為金紅石型鈦白粉15 g，中空玻璃微珠23 g，六鈦酸鉀晶須4 g，遠紅外陶瓷粉7 g。與單一隔熱機理的中空玻璃微珠制備的阻隔型涂料相比，平衡溫度低4.7 ℃；與單一隔熱機理的金紅石型鈦白粉的反射型涂料相比，平衡溫度低0.9 ℃。復合型隔熱涂料達到了多種隔熱機理復合的效果，復合后的涂料具有更好的降溫效果。

參考文獻

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