（应用化学专业论文）复合型保温隔热涂料的制备及性能研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教n i ： 复合型保温隔热涂料的制备及性能研究 应用化学 ：f r t 璐( 签名) 垂垄丝 蔡会武( 签名)鏊全亟： 摘要 本文用单体预乳化法制备苯丙乳液，研究了各因素对乳液聚合过程和乳液性能的影 响，优化了聚合工艺条件。以苯丙乳液为基料，选择骨料、矿物棉和填料，制备了反射与 阻隔机理并存的复合型保温隔热涂料，用正交法和单因素法分析了各因素对涂料热反射 率和导热系数的影响，确定了最优配方，并测试了产品性能。对脉冲平面热源法测定涂 料导热系数以) 的计算方法进行了改进，将o r i g i n 和e x c e l 结合起来实现了对五的求算。 苯丙乳液最佳聚合工艺条件为：预乳化阶段单体滴加时间l 1 5 h ，聚合阶段控温在 8 6 ，滴加预乳化液、引发剂和缓冲剂时间3 , - - 4 h ，再在9 0 反应1 5 , - - 2 h 。最佳配方： 苯乙烯丙烯酸丁酯( 质量l g ) = o 8 1 1 l ，乳化剂由十二烷基硫酸钠( s d s ) 和聚氧乙烯辛 基酚醚( o p 1 0 ) 按1 ：4 复合而成，用量为单体总量的2 5 ；5 聚乙烯醇( p v a ) 水溶液为 保护胶体，用量为单体总量的2 q ；n a h c 0 3 ( 浓度1 2 ) 为缓冲剂，用量为单体总量 的0 6 加8 。所制乳液固含量4 9 0 士0 5 ，粘度2 5 4 6 - , 3 4 7 2 p a s ，平均剪切粘结强度 6 6 0 k p a ，钙离子稳定性良好，成膜性好。 以苯丙乳液为基料，选择膨胀珍珠岩和海泡石为隔热骨料，硅酸铝纤维为矿物棉， 同时添加复合钛白粉和空心玻珠，制备了复合型保温隔热涂料。正交极差分析得到影响热 反射率的权重顺序为：硅酸铝纤维 空心玻珠 复合钛白粉 膨胀珍珠岩 海泡石粉，影响 导热系数的权重顺序为：硅酸铝纤维 膨胀珍珠岩 空心玻珠 海泡石粉 复合钛白粉。进 一步用单因素法优化得到的最佳配方为：乳液5 0 9 、水4 5 9 和各种助剂6 9 ，硅酸铝纤维 7 9 ，膨胀珍珠岩3 9 ，空心玻珠1 0 9 ，复合钛白粉1 5 9 ，绢云母粉1 8 9 。 产品的剪切粘结强度平均为6 5 8 k p a ，经高温处理后可提高到1 0 2 6 k p a ，粘度为 2 1 2 3 - 4 0 5 9 p a s ，铅笔硬度为9 h ，附着力等级为1 2 级，耐酸碱、耐盐水性好，涂层在 可见光波段的反射比在7 6 以上，涂料产品导热系数为0 0 5 7 - 4 ) 0 7 2 w ( m k ) ，热重分析 ( t g ) 显示产品热稳定性高，在3 0 0 前热损失仅为1 。扫描电镜( s e m ) 显示产品涂层表 面致密，内部具有疏松结构，保温隔热防水性能优异，可应用在众多领域。 用脉冲平面热源法测定产品的导热系数，以o r i g i n 7 0 拟合曲线并将表达式输入 e x c e l 计算程序，可同时实现导热系数a 、导温系数a 和比热容c 的求算。 关键词：保温隔热涂料；热反射率；导热系数；脉冲平面热源法 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：s t u d yo np r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so fc o m p o s i t et h e r m a l i n s u l a t i o nc o a t i n g s p e c i a l t y ：a p p l i e dc h e m i s t r y n a m e ：w a n gj i n l u i n s t r u c t o r ：c a ih u i w u ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e )丝i 丝丝z 心日 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , s t y r e n e - a c r y l i cc o p o l y m e r - e m u l s i o nw a sp r e p a r e db yt h em o n o m e r p r e - e m u l s i o nm e t h o d ，t h ei n f l u e n c e so fv a r i o u sp a r a m e t e r so np o l y m e r i z a t i o na n de m u l s i o n p r o p e r t i e s w e r e i n v e s t i g a t e d ，a n d t h e p o l y m e r i z a t i o n c o n d i t i o nw a s o p t i m i z e d t h e a g g r e g a t e s ，m i n e r a lw o o la n df i l l e r sw e r es e l e c t e d t h ec o m p o s i t et h e r m a li n s u l a t i o nc o a t i n g w h i c hb a s e do nm e c h a n i s mo fr e f e c t i o na n do b s t r u c t i n gw a sp r e p a r e dw i t hs t y r e n e a c r y l i c e m u l s i o na s b a s i cm a t e r i a l a n dt h ee f f e c t so fe a c hf a c t o ro nh e a tr e f l e c t i v i t ya n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t yw e r ea n a l y z e d 、析t 1 1o r t h o g o n a lm e t h o da n ds i n g l e f a c t o rm e t h o d t h eo p t i m a l f o r m u l aw a sd e t e r m i n e da n dt h ep r o d u c tp e r f o r m a n c e sw e r et e s t e d t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y q ) w a sm e a s u r e dw i t hp u l s ep l a n eh e a ts o u r c em e t h o d ，a n daw a sc a l c u l a t e d ，u s i n go r i g i n c o m b i n e dw i t he x c e l t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rs t y r e n e a c r y l i cp o l y m e r i z i n gw e r ea sf o l l o w s ：t h et i m ef o r a d d i n gm o n o m e r sp r e - e m u l s i o nw a s1 1 5 h t h et e m p e r a t u r ew a sh e l da t8 6 d u r i n gt h e p o l y m e r i z a t i o n ，b yd r o p i n gp r e - e m u l s i o n ，i n i t i a t o ra n db u f f e rf o r3 - 4 h ，t h e ni tw a sk e p tf o r 1 5 - 2 ha t9 0 t h eo p t i m a lf o r m u l a ( b a s e do nm o n o m e rm a s s lo fe m u l s i o nw a sa s f o l l o w s ：s t y r e n e ：b u t y la c r y l a t ee q u a l e do 8 1 - - 1 1 ，t h ed o s a g e so fs d s o p 一1 0 ( 1 ：4 ) c o m p l e x e m u l s i f i e rw a s2 5 5 p v aa sap r o t e c t i o nc o l l o i dw a s2 - - - 4 , n a h c 0 3 ( 12 ) a sab u f f e r w a s0 6 - 4 ) 8 t h ep e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o n so ft h es t y r e n e - a c r y l i ce m u l s i o nw e r e ：s o l i d c o n m i n i n g ，4 9 0 士0 5 ，v i s c i d i t y , 2 5 4 6 3 4 7 2 p a 。s ，a v e r a g e s h e a rb o n d s 仃e n g t h ，6 6 0 k p a ，t h e c a l c i u mi o ns t a b i l i t ya n df i l mf o r m i n ga b i l i t yw e r ea l lg o o d t h ec o m p o s i t et h e r m a li n s u l a t i o nc o a t i n gw a sp r e p a r e dw i t hs t y r e n e a c r y l i ce m u l s i o na s b a s i cm a t e r i a l ，w h i l ee x p a n d e dp e r l i t ea n ds e p i o l i t ea st h ea g g r e g a t e s ，a l u m i n o s i l i c a t ef i b e r sa s t h em i n e r a lw o o l ，a n dc o m p o s i t et i t a n i u md i o x i d ea n dh o l l o w g l a s s b e a d s 嬲t h e f i l l e r s t h r o u g hp e r p e n d i c u l a re x p e r i m e n t s ，t h ee f f e c tw e i g h to ft h e s ef a c t o r sf o rh e a t r e f l e c t i v i t yw e r eo b t a i n e d ：a l u m i n o s i l i c a t ef i b e r s h o l l o wg l a s sb e a d s c o m p o s i t et i t a n i u m d i o x i d e e x p a n d e dp e r l i t e s e p i o l i t e w h i l e t h ei n f l u e n c eo nt h e r m a l c o n d u c t i v i t y w e r e ：a l u m i n o s i l i c a t ef i b e r s e x p a n d e dp e r l i t e h o l l o wg l a s sb e a d s s e p i o l i t e c o m p o s i t e t i t a n i u md i o x i d e f u r t h e r m o r e ，f o r m u l ao ft h ei n s u l a t i o nc o a t i n gw a so p t i m i z e db ys i n g l ef a c t o r e x p e r i m e n t ：s t y r e n e - a c r y l i c e m u l s i o n ，5 0 9 ，d e i o n i z e dw a t e r , 4 5 9 ， v a r i o u s a d d i t i v e s ，6 9 ， a l u m i n o s i l i c a t ef i b e r s ，7 9 ，e x p a n d e dp e r l i t e ，3 9 ，h o l l o wg l a s sb e a d s ，1 0 9 ，c o m p o s i t et i t a n i u m d i o x i d e ，15 9 ，s e r i c i t ep o w d e r , 18 9 t h ea v e r a g es h e a rb o n ds t r e n g t ho ft h ei n s u l a t i o nc o a t i n gw a s6 6 0 k p a , i tc o u l db er a i s e d t o10 2 6 k p aa f t e rh i 【曲t e m p e r a t u r e t r e a t m e n t ，v i s c o s i t y 2 12 3 4 0 5 9 p a s ，p e n c i lh a r d n e s s 9 h ，a d h e s i o ng r a d e1 - 2 ，i t se n d u r a n c et oa c i d ，a l k a l i n ea n ds a l tw a ss t r o n g t h er e f l e c t a n c eo f t h ec o a t i n ga tt h ev i s i b l eb a n d 7 6 a n dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t i e sw e r ei nt h er a n g eo fo 0 5 7 t o0 0 7 2 w ( m k ) ，t gs u g g e s t e dt h a tt h et h e r m a ls t a b i l i t yo ft h ei n s u l a t i o nc o a t i n gw a s g o o d f o rm e r e l y1 l o s sa t3 0 0 s e ms h o w e dt h a tt h es u r f a c eo ft h ec o a t i n gw a s c o m p a c t ，a n dt h ei n t e r i o rw a sl o o s e ，s ot h ep r o p e r t i e so fh e a ti n s u l a t i o na n dw a t e rp r o o f n e s s w e r ee x c e l l e n t t h ec o m p o s i t et h e r m a li n s u l a t i o nc o a t i n gc o u l db ew i d e l ya p p l i e di nv a r i o u s f i e l d s t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fi n s u l a t i o nc o a t i n gw a sm e a s u r e db yu s i n gt h ep u l s ep l a n eh e a t s o u r c em e t h o d ，o r i g i n 7 0w a su t i l i z e df o rc u r v ef i t t i n ga n dt h ee x p r e s s i o no fi t e r a t i v ec u r v e f i r i n gw a si n p u t t e di ne x c e l ，t h e nt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y ( 2 ) ，t h e r m a ld i f f u s i v i t y ( a ) a n d s p e c i f i ch e a t ( c ) c o u l db ec a l c u l a t e do u ta tt h es a m et i m e k e yw o r d s ：t h e r m a li n s u l a t i o nc o a t i n g h e a tr e f l e c t i v i t yt h e r m a lc o n d u c t i v i t y p u l s ep l a n eh e a ts o u r c em e t h o d t h e s i s ：a p p l i e ds t u d y 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文巾加以标注和致谢的地方外，论文【 | 不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使刚过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：互躲日期：弘幻7 。叱纠 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 丑船 指导教师签名：荣会式 沙净钞月叫e l 1 绪论 1 绪论 1 1 保温隔热涂料简介 保温涂料是近年来逐渐受到人们重视的一种节能保温材料，它是综合了涂料及保温 材料双重特点，能减少热量损失的一种呈纤维稠状膏体的涂料。将它涂抹在要求保温的 设备管道或建筑物表面，干燥后形成有一定强度及弹性的保温层，保温效果显著，且费 用较一般保温材料便宜。 保温涂料形成的保温层导热系数低，保温效果显著，在建筑物、高温窑炉、高温蒸 汽管道等方面有广泛应用，特别适用于异型设备，如阀门、球体、锥体等。与传统保温 材料( 制品) 相比，其优点在于：( 1 ) 导热系数低，保温效果显著；( 2 ) 可与基层全面豁结， 整体性强，特别适用于其它保温材料难以解决的异型设备保温；( 3 ) 质轻、层薄，相对 提高了建筑设施的使用面积；( 4 ) 阻燃性好，环保性强；( 5 ) 施工相对简单，可采用人工 涂抹的方式进行；( 6 ) 材料生产工艺简单，能耗低。基于以上优点，保温涂料的在各行 业的应用日益广泛，节约了大量的能源。 1 2 保温涂料分类 根据骨料和填料的不同，保温涂料可分为：复合硅酸盐保温涂料、陶瓷保温隔热涂 料、空心玻珠保温涂料、金属型铝矾土保温涂料等【l 】。按加工工艺的不同，保温涂料可 分为：加热型、常温非加热型、干粉型。按传热机理不同，保温涂料可分为：阻隔型、 反射型和辐射型保温涂料三类。下面将分类对其进行简单介绍。 1 2 1 按原料不同分类 ( 1 ) 复合硅酸盐保温涂料 复合硅酸盐保温涂料是以多种含铝、镁硅酸盐非金属矿物纤维为原料，掺杂一定数 量的辅助原料和填充剂，并加入化学添j 3 n 黼j 成的一种保温涂料。将其涂刷或浇注于保 温设备上干燥成型后，成为一种固体基质联结的封闭气孔网状结构的静电型无机保温隔 热纤维黏稠糊状膏体。复合硅酸盐保温涂料被广泛应用于工业部门的诸多设备，如锅炉、 蒸汽管道、工业窑炉、反应釜以及闸门、阀门等。 ( 2 ) 陶瓷保温隔热涂料 采用陶瓷空心微珠为填料的陶瓷隔热保温涂料是在基本的装饰、保护、防腐等功能 基础上，利用其低导热系数、高反射率和发射率性能，反射阻隔室外太阳光线和室内辐 射热，并将进入涂层的能量辐射到外部空间，从而降低了建筑物制冷取暖能耗。陶瓷隔 西安科技大学硕士学位论文 热保温涂料因经济、使用方便和隔热效果好等优点将越来越多地取代传统建筑涂料【2 】。 广泛适用于混凝土、水泥、石膏板、石棉水泥底材及有腻子抹灰面的建筑物内、外墙面。 ( 3 ) 空心玻珠保温涂料 空心玻珠是一种轻质、高强的空心玻璃微球，细度在几十至几百微米。适用温度范 围在2 6 8 4 8 2 ，具有耐水汽、不吸湿、耐腐蚀、自身不产生腐蚀、在高温和水汽环境 中自身稳定、较高的耐压强度、抗微生物侵蚀等显著优点。由于中空的特性，与普通的 玻璃微珠相比，具有质量轻、绝热性能好等特点，是一种非常理想的绝热材料。由于其 体积较小，相当或略大于涂料填料的细度，因而可以作为填料引入涂料配方体系，使涂 料固化形成的涂膜具有保温材料质轻、中空等共性。空心玻珠引入涂料能较大地提高涂 料的绝热性能，得到一种新型的功能涂料，可以应用于石油和炼化工业以及民用建筑中， 是一种具有广阔市场前景的涂料新品种p j 。 ( 4 ) 金属型铝矾土保温涂料 目前有报道试制成功的一种水基铝矾土保温涂料，能够减少金属型的热冲击，提高 金属型的使用寿命，并能降低铸件表面粗糙度。它是以铝矾土为骨料，加入水玻璃、焙 烧石棉和其他添加剂制成，具有较高的耐热性和高温化学稳定性，可用于金属型铸钢、 铸铁及有色合金的生产。高葛【4 】根据金属型生产铸件的过程，试制成功一种水基铝矾土 保温涂料，能够减少金属型的热冲击，提高金属型的使用寿命，并能降低铸件表面粗糙 度。 1 2 2 按生产工艺不同分类 ( 1 ) 加热型 加热型的生产工艺特点是通过加热可以使部分原材料在生产过程中充分分散，使需 要高温溶解的原材料充分溶解。由于使用蒸汽设备，设备复杂且投资大，能耗也高。典 型的生产工艺流程如图1 1 所示。 图l 。1 加热型保温涂料生产工艺流程图 f i g 1 1h e a t i n g - t y p ei n s u l a t i o nc o a t i n g sp r o d u c t i o np r o c e s s ( 2 ) 常温非加热型 这种工艺通过改进原料配方，避免了使用加热的方式。如果选用原材料及助剂较为 合适，该方法同样可以收到满意的效果。典型工艺流程如图1 2 所示。 2 1 绪论 图1 2 常温非加热型保温涂料生产工艺流程图 f i g 1 2a m b i e n tt e m p e r a t u r en o n - h e a t i n g - t y p ei n s u l a t i o nc o a t i n g sp r o d u c t i o np r o c e s s ( 3 ) 干粉型 粉末状保温涂料的生产是将所用无机纤维、轻质骨料以及粘结剂等粉末状原材料以 干态形式一起混合均匀，或者分为两组，各自混合均匀再分别包装。生产工艺简单，产 品运输储存方便，使用时现配使用。 1 2 3 按隔热机理不同分类 从能量的传递方式考虑，热传递是通过对流、辐射及分子振动热传导三种途径实现 的。保温涂料就是依据热传递的三种方式，综合涂料和保温材料的双重特点来实现隔热 保温的。针对不同的传热机理，保温涂料相应地按不同的隔热机理分为三类【5 j 。 l 阻隔型保温涂料 目前，应用最为广泛的阻隔型隔热涂料是硅酸盐类复合涂料。它是以天然矿物纤维 材料、人造硅酸盐纤维材料为主，再辅以填料、助剂、粘结剂等按一定比例，经过松散、 混合、打浆、鼓泡而制成的粘稠浆体。阻隔型隔热涂料的隔热机理比较简单，该种类型 的涂料通常以表观密度小、内部结构疏松、气孔率高、含水率小的材料作为轻骨料，依 靠粘结剂作用使其结合在一起，直接涂抹于设备或墙体表面形成具有一定厚度的保温 层，从而达到隔热保温的功效。 2 反射型隔热涂料 反射隔热是一种新型的、重要的隔热方式，对于长期受到太阳辐射的建筑和设备尤 为重要。太阳主要以电磁辐射的形式给地球带来光与热。地球上所能接受到的太阳辐射 能的波长主要分布在o 2 5 2 5 岬范围内。可见光区和近红外光区即0 4 2 5 1 a m 集中了 9 0 的太阳辐射能量。在该波长范围内，反射率越高，隔热效果就越好1 6 j 。显而易见， 反射型隔热涂料追求在0 4 2 5 1 a n 波段拥有高反射比。反射型隔热涂料就是通过选择合 适的树脂、金属或金属氧化物颜料、填料及生产工艺，制得高反射率的涂层来反射太阳 3 西安科技大学硕士学位论文 热，从而达到隔热降温的目的，此种涂料的特点是具有高热反射率。 3 辐射型隔热涂料 通过辐射的形式把建筑物吸收的日照光线或热量以一定的波长发射到空气中，从而 达到良好隔热降温效果的涂料称为辐射型保温涂料1 7 j 。辐射型隔热涂料是通过使抵达建 筑物表面的热量，辐射转化为热反射电磁波辐射到大气中而达到隔热的目的。辐射型隔 热涂料不同于用玻璃棉、泡沫塑料等多孔性阻隔型保温涂料或反射型保温涂料，因为这 些涂料只能减慢但不能阻挡热能的传递。白天太阳热能经过屋顶和墙壁不断传入室内空 间及结构，一旦热能传入，就算室外温度减退，热能还是困陷其中。而辐射型隔热涂料 却能够以热发射的形式将吸收的热量辐射掉，从而使室内和室外以同样的速率降温。辐 射型隔热涂料通常利用能辐射红外线的金属氧化物来释放热量而降温。这类金属氧化物 主要是尖晶石型结构的，如掺杂f e 2 0 3 、m n 0 2 、c 0 2 0 3 、c u o 的尖晶石型物质，该种涂 料的特点是具有高热发射率，j 。 这三类涂料的保温机理不同，应用场合和所得到的效果也各不相同。一种隔热效果 良好的保温涂料往往是两种或多种保温隔热机理同时起作用的结果。上述的三种保温涂 料各有其优点，因此可考虑将它们综合起来，充分发挥各自的特点，进行优势互补，研 制出多种隔热机理综合起作用的复合型保温涂料。 1 3 保温隔热涂料的隔热机理 在自然界和许多生产领域中，热量传输是非常普遍的现象。按照热力学第二定律， 在固体内部有温差的地方，就有热量自发的从高温物体向低温物体转移，这种由温度差 引起的热量转移过程统称热量传输，或称为传热i l 。 保温，即阻止热量损失；广义的保温包括保温和隔热。建筑领域的保温隔热，通常 是指围护结构( 包括屋顶、外墙、门窗或节能保温装饰板材等) 在冬季阻止由室内向室 外传热，在夏季阻止热量由室外向室内传导，从而使室内保持适当温度的能力。 绝热，就是最大限度地阻抗热流的传递。因此就要求绝热材料具有较小的导热系数、 换热系数和辐射换热系数，或由绝热材料组成的保温或保冷层具有较高的热阻值。 讨论涂料的隔热性能，要针对热量传输的导热、对流和热辐射这三种形式的物理本 质研究保温隔热涂料的隔热机理。 1 3 1 阻隔型隔热涂料隔热机理 阻隔型保温涂料是通过对热传递的显著阻抗性来实现隔热的涂料。热传递是通过对 流、辐射及分子振动热传导三种途径实现的。由于固体物质的密度一般较大，因此其分 子振动热传导能力一般大于相同成分的液态和气体物质( 水除外) ，导热系数高；对流则 是液体和气体实现热交换的主要方式；大部分非透明固体物质对热辐射的直接传导能力 4 1 绪论 都非常低，而透明度极高的物质( 包括固体、液体、气体) 也很少吸收热辐射的能量。真 空状态虽然能使分子振动热传导和对流传导两种方式完全消失，但对于阻止热辐射的传 导却无能为力。空气相对于固体来说密度极小，对热辐射电磁波的的阻隔作用也非常小。 因此，采用低导热系数的组合物是阻隔型绝热材料研制的基本方式。由于常温下静 止空气的导热系数为0 0 2 3 w ( m k ) l ，远远低于其他固体的导热系数，则在材料中引入 导热系数极低的无对流空气成为研究的主要方向。采用低导热系数的组合物或在涂膜中 引入导热系数极低的空气可获得良好的隔热效果，这就是阻隔性保温涂料研制的基本依 据。材料导热系数的大小是材料隔热性能的决定因素，导热系数越小，保温隔热性能就 越好。 1 3 。2 反射型隔热涂料隔热机理 由太阳光辐射光谱分布情况可知，可见光区和近红外光区即o 4 2 5 岬集中了9 0 的太阳辐射能量。如果研制的反射型隔热涂料在此波长范围内对太阳辐射的反射率越 高，涂层的隔热效果就会越好。通过选择合适的树脂，采用高反射率的金属或金属氧化 物填料，可制得高反射率的涂料，以达到反射太阳热而隔热的目的。反射型隔热涂料通 常利用片状铝粉和白色钛自粉对太阳光线的强反射作用来降低热量吸收，此类涂料多为 溶剂型，若采用水介质稳定的片状铝粉，可配置水性反射隔热涂料。反射型隔热涂料也 可用其他金属薄片及珠光粉与钛白粉配制，涂料的特点是具有高热反射率。 普通乳胶涂料对热辐射的反射性能较差，经过涂层表面对入射光反射后，有一部分 进入涂层内部的热量将全部被涂层吸收，并慢慢地通过传导、对流向基体内部传递，引 起涂层及基体的温度升高；对于反射型涂料涂层来说，在经过涂层表面第一次反射后， 进入涂层内部的一部分热量，由于涂层含有高反射型、多孔型隔热填料，涂层内部存在 较多的密封孔道，具有很多反射界面，这样可以对进入涂层内部的那一部分热量进行二 次反射和散射，使绝大部分的热量经过两次反射和散射后被拒于涂层之外【l2 。见图1 3 。 l 一般涂料、 i 基材 、 普通涂料涂层 反射涂料涂层 图1 3 普通涂料涂层与反射型涂料涂层的热反射示意图 f i g 1 3t h er e f l e c t i o no fc o n v e n t i o n a lc o a t i n ga n dr e f l e c t i v ec o a t i n gf i l m s 5 西安科技大学硕士学位论文 1 3 3 辐射型隔热涂料隔热机理 当涂料表面受到太阳光照射时，反射、吸收和透过各占一部分，如图1 4 所示【1 3 】， 图1 4 中以p 、旺和f 分别代表涂料层的表面总反射率、吸收率和透过率，则有p 乜忙1 。 e ( 8 1 3 5 i t m ) 代表表层吸收的太阳能转化为8 1 3 5 1 t m 波段内的红外辐射率。 1 3 5 1 x m ) 图1 4 辐射能分配及转换示意图 f i g 1 。4t h es k e t c ho fd i s t r i b u t i o na n dc o n v e r s i o no fr a d i a n te n e r g y 由于涂料表层下面大多数为不透明的水泥层、钢铁层等不透明物质，因此，可以近 似认为其透过率f = o ，由此，上式又可简化为：p + 铲1 ，其中p 、0 【均随波长变化而变化。 选择性红外辐射降温涂料的主要特性是其在可见光和近红外光范围内反射率高；在 8 1 3 5 1 a m 波段范围内，其发射率( 等同于吸收率，即- 也尽可能高。太阳的辐射能中 0 3 2 5 1 a m 处的能量占绝大部分，把这部分能量反射回大气和天空是该涂料的一个主要 功能。然而在8 1 3 5 1 a m 波段范围内，太阳辐射能和大气辐射能远低于地面向外层空间 的辐射能。因此，在此波段内，如果涂料的吸收率即发射率尽可能高，这样就能尽可能 多地把涂层和下层的水泥层中吸收到的太阳能中的紫外光能和可见光及近红外光能转 化为热能，以红外辐射的方式在此波段内穿过大气“红外窗口”，高效地发射到大气外 层的绝对零度区，从而达到降低温度的目的1 1 3 】。 1 4 涂料保温隔热性能的影晌因素 涂料的种类很多，但各种涂料一般由基料、颜料填料、挥发性组分和助剂等四部分 组成，保温隔热涂料综合了涂料及保温材料的双重特点，是由隔热骨料、矿物棉、填料、 基料和各种助剂组成的，它的各组分对其保温隔热性能均有不同程度的影响。 1 4 1 基料 基料是保温隔热涂料的主要成膜物质，是对隔热骨料起粘结作用，使涂层具有良好 的整体性能并对底材具有良好的附着力，而且赋予涂料良好的施工性能的物质，是影响 乳液涂料性能好坏的首要因素。 6 1 绪论 在实际研究中，保温涂料保温的主要原因都是内部呈微孔结构，属多孔性保温材料。 但是就涂料本身性能而言，防水要求涂层致密，隔热却需要涂层疏松多孔。一般情况下， 防水性能主要由涂料的基料决定，隔热性能主要由涂料的颜、填料决定。首先，为了使 颜、填料起到反射作用，基料本身应不含吸热基团外，成膜后应是无色透明的：同时， 必须有极好的耐水性、抗渗性、耐候性、柔韧性和与基材的粘接强度；其次，为了适应 环保的趋势，必须是水性的。若采用高分子聚合乳液为基料可同时满足上述要求。 1 4 2 保温绝热材料 随着社会经济发展和科学技术进步，保温材料在工业生产和日常生活等各方面应用 越来越广，材料的导热性能也日益成为各领域新材料研制中的重要问题，表征材料导热 性能高低的指标是导热系数。导热系数是指传递热量的物质厚度为l m 、面积为1 m 2 ， 两壁面的温差为1 时，每小时( h ) 通过的传热量，单位是w ( m k ) 。国家标准规定， 温度低于3 5 0 时导热系数小于o 1 2 w ( m k ) 的材料称为保温材料。而把导热系数在 0 0 5 w ( m k ) 以下的材料称为高效保温材料。 保温绝热材料通常都是多孔体和纤维型材料【1 4 1 。在多孔材料中，因空隙内充满导热 系数很低的空气，故这种材料的导热实际上是基于材料与气孔传热的综合，它既包括基 本材料的导热，也包括气孔中气体的导热，以及气孔中对流和辐射的作用。材料中气孔 越多越细，其导热系数越低，保温隔热性能越好。随温度的升高，因空隙中对流和辐射 的作用加强，其导热系数也随之增加。有些材料，如木材、石墨等，在不同方向上性质 不同，具有各向异性的特点，因而在不同方向上的导热系数也各不相同。保温隔热涂料 的隔热骨料和矿物棉大多是这种多孔体和纤维型材料。 1 隔热骨料 隔热骨料是保温隔热涂料中非常重要的组分，其导热系数的大小决定涂料的保温隔 热性能【1 5 , 1 6 ，常用于保温隔热涂料的保温隔热骨料有：膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、发泡聚 苯乙烯颗粒、玻璃微珠等。 2 矿物棉 矿物棉在保温隔热涂料中的主要作用是增加涂料的整体强度、减少收缩以及开裂。 矿物棉是天然或人造的无机硅酸盐矿物，如焦宝石、玄武岩、矿渣、石英及废玻璃等为 主要原料，加入少量外掺料及助剂，经熔融、喷吹或离心成棉、干燥等工艺，制成的硅 酸铝纤维、岩棉、矿棉、玻璃纤维类产品。保温隔热涂料常用的矿物棉主要有硅酸铝纤 维，岩棉、矿棉及玻璃纤维。本实验制备保温隔热涂料选用硅酸铝纤维。硅酸铝纤维作 为矿物棉在保温隔热涂料中可以增加涂料的整体强度、减少收缩和开裂。 7 西安科技大学硕士学位论丈 1 4 3 提高材料保温隔热性能途径 物体的导热系数不但与物质的种类有关，而且与物质的结构、密度、成份、温度等 因素有关。由于影响导热系数的因烈r 7 】很多，一般有：材料的组成与结构；表观密度； 孔隙的大小与特性；热流方向；温度等。各种物质的导热系数般由实验测定。要使得 材料的保温隔热性能提高可以通过以下途径： 1 尽量降低材料的表观密度，使其表观密度符合绝热最佳密度； 2 尽量采用有机高分子材料和无定形的无机材料： 3 在材料的表观密度尽可能达到绝热最佳密度时，应尽可能增加材料内部孔隙数 量，孔隙细小，呈封闭状态，通过孔隙壁对孔隙内的气体分子吸附作用，而使孔隙内能 自由运动的气体分子数量尽可能小； 4 材料中使用纤维时，应尽量减小纤维的直径，避免形成热流方向的不利影响。 1 5 国内外研究动态及发展趋势 近年来，主要发展新型保温隔热材料及复合结构保温节能技术，强调有针对性地使 用保温绝热材料，按标准规范设计及施工，并努力提高保温效率及降低成本，国内外都 为此开展了大量的研究，已取得一定的研究及应用成果。 1 5 1 国内研究动态 就不同隔热机理而言，当前国内保温涂料生产和使用最为广泛的仍然是阻隔型保温 涂料，尤其是硅酸盐类复合涂料，对于反射性保温涂料的研究正在由溶剂型向水性涂料 转变，对于辐射型保温涂料，如何获得具有稳定且高发射率的基料将成为其研究重点。 另外，一种隔热效果良好的保温涂料，最好是多种隔热机理综合起作用的复合型保温涂 料，这样可使其充分发挥各方面的特点，进行优势互补【1 8 】。 例如，中国建筑材料科学研究总院环境工程研究所9 j 研发生产的陶瓷隔热保温涂料 已通过建设部科技成果评估，在满足了传统建筑涂料对建筑墙体装饰、保护的前提下， 赋予了装饰涂层隔热保温功能。该材料为水基液体涂料，由超细的空心陶瓷微珠经预处 理和高品质乳液调配而成。其主要特性是：空心微珠成型于涂料涂层中，使涂层具有极高 的热反射率和发射率，从而形成良好的隔热效果，有效的降低建筑物夏季制冷冬季取暖 能耗。产品测试结果表明，产品常规性能、热反射隔热性能均处于国际领先水平。 黄乃瑜、叶升平、罗吉荣等【2 0 j 用4 5 蜘石5 云母粉、1 5 2 5 硅藻土、5 1 0 累 托石、1 0 - - - - 2 0 硅溶胶、5 1 0 钠盐水溶液，加水碾压成浆状，配成金属型铸件专用 保温涂料，具有良好的悬浮性和涂覆性，与底漆和面层导热涂料配合具有明显的调节铸 件冷却速度的效果。 8 1 绪论 中国地质科学院成都矿产综合利用研究所【2 1 1 选择低导热系数( 接近空气的导热系数 0 0 3 w ( m k ) ) 和能将太阳能热辐射反射回大气层的材料，研制成功新型“特种矿物隔热 保温涂料”，该涂料在酷热的夏季，能将暴露在太阳能热辐射下的油罐表面温度降低 1 8 n 2 0 ，可用于油罐、冷冻库、石油管道、海洋钻井平台、货物以及工农业、兵器工 业等露天设施，施工后能耗及费用比同样条件下的各种隔热措施降低2 0 0 旷4 0 。 反射型保温隔热涂料，即反射太阳热型绝热涂料能够有效降低炎热地区夏季墙面的 温度，更有利于节能及对涂膜的防护，其应用已经引起重视而得到许多研究【2 2 , 2 3 l ，许多 企业开始开发和应用该种功能性涂料。北京国邦技术发展中心i z 4 1 借鉴国外航天工业用高 科技绝热瓷层的技术思路，利用国产原料研制开发具有自主知识产权的薄层隔热保温涂 料。该涂料以硅丙乳液等水性高分子材料为基料，通过添加中空陶瓷粒珠等功能性填料， 制得对太阳热反射率高、导热系数低的绝热涂料。 关于涂料的反射隔热性能方面，目前尚无检测方法的标准【2 引，有的研究参照美国 a s t md6 0 8 3 9 7 标准，在马口铁板上制备涂膜，将涂膜置于测试台上，样品背面贴测 温热电偶，并挚绝热材料。试板上方有一个2 5 0 w 的红外灯( 灯的位置可调) ，以模拟 太阳的近红外辐射。固定红外灯高度后，即可测量试板正、反面的温度，得到涂膜反射 热的效果 2 6 , 2 7 】。此外，也有的研究1 2 s 】参照美国军标中所规定的检测方法，并使用国内具 有相同功能的仪器建立检测系统进行涂膜反射性能的检测。 1 5 2 国外研究动态 美国是涂料工业发达的国家，建筑涂料占涂料总量的5 0 ，日本是世界涂料生产大 国，涂料年产量居世界第二位，仅次于美国，建筑涂料产量占涂料总产量的3 0 。早在 上世纪七、八十年代美国就有文献报导由丙烯酸乳液和复合材料制成的用于金属表面的 绝缘涂膜具有隔热的物理特性【2 引。为了满足军事上的需要反射型隔热涂料首先被研制并 发展起来的，美国等国家对作为热反射的近红外反射涂料做了定的研究，已经有少部 分产品得到实验性应用，但因其技术保密，因此所见的报道多是在基体物质上涂敷一层 反射近红外辐射涂层，最终产品为具有反射近红外功能的物质【3 0 3 2 j 。随后日本借鉴美国 技术重点探讨了建筑用反射型涂料的应用，研制了建筑物用太阳热反射涂料。日本长岛 特种涂料株式会社引进美国技术，开发了可以做成多种颜色的反射型涂料，涂层由树脂、 陶瓷空珠和颜料等主要成分组成。 上世纪末，美国出现将陶瓷隔热涂料用于涂覆在金属表面，尤其是应用在燃气轮机 柴油机行业的隔热涂层p 引。陶瓷隔热保温涂料因其经济、使用方便和隔热效果好等优点， 成为在欧美广泛采用的新型建筑保温材料。德国、瑞士等西欧国家和意大利、西班牙等 地中海沿岸国家也是这种环保节能型涂料的重要消费国家。 美国r a o u f o l o u t f y 等人1 3 4 j 将富勒烯用在新型隔热保温材料中，微米级富勒烯薄膜 9 西安科技大学硕士学位论文 由于其低导热性和高发射率，能够在8 0 0 0 c 下使其基层隔热降温达1 0 0 以上。白俄罗 斯国家科学院的e v s h i n k a r e v a 和a m s a f o n o v a 3 5 】将空心玻璃微球镀镍后作为填料，由 此制得的隔热保温涂料不仅具备良好的隔热性能，也具有较低的电阻率。 j o h n s o nj o e la 等人p 6 j 的研究结果显示，硅酸钾包覆的z r 0 2 陶瓷球可以提供更高光 散射率、反射率，并且短波反射率比长波反射率高。他们还发现包覆层的厚度和陶瓷球 的大小对光的散射、反射效果影响很大。包覆层的厚度越薄、陶瓷球越小，对光的散射、 反射率越高。改性的z r 0 2 陶瓷球在3 8 0 1 0 0 0 n m 拥有最好的光散射、反射率，与相同尺 寸的金红石型t i 0 2 颜料相比效果提高了1 3 ，是现在通用的z r 0 2 陶瓷球的1 0 2 0 倍。 n m