水性隔热保温材料改性及性能分析_韩春媛.pdf

试试试试试试试试试试试试试试试试试试验验验验验验验验验验验验验验验验验验研研研研研研研研研研研研研研研研研研究究究究究究究究究究究究究究究究究究文章编号:1009-9441(2023)01-0001-05水性隔热保温材料改性及性能分析 韩春媛(山西职业技术学院,山西 太原 030006)摘 要:通过分析水性隔热保温材料隔热机理和隔热保温层结构,以水性丙烯酸树脂为成膜物质,采用两步法制备反射和阻隔涂层涂料。结合涂层系统的性能测试结果得出涂层材料中 TiO2和空心骨球的最佳浓度。利用空心微孔结构的隔热性能和 TiO2的反射性能,通过凝胶法制备 TiO2空心骨球改性涂层,实现水性隔热保温材料的改性制备。关键词:水性成膜;TiO2;隔热保温;改性中图分类号:TU 551 文献标识码:A引言面对日益加重的温室效应,通常需要工业空调等制冷手段来进行环境温度的调节,这就增加了能源的消耗,随着“双碳经济”的出台,要在 2035 年实现碳达峰,就需要从材料入手,开发应用于工业建筑外墙、输送管路和居民楼的水性隔热保温材料,减小高温辐射带来的能量损失,减少制冷设备的使用。传统的有机溶剂基涂料在混合搅拌和涂刷过程中,往往会挥发出有害物质,水性隔热保温涂层通过调配组分可以避免溶剂挥发,已成为现今应用的主流。然而在替代的过程中,如何保证涂料、涂层及隔热材料的有机结合,实现耐水性、耐腐蚀和耐用性能等方面的功能,更多的取决于辅助系统的研制。1 水性隔热保温材料隔热机理1.1 水性隔热保温材料水性隔热保温材料结构由纳、微和宏结构组成,通常采用纳米成膜物质、微观的空心结构以及宏观屏蔽材料构成的复合型材料,相比传统单一保温棉,其保温性能卓越,隔热效率达到 90%以上,纳米涂层材料由于配置方法不同而有所不同,空心结构一般为 SiO2珠,也多采用活性炭等多孔结构。1.2 水性隔热保温材料施工工艺传统保温板工程需要在基层墙体上先做找平层,粘接砂浆做外墙防水保温板,加之膨胀加固锚栓固定,在保温板外侧铺设耐碱玻纤网格布做罩面抗裂砂浆,最后做最外层柔性防水腻子,外饰面刷乳胶漆进行隔热保温层施工,如图 1 所示。而对于水性隔热保温工程而言,只需要在基层墙体设置找平层,通过预制的水性隔热保温层即可完成,通过反射涂层装饰实现阳光的吸收与反射,大大减少了施工工序,如图 2 所示。图 1 传统保温板工程工艺图图 2 水性隔热保温材料施工工艺1.3 水性隔热保温层隔热保温原理水性隔热保温材料通过利用表层的太阳能反射,将太阳能的热量直接反射回去,减少直射,并通过设置隔热材料将热量传递阻止和减弱。相较于传统的均质材料隔热保温,水性隔热保温材料通过设置封闭层、隔热层以及反射层可实现 90%的热量阻隔,更有利于达到绿色环保的要求。2 水性隔热保温材料的制备水性隔热保温涂料的制备以树脂乳液为基础,1建材技术与应用 1/2023DOI:10.13923/14-1291/tu.2023.01.011以纳米材料或空心微珠等为骨架,以水为溶剂,经过高速搅拌等工艺合成,制备的工艺主要分两步,如图 3 和图 4 所示。图 3 反射隔热涂料制备图 4 阻隔隔热涂料制备2.1 消泡剂的选择水性成膜物质基体和填料是采用活性较大的成分来实现均匀分散,在制备的过程中,通常会伴有高速搅拌,液体搅拌将产生大量的气泡,电荷相互作用会引起涂料成分分布不均匀,粘度较高,产生大量的包裹气泡,若无法排出将导致涂层存在气孔。通过对比几种消泡剂的消泡效果见表 1。拟选择有机硅消泡剂 702W,通过试验测试不同含量消泡剂的消泡效果,选定质量分数为 0.49%。表 1 消泡剂成分效果分析类别聚合物型消泡剂有机硅消泡剂矿物油消泡剂有机硅消泡剂型号byk011byk028byk035702W水性体系相容性 涂层有针孔 涂层有雾影大量缩孔没有肉眼可见缺陷2.2 分散剂的选择在制作水性隔热保温材料中,颜填料的分散性将影响涂层表面质量的好坏,涂层颜色均匀、成分分布一致可防止浮色和发花等现象;涂层分布不一致将直接降低材料的力学性能、耐用性能和光反射率。通过在分散剂中增加活性成分将使填料离子之间形成静电相斥的作用力,防止粒子聚集,达到分散作用。选择以铵盐为主要成分的几种分散剂进行对比,最终确定钛白粉浆液的原料比例为水 分散剂 钛白粉=91.0521。2.3 反射涂料以及反射涂层反射涂层填料作为基底,选择 Dupont 公司的R960 型钛白粉,按照表 2 的比例混合分散剂和消泡剂,随后进行打散搅拌,转速为 600 rmin-1,间隔1 h 不断重复加入钛白粉,直至得到钛白粉颜料分散剂,细度控制在 30 m 以下。同样的方法将消泡剂和丙烯酸乳液进行混合,等待完全混合后,加入钛白粉颜料分散剂、阿拉丁试剂醇酯十二成膜剂、艾迪科 HEUR 稠化剂,中速 400 rmin-1搅拌 1 h,放置30 min,制备得到钛白粉反射涂料。表 2 反射隔热涂层配方原料水丙烯酸乳液钛白粉分散剂消泡剂增稠剂助成膜剂含量/wt%18.219.2366512.242.00.62.50.20.30.352.12.5 在制备反射涂层的过程中,根据粉体体积占据树脂体积百分比(PVC)的大小判断涂料的反射效果。在反射隔热涂料中,填料的折射率与成膜物质折射率成反比,涂料反射率及隔热效果随 PVC 的增大而变强。当 PVC 值大于填料刚好被成膜物质包裹时的 PVC 值时,填料将独立暴露,成膜过程中断,引起各项性能的缺陷。2.4 阻隔填料及涂料阻隔填料经常采用空心结构,塑料泡沫在高温下将发生变质反应,活性炭等具有多孔结构的物质具有很强的吸附作用,会导致涂料的大面积吸附从而降低表面隔热涂层的利用率,拟采用中 3 M 公司VS5500 空心 SiO2珠作为基材,配合比见表 3。制备过程 与 反 射 涂 层 类 似,区 别 在 于 搅 拌 速 度 2Research&Application of Building Materials400 r min-1,防止 SiO2空心珠相互碰撞导致碎裂,降低隔热效果。表 3 空心骨珠阻隔隔热涂料配方原料水丙烯酸乳液钛白粉分散剂消泡剂增稠剂助成膜剂含量/wt%18.525.042.061.915.527.01.62.90.20.20.42.63 性能测试基本性能测试见表 4,耐候性测试见表 5。按照 HG/T 43412012金属表面用热反射隔热涂料中的测试方法进行隔热温差试验,自制测试装置如图 5 所示。采用泡沫材料搭建试验装置,尺寸为 400 mm300 mm300 mm,壁厚为 30 mm。中间采用隔板进行分割,彼此独立的两个腔体上方留有 120 mm60 mm 的缺口,放置待测样板。正上方放置红外发光源,功率为 250 W,距离为 30 mm。试件分为涂覆试件以及空白试件,采用传热较好的喷砂钢板进行测试,待验证涂覆试件双面做底漆,面漆采用涂层涂覆。试验时间为 10 min,记录稳定后的温度,将两者的差值作为隔热温差。表 4 基本性能测试标准及试件规格测试名称弯曲试验、耐碰撞试验铅笔硬度光亮度测试标准名称HG/T 43412012金属表面用热反射隔热涂料GB/T 67392006色漆和清漆 铅笔法测定漆膜硬度GB/T 97542007色漆和清漆 不含金属颜料的色漆漆膜的 20、60和 85镜面光泽的测定试件规格120 mm50 mm0.5 mm(隔热涂层涂覆铁板)隔热涂层涂覆铁板5 mm 石英板测试目的测试涂层的力学性能测试涂层的可靠性涂层的折射率、反射率表 5 耐候性能标准及试件规格测试名称耐中性盐雾性能测试标准 GB/T 17712007色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定测试条件设置试验温度为起雾点 35,调整试验主盐成分浓度,起雾速率试件规格 150 mm70 mm3 mm 的喷砂钢板(防腐底漆和隔热层)测试目的 模拟雨雪刮风环境,测试涂层的耐用性图 5 自制隔热温差测试装置示意4 结果分析4.1 基本力学性能不同 PVC 下反射涂层的力学性能和光泽度见表 6。由表 6 可知,涂层的光反射率和力学性能呈现反比,较高的 TiO2会导致涂层力学性能降低,在满足弯曲强度和冲击强度的要求下,占比 PVC 值的增加会导致涂层结合力降低。铅笔硬度试验中,呈现先增大后降低的趋势。当 PVC 从 10%增大到50%时,铅笔硬度从 2H 降低到 F,表明此时钛白粉含量过高,树脂无法完全包覆 TiO2颗粒,造成分散剂作用不足,无法实现涂膜均匀连续,导致铅笔硬度降低,同时,钛白粉含量的增加,未涂覆 TiO2颗粒会降低涂层的光泽度,影响涂层的光折射率。表 6 不同 PVC 下反射涂层的力学性能和光泽度PVC/%铅笔硬度弯曲强度/mm碰撞强度/cm光亮度10F25061.0202H25036.5302H25026.8402H2509.550F2508.54.2 防腐性能和耐候性能对涂层试样做 4 种耐候试验:72 h 耐水试验、100 h 耐酸碱试验、720 h 耐盐雾试验和 800 h 耐人工加速老化试验,结果见表 7。涂层通过耐水试验,在耐酸碱性试验中,PVC 为 10%与 50%的试件均未通过检验,在占比达到 25%左右时,样件未发生起泡和局部开裂;在耐盐雾试验中,PVC 为 10%和40%的试样起泡,当 PVC 为 50%时,则产生样品局部起落,涂层变软;在耐老化试验中,PVC 为 40%的试样起泡,PVC 为 50%的试样出现脱落。表 7 不同 PVC 下反射涂层的防腐性能和耐候性能PVC/%耐水性耐酸性耐碱性耐腐蚀性 耐老化性性能衰减差1048 h边缘起泡开裂边缘起泡开裂大量起泡800 h0.902048 h168 h168 h720 h800 h1.603048 h168 h168 h720 h800 h1.304048 h168 h168 h起泡轻微起泡1.505048 h起泡开裂 起泡开裂脱落大量脱落1.453建材技术与应用 1/20234.3 涂层隔热温差性能随着占比 PVC 的增加,涂层在可见光和近红外波段的发射率增加,如图 6 所示,4001 250 nm 波段的反射率变化较明显。TiO2会吸收波长400 nm的紫外光波段,使得反射率降低,同时紫外线存在将增加成膜物质树脂的反应从而增强抗老化能力。通过调整水性隔热涂层的成分可以实现不同波段的吸收,其中丙烯酸树脂对于 1 7002 300 nm 波段有很好的吸收作用。其余的均与水分、TiO2以及离子等有关。当 PVC 为 50%时,太阳反射比和近红外反射比高达 93.5%以及 93%。通过试验分析,涂层厚度一致,对太阳光的反射能力随着钛白粉含量(PVC)的增大而变强。图 6 反射涂层在不同 PVC 下的反射光谱5 水性隔热保温材料改进及性能研究由上述试验得知,当涂层厚度无法增加的时候,仅仅凭借增加隔热填料的方式存在阈值。如当填料占比 PVC 达到饱和占比 CPVC 时,无法通过提高占比来增加隔热性能,因而采用多种隔热机理相互协调作用来提高隔热性能是常采用的方法。在耐候性试验中,单一空心微珠层的性能较差,需要对其进行改性,拟通过引入复合层来改善这种困境。具体方法是基于之前制备涂层的基础,在 PVC 占比不同的空心骨珠表面包覆一层占比为 31%的钛白粉反射涂层。5.1 改性空心微珠原理骨珠由于其内部结构为空心,具有阻隔热传递的能力,具有较低的传导率,但是空心结构在制备过程中存在不稳定性,如大直径影响反射率,疏水性能导致表面与乳液无法最佳融合,极大地降低了隔热能力。在制备过程中将空心骨珠进行 TiO2包覆改性,利用其高反射率以及包覆后强度增加的性能来增加隔热保温与反射作用,同时由于 TiO2的包覆增加了与成膜物质之间的相互兼容性。在制备改性材料的过程中,通过探究最佳包覆浓度达到隔热性能的进一步提升。浓度的不适将导致包覆效果降低,过低的浓度将无法保证包覆完全,过高的浓度将产生 TiO2聚集沉积层变厚,从而在空心骨球表面形成颗粒物。5.2 改性空心骨珠制备为保证空心骨珠包覆 TiO2的效果,采用溶胶