彩色隔熱節(jié)能卷材功能涂料的開發(fā)與研制

1、彩色隔熱節(jié)能卷材功能涂料的開發(fā)與研制     論文關(guān)鍵詞：彩板卷材隔熱節(jié)能彩色隔熱涂料 論文摘要：彩板卷材，在建筑市場上越來越受到歡迎。然而，由于傳統(tǒng)彩色涂層吸受、傳導(dǎo)陽光的輻射熱，使建筑彩板卷材在推廣應(yīng)用中遇到尷尬的難題。設(shè)計(jì)部門與建筑商不得不采取各種隔熱措施加以解決，既增加建筑成本，又費(fèi)工費(fèi)力費(fèi)時，增工程造價。本文就是針對這一技術(shù)難題，采用復(fù)合納米材料改性傳統(tǒng)聚合物和傳統(tǒng)顏料，開發(fā)研制出彩色隔熱節(jié)能新型建筑彩板卷材功能涂料，為建筑材料市場添增了新型高效節(jié)能產(chǎn)品。 1  前言 目前，市場上已有人研制出自干修補(bǔ)漆類隔熱涂料，例如日本專

2、利號為JP98-120946公開的一種外觀深色的紅外光反射涂料、德國專利號為DE19501114公開的紅外反射涂料、中國專申請公開號為CN1434063A介紹的熱反射隔熱涂料等1-4，都是以白色為主的涂料產(chǎn)品，一旦賦予涂層以顏色，就會改變太陽光反射隔熱功能的作用。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的彩色涂料涂層，置于陽光下吸熱、導(dǎo)熱、放熱，是由于涂層中的顏料(尤其是深色顏料)帶有發(fā)色基團(tuán)，而這些發(fā)色基團(tuán)一般都具有吸光蓄能的作用，即吸收紅外線能量并轉(zhuǎn)化為熱能的結(jié)果。 本研究制備了一種在工藝溫度下可以快速干燥的適用于工廠涂裝的彩色隔熱節(jié)能卷材功能涂料。通過采用稀土納米材料改性傳統(tǒng)聚合物樹脂，賦予了透明成膜物吸收紅外及紫

3、外線的特異功能；用半導(dǎo)體納米材料改性傳統(tǒng)的著色顏料，賦予了彩色涂層具有強(qiáng)烈的反射紅外線與紫外線的功能；涂料組分中添加功能性隔熱填料，賦予了涂層“保溫瓶式”的隔熱效應(yīng)；同時也賦予了彩色與透明涂層其它多種功能特性，如阻燃性、耐高溫、超耐侯、高效防腐蝕、軍事偽裝性等功能。 2  實(shí)驗(yàn)部分 2.1 功能性樹脂的制備 2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料 Z-390聚酯樹脂(無錫阿克力化工有公司)；稀土納米Ce-ATO復(fù)合改性劑(北京科技大學(xué)廣東研究院提供)。 聚醚二元醇(相對分子質(zhì)量2000)、二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)均為國工業(yè)品，丁酮、丁二酮肟均為分析純試劑。 2.1.2

4、 制備方法 (1)稀土納米改性聚酯的制備 用稀土納米Ce-ATO復(fù)合改性劑對Z-390聚酯樹脂進(jìn)行物理改性。按一定配比將納米復(fù)合改性劑和聚酯樹脂混合均勻后，加入到LBM-T2實(shí)驗(yàn)室籃式砂磨機(jī)中研磨，用200目篩網(wǎng)過濾備用?；炫浔壤秊椋杭{米改性劑聚酯樹脂8129288(wt)。 (2)封閉型聚氨酯潛固化劑的合成 聚醚二元醇與MDI預(yù)聚體的合成：準(zhǔn)確稱取經(jīng)過脫水處理的聚醚二元醇 30g裝入配有溫度計(jì)、攪拌器、冷凝器、已加入7.5g MDI的250mL的四口燒瓶中，加入適量丁酮溶劑。升溫到80持續(xù)反應(yīng)3.5h，得到透明聚醚型異氰酸酯預(yù)聚體。 潛固化劑的合成：稱取25g自

5、制的預(yù)聚體，加入裝有溫度計(jì)、攪拌器和冷凝器的250mL的四口燒瓶中，按照封閉劑中活潑H與預(yù)聚體中-NCO的摩爾比為1.2，計(jì)算出要加入的封閉劑丁二酮肟的量，以適量丁酮溶劑將其溶解后轉(zhuǎn)入到50mL滴液漏斗中，在攪拌下滴加封閉劑，同時控制體系溫度不超過40，滴加速度為1mL/min，持續(xù)時間20min。封閉劑滴加完畢后保溫反應(yīng)30min，再升溫到80持續(xù)反應(yīng)23.5h，得到封閉型聚氨酯潛固化劑。 2.2 功能性復(fù)合色漿的配制(以藍(lán)色為例) 2.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備 2000mL燒杯電子秤；LBM-T1型可調(diào)速變頻攪拌分散機(jī)、LBM-T2實(shí)驗(yàn)室籃式砂磨機(jī)(廣東東莞郎機(jī)械有限公司)。 2.2.2實(shí)

6、驗(yàn)材料 稀土納米Y-ITO復(fù)合改性劑(北京科技大學(xué)廣東研究院提供)；酞青藍(lán)(市售)；酞青綠(市售)；R-960鈦白粉(杜邦)；顏料大紅(市售)；氧化鐵紅(市售)；氧化鐵黑(市售)；耐曬黃(市售)；聚乙烯醇(PVA)/(市售)；NK-1超分散劑(浙江德清寶維納米材料有限公司)；JF-134陽離子氟表面活性劑和F-006兩性氟表面活性劑(武漢市金富科技發(fā)展有限公司出品)； NDZ-311(油性)鈦酸酯偶聯(lián)劑(南京曙光化工集團(tuán)出品)；丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)/(化學(xué)純試劑)；AC1261丙烯酸樹脂(佛山市高明同德化工有限公司出品)。 2.2.3 制備過程 用帶刻度的2000mL

7、玻璃燒杯量取635mL去離子水，加入100g AC1261樹脂，在攪拌分散機(jī)上分散均勻后，移至電加熱爐上邊攪拌邊緩慢加入，控制溫度不超過90，直至全部溶解后冷卻至常溫，向內(nèi)加入NK-1超分散劑和JF-134陽離子氟表面活性劑各7.5g、10g NDZ-311W鈦酸酯偶聯(lián)劑，再稱量200g酞青藍(lán)色粉加入燒杯中，然后再移至LBM-T1型高速分散機(jī)上分散至肉眼不見顆粒為止，使用LBM-T2實(shí)驗(yàn)室籃式砂磨機(jī)，開啟冷卻水閥，將機(jī)速調(diào)到1016m/s，反復(fù)循環(huán)研磨至漿料粒徑細(xì)度達(dá)到5µm左右，再加入250g  稀土納米Y-ITO復(fù)合改性劑分散液，分散均勻后

8、在砂磨機(jī)上混合研磨15min出料，過濾、包裝，即得到固含量約40%的納米稀土改性復(fù)合功能藍(lán)色漿，備用。 2.3 彩色隔熱功能涂料的制造(以灰色為例) 2.3.1 材料與設(shè)備 (Al2O2)nx-NMP納米改性劑(北京科技大學(xué)廣東研究院提供)；S-150芳烴溶劑、涂料助劑、PMA/DBE等(市售)；電子秤、2000mL塑料燒杯；LBM-T1型可調(diào)速變頻攪拌分散機(jī)、LBM-T2實(shí)驗(yàn)室籃式砂磨機(jī)(東莞郎力機(jī)械有限公司)；200目濾篩。 2.3.2 配方設(shè)計(jì) 本隔熱彩色卷材涂料是由稀土納米改性聚酯(自制)、納米改性復(fù)合色漿、納米改性劑和其他涂料助劑等材料組成的。配方設(shè)計(jì)見

9、表1所示。 表1  納米材料改性彩色卷材涂料基礎(chǔ)配方 原  材  料重量份，wt駝灰海藍(lán)S-150芳烴溶劑稀土納米改性聚酯封閉型聚氨酯潛固化劑涂料助劑*(Al2O2)nx-NMP納米改性劑*PMA/DBE(混合比=41)8.012.050.055.0-20.025.02.03.05.08.08.012.040.050.015.025.020.025.01.02.05.08.0* 涂料助劑包括: 分散劑、防沉劑、消泡劑、流變劑等；* 無需與其它組分一起研磨，后添加分散均勻即可。 2.3.3 制備工藝 用電子秤按配方配

10、比(樹脂、溶劑、助劑及其他功能性隔熱填料等組份)稱量，置于LBM-T1型可調(diào)速變頻攪拌分散機(jī)，先在低剪切速度下邊投料邊攪拌，投料完畢后再分散20min，上LBM-T2實(shí)驗(yàn)室籃式砂磨機(jī)上研磨至要求細(xì)度，用200目篩網(wǎng)過濾，包裝成品。 3  結(jié)果與討論 3.1 性能測試 參照彩色涂料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3830-2006卷材涂料中的技術(shù)指標(biāo)，采用BK06-3電腦監(jiān)控多點(diǎn)溫度在線自動記錄測試系統(tǒng)測試涂層隔熱效果。 3.1.1 涂層的太陽光紅外線反射實(shí)驗(yàn)5 (1)檢測依據(jù)：參照GB/T2680-94建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比

11、、紫外線透射比及有關(guān)窗玻璃參數(shù)的測定。 (2)檢測設(shè)備：U-4100紫外、可見、近紅外分光光度計(jì)(BEELC01)；AE型輻射率測定儀(BEELC02)。 (3)檢測條件：光源類別紫外區(qū)，氘燈；可見光和近紅外光區(qū)，50W鹵鎢燈。 光譜透射比測定中，采用垂直照明和垂直探測的幾何條件，表示為垂直/垂直；光譜反射比測定中，采用5°角照明和5°角探測的幾何條件，表示為5°/5°。 (4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：做反射率對光波長的曲線，詳見圖1。   圖1  涂層對太陽光反射率曲線 Fig.1 Paint on

12、0;solar reflectance curve 從圖1中可以看出，無論是何種光源，彩色隔熱涂料都有一定的隔熱作用，條件不同，隔熱作用也有差別；對涂層做半球輻射率測試，結(jié)果見表2。 表2  光直接反射比和半球輻射率測試 檢測項(xiàng)目檢測結(jié)果備  注半球輻射率(%)0.88大氣質(zhì)量為2太陽光直接反射率(%)71.983.1.2 涂層隔熱降溫效果試驗(yàn) 采用對比試驗(yàn)方法，采用BK06-3型電腦監(jiān)控多點(diǎn)溫度在線自動記錄測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2、圖3所示：   圖2  灰色樣板室外日光測試溫度曲線 Fi

13、g.2 Test curve of the gray model for outdoor daylight   圖3  灰色樣板室內(nèi)模擬日光測試溫度曲線 Fig.3 Test curve of the gray model for indoor daylight 從圖2、圖3中可以看出，彩色涂料的隔熱降溫的節(jié)能效果十分顯著，戶外日光測試中，溫度最大降低4.7；室內(nèi)模擬日光測試，

14、溫度平均可降低20。 3.1.3涂層隔熱機(jī)理 解析隔熱涂層的隔熱機(jī)理，在彩色隔熱涂料研究設(shè)計(jì)上，我們設(shè)置了三道屏蔽陽光熱輻射的防線：      第一道防線在漆膜表面。由于傳統(tǒng)的高分子聚合物成膜材料經(jīng)納米稀土復(fù)合改性劑(Ce-ATO)改性后，表面漆膜對陽光中波長為6.0400m遠(yuǎn)紅外線具有強(qiáng)烈的吸收效應(yīng)，吸收率達(dá)到了80%左右。被吸收的紅外線能量激發(fā)了稀土納米粒子的熒光態(tài)效應(yīng)，致使紅外線能量低耗，無法轉(zhuǎn)化為熱能。同時，在研究中發(fā)現(xiàn)了另一種現(xiàn)象，即受激發(fā)態(tài)的納米稀土復(fù)合材料的熒光強(qiáng)度受納米粒徑的影響，隨著粒徑的減小而下降，吸收強(qiáng)度卻更加強(qiáng)烈。這種效應(yīng)正是我們

15、所希望和需要的。 第二道防線在發(fā)出色彩的顏料表面。用納米稀土復(fù)合改性劑(Y-ITO)改性傳統(tǒng)的有機(jī)或無機(jī)顏料，其改性機(jī)理是通過化學(xué)-機(jī)械制程法利用機(jī)械能先將納米稀土復(fù)合粉體材料研磨分散恢復(fù)至納米尺度，然后通過小分子型超分散劑的吸附作用將納米粒子包覆起來，起到阻隔團(tuán)聚的作用。當(dāng)將制備好的納米稀土復(fù)合改性劑(Y-ITO分散液)加入到顏料色漿中對顏料粒子進(jìn)行改性時，在范德華力的作用下，納米微粒子被緊密地吸附在顏料粒子表面，形成了對顏料粒子的包膜態(tài)勢。而包覆在顏料粒子表面的納米稀土復(fù)合(Y-ITO)粒子對陽光中波長為0.756.0m之間的紅外線具有極強(qiáng)的反射效應(yīng)，因此也就屏蔽了傳統(tǒng)顏料粒子對紅外線吸收

16、和放熱作用。這一道防線的屏蔽率大約可以阻擋80%左右的近、中紅外線。 第三道防線則是利用了“暖水瓶隔熱原理”，在填料中選用了中空玻璃微珠功能材料。即使前兩道防線不能完全屏蔽陽光的熱輻射，第三道防線則隔絕了熱對流和熱傳導(dǎo)作用。因此，使本研究的彩色或透明隔熱涂層具有及其優(yōu)異的屏蔽陽光熱輻射，阻隔熱傳導(dǎo)效應(yīng)。 3.2 彩色隔熱卷材涂料物理機(jī)械性能測試 (1)檢測依據(jù)：參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB/T3830-2006卷材涂料中的面漆產(chǎn)品技術(shù)要求。 (2)檢測設(shè)備：ISO 6#流出杯，刮板細(xì)度計(jì)，漆膜沖擊器，漆膜劃格器，杯突試驗(yàn)機(jī)，擺桿硬度計(jì)，60°鏡面光澤度計(jì)，QUV/Basic加

17、速老化試驗(yàn)機(jī)，全自動測色色差計(jì)，烘箱等。 納米改性彩色卷材涂料的物理機(jī)械性能詳見表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，本彩色隔熱涂料達(dá)到了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB/T3830-2006卷材涂料中的面漆產(chǎn)品技術(shù)要求。這些功效是由于材料內(nèi)部納米改性聚合物的作用，同時能明顯的改善材料耐候性而達(dá)到預(yù)期效果。 表3  納米材料改性彩色卷材涂料物理機(jī)械性能 項(xiàng)     目測試結(jié)果檢 驗(yàn) 方 法密度,g/cm3細(xì)度,µm粘度(涂-4杯),s涂膜外觀涂層厚度,µm光澤(60º),%T彎試驗(yàn)杯突試驗(yàn),mm耐MEK擦拭,次反向沖擊性,J鉛筆硬度耐濕熱性(

18、50,相對濕度95%,500h)人工加速老化試驗(yàn)(2000h)0.81.0152080120平整光滑2535302810096H1級失光一級變色二級GB/T 1725-89GB/T 1724-89GB/T 1723-93GB/T 9761-88GB/T 9754-88GB/T12754-91GB/T 9753-88NCCA -18ASTM D1794-93GB/T 6739-96GB/T 1740-79GB/T 1965-97注：#與涂膜的光澤有關(guān)；試驗(yàn)鋼板厚度0.75mm。 4 結(jié)語 彩色隔熱卷材涂料與普通卷材涂料比較，有以下特點(diǎn)： (1)通過熱反射和熱屏蔽的阻隔作用，達(dá)到最佳隔熱效果。經(jīng)試驗(yàn)證明，在炎熱的夏季，用彩色隔熱節(jié)能卷材功能