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徐文，胡劍青，涂偉萍
(華南理工大學(xué)化工與能源學(xué)院，廣州510640)
摘要：利用有機(jī)硅改性丙烯酸酯乳液和含氟乳液為基料，制備耐沾污、具有熱反射和低導(dǎo)熱協(xié)同作用的隔熱涂料。對(duì)成膜物質(zhì)與顏填料進(jìn)行了篩選，結(jié)果表明，當(dāng)硅丙乳液(KD-9)/含氟乳液(THV340C)的質(zhì)量比為90∶10進(jìn)行復(fù)配，選用金紅石型二氧化鈦為顏料，且其體積濃度為25%～35%時(shí)，可以獲得性能優(yōu)異的耐沾污隔熱涂料。
關(guān)鍵詞：耐沾污；熱反射；金紅石型；二氧化鈦；體積濃度
0.引言
我國(guó)建筑節(jié)能的目標(biāo)是，爭(zhēng)取在2010年全國(guó)新建建筑1/3以上能達(dá)到綠色建筑和節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)，全國(guó)城鎮(zhèn)建筑的總耗能要實(shí)現(xiàn)節(jié)能50%，到2020年全社會(huì)建筑節(jié)能達(dá)到65%[1]。目前的建筑用隔熱涂料按其作用機(jī)理可分為三類：阻隔型隔熱涂料、輻射型隔熱涂料及反射型隔熱涂料[2]。太陽是地球的主要熱源，如果能夠有效地降低太陽光產(chǎn)生的熱效應(yīng)，那么必然可以實(shí)現(xiàn)隔熱降溫的目的。太陽熱反射隔熱涂料，因其經(jīng)濟(jì)、使用方便和具有良好的隔熱效果等優(yōu)點(diǎn)而越來越受到人們的青睞。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這種涂料的研究取得了一些成果，但主要以溶劑型涂料為主[3-8]。本研究以硅丙乳液和含氟乳液進(jìn)行復(fù)合，選用金紅石型二氧化鈦為顏料，在特定的工藝及配方條件下制備了性能優(yōu)異的環(huán)境友好耐沾污隔熱涂料。
1.實(shí)驗(yàn)部分
1.1試驗(yàn)原料
硅丙乳液：國(guó)民淀粉公司KD-9；含氟乳液：3M公司THV340C；金紅石型二氧化鈦：杜邦公司R706；碳酸鈣；絹云母；滑石粉；分散劑；消泡劑。
1.2涂料制備
按比例稱取顏填料、樹脂及相應(yīng)溶劑，混合后用高速乳化機(jī)進(jìn)行分散，過濾，包裝。
1.3涂膜性能測(cè)試
1.3.1熱反射率測(cè)試
用配有積分球裝置的紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)測(cè)熱反射涂料的太陽熱反射比，測(cè)定波長(zhǎng)范圍為250～2500nm。日本島津生產(chǎn)的分光光度計(jì)，型號(hào)UV3010。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ASTME903—1996。
1.3.2接觸角測(cè)試
將乳膠膜制成28mm×11mm試樣，采用JC2000A靜態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x，將液滴通過注射器針頭滴在載玻片上，利用量角法讀出接觸角，接觸角測(cè)量范圍為0～180°，室溫操作。每個(gè)樣品分別在5個(gè)不同的位置測(cè)定，接觸角(θ)計(jì)算公式為：θ=2(2h/r)，其中：h為液滴高度；r為液滴寬度。
通過測(cè)量接觸角可計(jì)算出表面張力。
1.3.3X射線光電子能譜測(cè)試(XPS測(cè)試)
采用VGESCALABMKⅡ型光電子能譜儀對(duì)乳膠膜進(jìn)行表面能譜和元素分析。X射線源是Mg的特征Kα射線，能量為125316eV，功率為200W(10kV×20mA)，能量分析器固定透過能為20eV。
1.3.4耐沾污性測(cè)試
耐沾污性測(cè)試參照GB/T9757—2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
1.3.5隔熱效果對(duì)比測(cè)試
在涂料中加入30%的水進(jìn)行稀釋，在馬口鐵片上噴涂3道，涂層厚度約為180μm。其中，馬口鐵片隔熱面積大小為8cm×8cm。測(cè)試用儀器見圖1，測(cè)試箱尺寸為15cm×15cm×15cm。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度為25℃，碘鎢燈功率為150W，恒定電壓為150V，碘鎢燈距離測(cè)試樣板的高度為10cm。
圖1隔熱效果對(duì)比測(cè)試裝置
2.結(jié)果與討論
2.1接觸角及表面性能分析
測(cè)試了水在涂膜表面的接觸角及聚合物表面張力，見表1。
表1水在涂膜表面的接觸角和聚合物表面張力測(cè)試結(jié)果
由表1可見，隨著含氟乳液THV340C用量的增加，涂膜的表面張力降低，水在涂膜上的接觸角增加。當(dāng)硅丙乳液(KD-9)/含氟乳液(THV340C)的質(zhì)量比降低到90∶10時(shí)，即含氟乳液的用量繼續(xù)增大時(shí)，涂膜的表面張力值變化不大，因此本研究選用的成膜物質(zhì)以KD-9/THV340C質(zhì)量比為90∶10的復(fù)配乳液。
2.2復(fù)合乳液膠膜的分析
將m(KD-9)∶m(THV340C)為90∶10的復(fù)配乳液涂膜進(jìn)行X射線光電子能譜(XPS)分析，結(jié)果見圖2，其中(a)、(b)分別為復(fù)配乳液膠膜表層和底層的XPS譜圖。
圖2復(fù)合乳液膠膜表層和底層的XPS圖譜
從圖2可以看出，底層C1s、O1s的峰高在增大，F(xiàn)1s的峰高在減小，在涂膜底面，只有很微弱的F1s信號(hào)，在表層F1s的峰最高。這表明，m(KD-9)∶m(THV340C)為90∶10的復(fù)配乳液膠膜表面上含氟組分富集于膠膜表面層，而底層含有的氟組分非常少。這是由于硅丙乳液和含氟乳液表面張力的差別，導(dǎo)致在成膜過程中，含氟乳液遷移到涂膜的表面，因此膠膜的表面張力降低。
2.3二氧化鈦用量的影響
#p#分頁標(biāo)題#e#僅以金紅石型二氧化鈦為顏料，配制顏料體積濃度(PVC)分別為15%、25%、35%的涂料。將涂料噴涂于馬口鐵片上，進(jìn)行太陽熱反射率測(cè)定，結(jié)果見圖3和表2。
圖3不同PVC涂層的太陽光反射率
表2不同PVC涂層的熱反射率
從圖3和表2中可以看出，當(dāng)PVC較低時(shí)，隨著PVC的增加，熱反射率上升，PVC在25%附近時(shí)，熱反射率達(dá)到最高值7618%；隨著PVC的繼續(xù)增加，熱反射率又出現(xiàn)下降，這是因?yàn)镻VC的增大，會(huì)使顏料粒子發(fā)生聚集，使熱散射的比表面積減少；但是當(dāng)PVC大于45%時(shí)，基料對(duì)顏料粒子的潤(rùn)濕效果減少，空氣會(huì)進(jìn)入涂層，造成空氣與顏料粒子界面之間的散射，所以熱反射率會(huì)稍有升高。
2.4其他填料對(duì)隔熱性能的影響
將金紅石型二氧化鈦的加入量固定為所貢獻(xiàn)的PVC為15%，用輕質(zhì)碳酸鈣、絹云母和滑石粉將涂料體系的PVC調(diào)整至20%、25%、30%和35%，進(jìn)行復(fù)配考察幾種填料用量對(duì)涂料隔熱性能的影響，結(jié)果見圖4。
圖4填料種類及用量對(duì)熱反射率的影響
T—TiO2；T/G—TiO2與碳酸鈣體系；T/Y—TiO2與絹云母體系；T/H—TiO2與滑石粉體系
圖4填料種類及用量對(duì)熱反射率的影響
從圖4可以看出，全部使用金紅石型二氧化鈦的體系熱反射率最高。3種填料中，以碳酸鈣為填料的涂料熱反射率比絹云母和滑石粉高，以絹云母為填料的熱反射率最低。所以補(bǔ)加碳酸鈣填料并控制PVC為30%左右，能使涂料獲得較好的隔熱效果。
2.5涂層隔熱效果比較
利用圖1所示的隔熱效果對(duì)比測(cè)試裝置測(cè)定了涂有不同PVC含量涂料的馬口鐵片。結(jié)果如表3和圖5所示。測(cè)試中對(duì)未采取涂料涂裝的馬口鐵片直接進(jìn)行碘鎢燈照射，測(cè)試得到其背面溫度于40min左右頂部溫度達(dá)62.1℃時(shí)平衡，此時(shí)中部的溫度達(dá)36.3℃。該溫度與夏季太陽光直接照射鐵皮達(dá)到的溫度相仿。
表3碘鎢燈輻照40min平衡后不同PVC涂層的溫度數(shù)據(jù)
可以看出，在顏料體積濃度為25%～35%時(shí)，涂層背面的實(shí)際溫度下降至55～56℃，溫度降低約為7℃。顏料體積濃度為25%時(shí)，測(cè)試箱中部溫度為33.1℃，比未涂裝涂料的鐵片所封蓋的測(cè)試箱中部溫度降低3.2℃。所以顏料的體積濃度為25%～35%，可以制備得到隔熱性能較強(qiáng)的反射涂料。
圖5不同顏料體積濃度涂層的隔熱效果測(cè)試
3.結(jié)語
通過對(duì)以有機(jī)硅改性丙烯酸酯乳液與含氟乳液的復(fù)合乳液為基料，金紅石型二氧化鈦為顏料，輕質(zhì)碳酸鈣為填料配制的涂料研究表明，當(dāng)成膜物質(zhì)硅丙乳液(KD-9)/含氟乳液(THV340C)配比為90∶10、顏料體積濃度在25%～30%時(shí)，可以獲得耐沾污型隔熱涂料，形成的涂層的熱反射率最高達(dá)到76.8%，比未涂裝涂料的馬口鐵表面溫度可降低7℃。
