（材料学专业论文）水性太阳热反射隔热涂料的研究.pdf

摘要 水性太阳热反射隔热涂料的研究 摘要 水性太阳热反射隔热涂料施涂于基材表面可有效降低基材内部 温度，并对基材有良好保护作用，其应用对于节约能源、改变生活 工作环境及绿色环保等有重要意义。 本文按照美国军方标准m i l e - 4 6 1 3 6 ，研制了隔热性能测试装 置，系统研究了成膜基料、隔热颜料和填料的种类、用量及其配比、 颜基比、涂膜厚度及涂层颜色等对隔热涂料隔热性能的影响，得出 了两种优化的隔热涂料制备方法，通过红外反射光谱和根据美国军 方标准测定了涂层的热反射率及隔热性能。 试验结果表明，隔热涂料的隔热性能主要受颜填料和成膜基料 的影响。水性丙烯酸类成膜基料由于透明性好，折射系数较低，不 含吸热基团，涂层的隔热性能相应较好。空心陶瓷微球与二氧化钛 混合使用可达到良好的隔热效果。用硫酸钡替代部分折射率高的钛 白粉颜料所制备的涂料，具有优良的隔热性能，且产品成本较低。 经过试验对比，确定隔热涂料中隔热用颜填料的组成为：二氧化钛、 硫酸钡、空心陶瓷微球的质量比为l 4 ：1 4 ：1 2 。以水性丙烯酸 为成膜基料，以金红石型钛白粉、硫酸钡、云母、空心陶瓷微珠及 适量助剂为原料，制备出的水性太阳热反射隔热涂料的隔热性能良 好。所研制的用于金属表面的隔热涂料的太阳热反射率为9 2 ，用 于建筑外墙的隔热涂料的太阳热反射率为9 1 ，其反射隔热效果己 北京化工大学硕上学位论文 经达到德国维纳公司盾牌隔热涂料的先进水平( 其太阳热反射率为 9 0 ) 。 关键词：太阳热反射，隔热涂料，水性涂料，热反射率 a b s t r a c t r e s e a r c ho nw a t e r b o r n es o l a r - r e n e c t i v e h e a t - i n s u l a t i n gc o a t i n g s a bs t r a c t t h ew a t e r b o m es o l a r - r e f l e c t i v eh e a t i n s u l a t i n gc o a t i n g sc a nr e d u c e i n t e m a ls u r r o u n d i n ge x c e s s i v et e m p e r a t u r er i s eo fm a t e r i a l s w i d eu s e s o ft h ew a t e r b o r n es o l a r r e f l e c t i v eh e a i n s u l a t i n gc o a t i n g sc a ni m p r o v e w o r ke n v i r o n m e n t sa n ds a v ee n e 曙y s t u d i e sa n dd e v e l o p m e n to nt h e w a t e r b o m es 0 1 a r - r e n e c t i v e h e a t i n s u l a t i n gc o a t i n g sh a y ep r o f o u n d s i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt om i l - e - 4 6 1 3 6 ，t e s t i n gd e v i c ef i o rs o l a rh e a t r e f l e c t i v e i n s u l a t i n gc o a t i n g s w a sm a d et ot e s th e a ti n s u l a t i o n a p p l i n gt h e i m p r o v e dt e s t i n gd e v i c e ，t h ei n f l u e n c eo fr e s i nk i n d ，p i g m e n t ，f i l l i n g k i n da n dp r o p o n i o n ， p i g m e n 帕i n d e rr a t i o ， c o l o r sa n dt h e c o a t i n g r h i c k n e s so nc o a t i n gp e 向r m a n c ew a sr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e d f i n a u y t h ei n f t a r e d s p e c t r o g r a m a n dh e a t r e n e c t i v i t y o ft h ew a t e r b o r n e s o l a r r e f l e c t i v eh e a i n s u l a t i n gc o a t i n g sw e r er e s e a r c h e dt oc h a r a c t e f i z e t h eh e a ti n s u l a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d ：t h ei n f l u e n c eo ft h ep i g m e n ta n d r e s i no nt h e p r o p e r t y o ft h e r m a l i n s u l a t i o ni s i m p o r t a n t t h e t r a n s p a r e n c eo ft h ew a t e r - s o l u b l ep o l y a c r y l a t er e s i ni sh i g h ， a n di t s 北京化工大学硕士学位论文 r e f r a c t i o nm o d u l u si sl o w m o r e o v e r ， t h e p o l y a c r y l a t e c o n t a i n sn o f u n c t i o n a lg r o u p sw h i c hc a na b s o r bh e a t ，w h i c hm a k et h ep r o p e r t yo f t h e r m a l i n s u l a t i o nb e t t e r t h e r e f o r e ，t h ew a t e r - s o l u b l ep o l y a c r y l a t er e s i n w a su s e di nt h er e s e a r c h t h em i x t u r eo fh o l l o wc e r a m i cm i c f os p h e r e s a n dr i l t i l et i 0 2c a nm a k et h ep r o p e r t yo ft h e r m a l - i n s u l a t i o nm u c hb e t t e r t h eb a r i u ms u l f a t ec a nb eu s e da ss u b s t i t u t eo fm t i l et i 0 2 ，a n dp r o p e r t y o ft h e r m a l - i n s u l a t i o ni s g o o de n o u g h ， w h i c hm a k et h ec o s to ft h e c o a t i n g sl o w a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h em a s sr a t i oo f m t i l et i 0 2 ，b a r i u ms u l f a t e ，m i c aa n dh o l l o wc e r a m i cm i c r os p h e r e si s 1 4 ：1 4 ：1 2 t h ew a t e r b o m es o l a r - r e f l e c t i v eh e a t - i n s u l a t i n gc o a t i n g s w e r ep r e p a r e du s i n gw a t e r s o l u b l ep o l y a c r y l a t er e s i n ，r u t i l et i 0 2 ，m i c a ， b a “u ms u l f a t e ，w a t e r ，a d d i t i v e s ，a n dh o l l o wc e r a m i cm i c r os p h e r e s t h e h e a t r e f l e c t i v i t y o ft h ew a t e r b o m es o l a r r e f l e c t i v e h e a i n s u l a t i n g c o a t i n g su s i n go nt h e m e t a li s9 2 t h eh e a t r e f l e c t i v i t y o ft h e w a t e r b o m es 0 1 a r - r e n e c t i v e h e a - i n s u l a t i n gc o a t i n g su s i n g o nt h e b u i l d i n g si s9 1 ， w h i c hi sc o m p a r a b l et ot h eh e a i n s u l a t i n gc o a t i n g so f t h e r m 0 一s h i e l dw h o s eh e a tr e f l e c t i v i t yi s9 0 k e y w o i t d s ：s o l a r - r e n e c t i v e ，h e a t i n s u l a t i n gc o a t i n g s ，w | a t e r b o m e c o a t i n g s ，h e a tr e f l e c t i v i t y 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 t 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：型走日期：竺竺翌：笸! 笙 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：塑叁日期： 导师签名： 矽矿万、莎、铲 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 太阳能是人类生存和生活的必备条件，但强烈的辐射也给人类的生活带来一些不 便。辐射到地球表面上的太阳光能量，大约是每秒7 5 叫m 2 ，我国年日照时间在2 2 0 0 小时以上的地区占我国国土面积的三分之二以上。在太阳光的照射下，热量不断地积 聚在被辐照的物体表面上，会使其表面温度不断地升高，比如夏季阳光照射在金属板 上，其表面温度可达7 0 8 0 1 1 。 由于物体吸收太阳辐射引起表面温度过高，则会给工业生产和日常生活带来诸多 问题和不便。一般城市由于热岛效应的影响，会导致市区温度高于周边地区温度3 5 1 2 1 。建筑物屋顶和外墙表面温度升高会引起周围环境和室内的温度过高，降低生活 环境的舒适度，增加空调制冷用电量。有统计数字表明，在l o sa n g e l e s 酷热的下午， 每天最高温度升高一度要求电力供应上升2 左右。在许多发达国家中，喷淋装置、 空调、冷气机和电风扇等降温制冷设备所用的能量，占全年总能耗的2 0 以上p j 。同 时，目前工业厂房、简易厂房或临时性建筑采用铁皮顶的越来越多，而在炎热的夏季， 人们不得不采用空调或淋水的方式来降温，但在很多情况下，无法采用空调来有效降 低室内温度。而对于某些石油化工容器和露天的反应釜，高温会给它们带来潜在的事 故隐患和过多的能源浪费。在炎热的夏季，储罐受到太阳光线的辐照，表面温度升高， 同时也使储罐内装液体温度升高i 训。这会造成油品蒸发加剧形成油气，轻则造成油量 损失，严重的会引起爆炸。根据1 9 9 5 年国际石油会议报道，在美国，油气蒸发损耗 数量约占原油产量的3 。因为油气蒸发，油罐遭雷击而引发爆炸的事故在我国已经 有所发生【5 】。并且随着地球温室效应的加重，上述问题越来越突出。 太阳辐射引起物体表面温度过高还可导致经受太阳光直接辐照的材料难以保持 良好的机械、化学性能，限制其应用：加速材料的腐蚀、老化和降解速度；增加线型 材料的热膨胀和热应力，加速材料的开裂、失去光泽和退色，降低材料使用寿命等弊 端；在军事上，高温不但会严重地影响军队的战斗力，同时过高的温度也就等于暴露 了军事设施和目标，易被对方红外侦察设备发现和攻击。 因此，运用各种方法降低或防止太阳光强烈辐射所引起的升温，节约能源，是一 个重要的研究课题。为适应建筑业、石油工业、运输业、兵器工业等迅速发展，自7 0 年代以来，英美日等国陆续开发了相关领域的隔热保温涂料，来保证化工石油生产和 储运的安全，降低建筑领域的能耗，达到改善环境、节省能源、提高安全性等目的。 本研究的目的是研制一种水性反射型隔热涂料，使其同时满足隔热、防水及装饰功能， 1 3 北京化1 = 大学硕士学位论文 达到节能环保的效果。 1 2 隔热涂料的分类及隔热机理 隔热涂料由于隔热机理和隔热方式的不同可以分为：阻隔性隔热涂料、辐射辐射 型隔热涂料、反射型隔热涂料【6 j 。阻隔型隔热涂料是通过对热传递的显著阻抗性实现 隔热的涂料。反射型隔热涂料是通过选择合适的树脂、金属或金属氧化物颜填料及生 产工艺来制得高反射率的涂层反射太阳热，以达到隔热的目的。辐射型隔热涂料是通 过辐射的形式把建筑物吸收到的日照光线和热量以一定的波长发散到空气中，从而达 到良好隔热降温效果的涂料。这三类涂料的隔热机理不同，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涂料往往是两种或多种隔热机理同时起作用的结果 1 7 j 。因而，研制出多种隔热机理综合起作用的复合型隔热涂料将代表未来隔热涂料的 发展趋势。 1 2 1 阻隔型隔热涂料 阻隔性隔热涂料是通过对热传递的显著阻抗性实现隔热的涂料。热传递是通过对 流、辐射及分子振动热传导三种途径来实现的。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 、m ( m k ) 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，这就是阻隔性隔热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。 这种类型的涂料通常以表现密度小、内部结构疏松、气孔率高以及含水率小的材 料作为轻骨料。依靠粘结剂的作用使其结合在一起，直接涂抹于设备或者墙体的表面 达到隔热的效果。 优缺点：阻隔型隔热涂料原材料很容易得到，生产设备简单，投入少产出大；施 工方便。其缺点是对降低对流和辐射传热效果差且保温层较厚，吸水率高，不抗振动， 使用寿命短，而且为了形成一个稳定的保温体系，还需要另外设防水层以及外护层。 图1 1 是吴飞等【8 】提出的在保温隔热层的外侧加有一个辅助配套的防护层的示意图。 目前，这种阻隔型隔热涂料研究的比较多，已经在建筑中广泛使用并处于转型中， 因而本试验中没有对这种类型的隔热涂料做系统的研究。 1 4 第一章绪论 【6 】 差麓麓体 爨断窿 撵淑袋 抗麓保护屡 图1 1 外墙隔热层的辅助配套防护层 f i 9 1 1 i h ea s s i s t a n ts h i e l do fh e a tp r e s e f v a t i o nt h e r m a li n s u l a t i o np a i n to ne x t e f i o r 、 ，a i l 1 2 2 辐射型隔热涂料 “ 辐射型涂料：通过辐射的形式把建筑物吸收的日照光线和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隔热涂料【7 j 。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l 一2 所示) 【6 。图中以p 、a 和r 分 别代表涂料层的表面总反射率、吸收率和透过率，另外e ( 8 1 3 靴m ) 代表表层吸收的 太阳能转为8 1 3 靴m 波段内的红外辐射率，则有p + a + r = 1 。 嚣( 鬈一l 弱灶m p 【6 】 图1 2 辐射能分配及转换示意图 f i 9 1 21 飞es k e t c hm a p0 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 le n e 唧 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 北京化工大学硕士学位论文 认为其透过率r = 0 ，由此，上式又可简化为：p + a = 1 ，其中p 和a ( 柚均随波长 变化而变化。辐射型涂料的主要特性是希望其在可见光和近红外光范围内反射率尽可 能地高；而在8 1 3 靴m 波段内，其发射率( 等同于吸收率) 即“”= a ) 也尽可能高。 太阳的辐射能中o 3 2 跏m 处的能量占绝大部分，把这部分能量反射回大气是该涂 料的一个主要功能。然而在8 1 3 5 “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 光及近红外光能转为热能，以红外辐射的方式在此波段内穿过“大气红外窗口”1 9 j ，高 效地发射到大气外层的绝对零度区，从而达到隔热的目的，见图1 3 。大气窗口：大 气中水、空气主要吸收两个窗口( 九= 3 靴m ，九= 8 1 3 靴m ) 之外的太阳光能量。因此， 户外目标主要接收两方面的辐射能量。一是太阳通过大气窗口的直射热量q 1 ，二是7 大气层透射的太阳光热能q 2 。这里，忽略了周围物体与目标的热能交换。 太阳 大气窗口 大气层 目标 图1 - 3 户外目标与环境热能交换 f i 9 1 - 3t h es k e t c hm a po fd i s t 曲u t i o na n dc o n v e r s i o no fh e a te n e 唱y 辐射型隔热涂料的优缺点：辐射型隔热涂料不同于阻隔型隔热涂料和反射型隔热 涂料，因为后两者只能减缓但不能阻挡热量的传递。当热量缓慢地通过隔热层和反射 1 6 第一章绪论 层后，内部空间的温度缓慢地升高，此时，即使涂层外部温度降低，热能也只能困陷 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，从而促使室内 与室外以同样的速率降温f 7 l 。但是辐射型隔热涂料原材料的选取和烧结工艺比较复 杂，要想达到稳定的发射率还需进一步地深入研究。 1 2 3 反射型隔热涂料 反射型隔热涂料也称反射太阳热型绝热涂料【1 0 】，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。反射型隔热涂料的基本原理是通 过涂膜的反射作用将目光中的红外辐射反射到外部空间，从而避免物体自身因吸收辐 射导致的温度升高。太阳时时刻刻向地球辐射着巨大的能量。太阳能绝大部分处于可 见光和近红外区，按波长太阳的辐射光谱分为三个光谱区：紫外区0 2 o 4um ，占太 阳能量的5 ；可见光区o 4 加7 2um ，占太阳能量的4 5 ；近红外区0 7 2 2 5um ， 占太阳能量的5 0 。由此可以看出，太阳能量主要集中在波长在0 4 1 8um 的可见 光和红外光区f 1 1 1 。因此，在此光谱范围内，需要研制的反射型隔热性隔热涂料在此 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。 任何物质都具有反射或吸收一定波长太阳光的性能。入射在涂膜上的太阳辐射能 被吸收、透射或反射，其吸收率q 、透射率r 和反射率p 之问有如下的关系：p + q + r = l 。由于涂膜是不透明的，其透射率q 近似为o 。因此，只有提高涂层的反射率p ， 才可以使涂层表面吸收较少的能量【1 2 ，1 3 1 。反射型隔热涂料就是通过适当选择透明性 好的树脂和反射率高的填料，制得高反射率的涂膜，以达到反射光和热的目的。反射 型隔热涂料利用涂膜对光和热的高反射作用使太阳照射到涂膜上的大部分能量得到 反射，而不是被涂膜吸收；同时，这类涂膜本身的导热系数很小，绝热性能很好，这 就阻止了热量通过涂膜的传导。由于反射型隔热涂料具有高反射性和低导热系数，使 得涂膜在超过一定厚度时，其反射性能只与涂膜表面的反射率有关，而与涂膜厚度无 关。这与阻隔型绝热涂料的绝热效果与涂膜厚度密切相关的原理是完全不同的。反射 型隔热涂料就是通过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热，从而达到隔热降温的目的。 优缺点：反射型隔热涂料与各种基材附着力好，与底漆中问漆具有良好的亲容性， 耐候性强，一般使用的溶剂无刺激性气味，大大减少了施工对环境的影响，且隔热效 果较阻隔型隔热涂料明显【6 】。其现实存在的问题是大多反射型隔热涂料是溶剂体系， 而当前建筑涂料中广泛使用的是水性涂料，因此，如何制得具有广泛应用前景的水性 反射型隔热涂料是广大涂料工作者新的研究课题。 1 7 北京化工人学硕士学位论文 1 2 4 复合型隔热涂料 上述三种隔热涂料各有其优缺点，因此可以考虑将它们综合起来，充分发挥各自 的特点，扬长避短，研制出多种隔热机理综合起作用的复合型隔热涂料。郑其俊等 【1 4 ，1 5 】综合利用上述三种原理制成了具有高辐射率的薄层隔热保温涂料。该涂料以液 态涂料方式存在，干燥后的涂层热阻较大，特别是热反射率高，可有效地降低辐射传 热、施工方便、涂层薄、无接缝、附着力好，并且集防水隔热外护于一体。由此可见， 高效隔热、涂膜机械及化学性能优良的复合型隔热涂料代表了未来建筑隔热涂料的发 展趋势。 综上所述，随着保温隔热涂料开发的不断深入，研究和开发出复合型多功能的保 温隔热涂料，成为隔热涂料发展的必经之路。随着环保型涂料的诞生，水性隔热涂料 的开发与研究也成为了热点。与此同时，薄型保温涂料由于其经济性和涂装工艺简单 越来越受到人们的重视，因此开发出薄型的具有多功能的水性涂料为隔热保温涂料的 发展开辟了新的途径。 1 3 国内外隔热涂料的研究进展 1 3 1 国外隔热涂料的研究现状 在国外，隔热涂料的研究报道比较多1 1 6 _ 2 6 1 ，研究也比较深入，如表1 1 【7 】所示。 1 9 4 5 年，美国e x a n d e rs c h w a n z 博士用多层铝膜及其问的静止空气制得了新型的组 合系统y o b ，开创了反射建筑绝缘的新纪元。二十世纪七十年代末期，快速发展的建 筑技术，使得辐射致冷和反射绝缘技术有了巨大的发展。c a r l l 等人【2 7 】从热量传递的 方式入手，提出了利用填料的反射和辐射特点，来进行保温的措施，从而改变了只利 用保温涂层低传热的隔热方法。 p a u l 掣2 8 1 人，采用了某种阻燃剂，并加入某种颗粒，所制得的涂料能以反射近红 外的方式起到阻燃的作用。 d o m e n i c k 等【2 9 j 人开发出一种具有防水隔热的有机硅涂料，其特点是利用化学气 相蒸发技术，将有机硅溶液的有机成分蒸发，留下一层无机陶瓷填料膜，使涂料具有 更好的耐水和隔热效果。 1 8 第一章绪论 表1 1 与太阳热反射隔热涂料相关的外国专利 i a b i el - lp a t e n t so ns o l a rt h e n n a lr e f l e c t e dh e a ti n s u l a t e dc o a t i n g 专利号成膜物质功能填料 u s 6 8 7 2 4 4 0 丙烯酸树脂、聚氨酯等( 面金属颜料、铝片等( 面涂) ；c a c 0 3 、粉煤 涂) ；丙烯酸乳液( 中涂)灰、陶瓷微珠等( 中涂) u s 2 0 0 4 0 0 5 2 4 0 3 5丙烯酸树脂 空心陶瓷或玻璃微珠、云母粉等 u s 6 0 1 7 9 8 1 环化橡胶、丁基合成橡胶、碳第一、球状颗粒物( 铝、铜、银、金、镍、 氢化合物树脂、丙烯酸树脂等 锆、铁、硅、锗的混合物或合金) ；第二、 中的1 种或几种 球状颗粒物( 金属硫化物、金属硒化物、 金属卤化物、锑化物、金属氧化物、钛酸 钡、铁酸钡、c a s 0 4 等) 维纳公司在中国推出了德国盾牌陶瓷隔热涂料，这种涂料是由极微小的真空陶瓷 微珠与其相适应的环保型乳液组成，它与墙体等底材有较强的附着力，直接在底材表 面涂覆0 3 m m 厚度左右，即可达到隔热保温的目的，其太阳热反射率为9 0 【1 6 l 。日 本研制出了一种粒径在1 n m 以下的陶瓷填料( 由二氧化钛、氧化锌、氧化镁、二氧 化硅、氧化铝组成) ，这种材料具有导热系数以及比热小的特点，粒径在o 2 o 5 n m 最理想【3 0 1 。 美国太阳能集团公司的研究人员宣称，他们研制出一种隔热油漆，它的隔热效果 是标准金属薄膜的8 5 9 5 ，用到楼顶层房间，可以把室内的温度降低5 5 1 4 5 ，也就意味着可以节约8 1 2 的空调费，而在冬季，它可以阻止热辐射流逸出 屋外，这样就又可以节约1 2 的取暖费用【引。 n m n a h a r 等【3 l 】在对干旱地区太阳光的冷却技术进行研究后发现，涂有反射涂层 的测试室内的温度比未涂反射层的测试室内的温度低的多。 r n e j l l 3 2 j 采用马来酸二丁酯乙酸乙烯共聚物为成膜物质，通过加入一种g e r a m i c s u l 3 2 珠光隔热剂制得了隔热性优良的水性隔热涂料。 n a o f u s a 【3 3 j 等开发出一种多种色彩系列的隔热反射涂料，该涂颜料使用两种以上 填料，突破反射涂料只能使用浅色涂料的瓶颈。 j o h nw g o o d 等【叫制备了一种硅系的有机溶剂型隔热涂料，开发了可以做成多种 颜色的太阳热反射涂料，涂层由树脂、陶瓷中空珠和颜料等主要成分组成。 由于建筑型隔热涂料对要求颜色的要求，研制除白色之外的隔热涂料成为此领域 的热点之一。r o 彻e nk v i n s o n 【3 5 j 和k a p o s t o l a l ( i s 【3 6 】分别研制了不同颜色的隔热涂料， 并对颜色对隔热性能的影响进行了讨论。 此外，溶胶凝胶方法也被引入到隔热领域。溶胶凝胶方法目前常用于以玻璃、有 1 9 北京化工大学硕士学位论文 机玻璃、塑料薄膜等透明材料为衬底，覆盖一层半导体涂层或复合涂层1 3 7 1 。该涂层对 太阳辐射( 特别是可见光) 具有很高的透过率，而对红外热辐射则具有很高的反射率， 且具有导电性。k iy u a n 【3 8 j 用溶胶凝胶的方法制备一种新的纳米复合红外热反射涂层， 它主要用于改进纤维隔热毡的隔热性能。国外有科研工作者【3 9 4 1 】用分散良好的纳米氧 化锡水分散体，以水性树脂为成膜物，制备了隔热性能良好的透明涂料。但由于此种 涂料价格昂贵，不能被普遍用于建筑和化工制备上。 隔热性能的测试研究也取得了一定的进展。l i g o n ，e t a l 【4 2 】发明一种筛选有机化合 物的方法，该方法和装置可以筛选出适合作为隔热保温涂料的有机物。s m i t 等【4 3 j 介绍 了一种对隔热保温涂料的一种测试方法，使用热电偶对基材的温度测试来判断涂料的 隔热性能。s v n n e f a i 删等通过自制的测试装置测定了1 4 种隔热涂料在太阳光下的隔热 效果。j o s e p h l 4 5 j 等在小型建筑物表面涂刷隔热涂料以对其进行评价，并且综合讨论了 风速和湿度等有关影响因素。x i a o x i nw a n d 删等以年为周期，对多种颜色的隔热涂料 的隔热性能进行了评价。 一 1 3 2 国内隔热涂料的研究现状 在国内，研究人员对隔热涂料也进行了一定的研究。刘先春【4 7 】制备了一种反射太 阳热涂料，该涂料以改性丙烯酸醇酸类树脂为主要成膜物质，以钛白粉、氧化锌和云 母为主要反射填料，反射率高于8 0 ，涂层厚度为2 0 3 吮m 。， 顾晓鸣【4 8 j 一种抗紫外线、红外线节能涂料。属于涂料组合物领域。特征在于本涂 料中加入了纳米二氧化硅。它主要由纯丙乳液或苯丙乳液，成膜助剂，钛白粉，纳米， 分散剂、消泡剂、防霉剂、流平剂、颜料、水组成。涂料可反射7 5 8 0 各种波长的 紫外线、红外线。 耿世斋【4 9 j 制备了一种丙烯酸纳米微乳液和采用丙烯酸纳米微乳液制造的水性热 反射隔热涂料，以及丙烯酸纳米微乳液和水性热反射隔热涂料的制造方法，其原料含 有：丙烯酸纳米微乳液、常规丙烯酸乳液、颜料、填料、红外线反射剂、助剂、p h 调节剂、增稠剂、软化水。 马承银1 5 0 j 发明了一种对太阳辐射的热射线及其他热辐射进行反射和隔热的涂料。 涂料由有反射热射线特性材料、中空微珠及疏松多孔的隔热材料或在其表面包覆反射 热射线形成的复合材料、粘接料三种主要组分组成。干涂膜厚度o 3 o 8 m m 时，对热 射线的总反射率可以达到9 0 以上，能够有效地防止太阳的热辐射及其他热辐射源的 热辐射。、 罗会贤，查菊山【5 1 】发明一种水性防水隔热涂料，该防水隔热涂料其特征在于填料 以高岭土为主要成分，涂料各组份含有：乳液、高岭土、辅助填料、颜料、助剂、水。 此隔热涂料对太阳光的反射率达7 2 8 3 ，辐射率7 6 8 8 ，热传导率低，防水性能好。 马成夫p z j 发明了一种太阳热反射隔热涂料，由面层涂料和底层涂料组成，其特点 2 0 第一章绪论 是面层涂料中含有金红石型钛白粉，底层涂料中采用空心漂珠、空心无机纤维、工程 纤维素等隔热填料。 陆丕禾1 5 3 j 发明一种水性建筑保温涂料，它是以去离子水、醇酯、钛白粉、高岭土、 氧化铝粉末等原料为主要成分、采用滚坛法经搅拌、滚磨、过滤而获得。 于志鸿【5 4 j 公开了一种日光热外墙反射涂料，包括水、分散剂、润湿剂、已二醇、 成膜助剂、钛自粉、化石粉、改性剂、轻钙粉、硅灰石粉、消泡剂、增稠剂，其特征 在于还包括纳米n 0 2 、纳米灿2 0 3 、纳米s i 0 2 复合基料。 郑臣谋，雷德铭，储向峰【5 5 j 利用改性二氧化钒的相变温度接近于室温的特点，开 发出一种可智能控温的二氧化钒隔热涂料。该涂料能在相变温度以上全波段反射红外 光，而在相变温度以下全波段透过红外光，从而实现冷吸热，热反射的智能控温。 郭年华【5 6 j 研制了聚氨酯改性高氯化聚乙烯反射涂料，介绍了该涂料的配方及其性 能指标，讨论了涂料用基料树脂和颜填料对热反射率的影响。试验结果表明，涂料的 热反射率与面漆所用的基料以及颜填料等都有关。他还介绍了聚氨酯固化含羟基的丙 烯酸改性氯乙烯树脂的热反射涂料的研制情况，简述了涂料组成中各种材料的选择原 理及其配方和产品技术指标。涂料的热反射率与面漆所用的基料、颜填料的折光系数、 颜填料的粒径、纯度、膜厚以及p v c 值都有很大的关系。 王金台1 57 j 采用正交试验法研究了太阳热反射隔热涂料的工作原理，确定了涂料的 各种功能性填料及体系的p v c 值，使涂层具有太阳热高反射和高辐射性能，提高了涂 料的隔热性能。对纳米陶瓷中空珠进行了研究，发现随着纳米陶瓷中空珠的增加，涂 料的反射率也随着增加。同时涂料的黏度变化也比较大，黏度太高会影响涂料的施工 性，故纳米陶瓷中空珠的比例在4 1 5 6 1 0 较为适宜。纳米陶瓷中空珠的直径分 布对涂料体系的隔热效果及涂膜性能有一定的影响，直径大反光隔热效果好，但涂膜 表面粗糙、空隙较多，耐沾污性差：直径小涂膜表面光滑平整，耐沾污性好，但反光 隔热效果不好。 ， 任秀全【5 8 】等：以丙烯酸乳液为基料，以金红石型钛白粉、重质碳酸钙及空心硼硅 酸盐玻璃微珠为颜填料制备了两类隔热性能良好的太阳热反射弹性涂料。文章指出， 弹性隔热涂料的制备工艺与乳胶漆的生产工艺基本相同：先分散颜填料，然后在低速 搅拌下加入空心微珠，搅拌分散均匀后加入乳液，再加适量的消泡剂、增稠剂等助剂。 由于空心微珠的p h 值较高，为防止对涂料粘度产生影响，微珠表面已预先用硅烷类 助剂进行了处理。因此，在搅拌分散时应注意避免微珠的破坏，需在低速搅拌下加入。 郭声波【5 9 j 等制备出一种反光隔热防水涂料，由主涂层( 防水层) 和表面层( 反光层) 组成。前者属于聚合物乳液防水涂料，技术成熟、产品较多，试验的配方在满足j c t8 6 4 2 0 0 0 的同时，具有与基层和表面层结合牢固、延伸率大且成本低的优点；后 者属于丙烯酸乳液的特种涂料，且具有良好的反射隔热效果。并且提出，锰、铁的氧 化物涂料和市售红外辐射涂料用于建筑物时，由于其在太阳光辐射波段也有较高的吸 2 1 北京化工大学硕士学位论文 收率，所以，在阳光下没有隔热效果，只能增加吸热。高折射率的白色颜、填料具有 较好的隔热效果，比通常作为反射隔热涂层的铝银粉涂料的隔热效果要好得多。 郭清泉【6 0 】等以研制一种金属用单涂型日光热反射水性涂料为目标，将防腐、隔热、 环保等多种性能体现在一层涂层中。通过所用树脂、颜填料和助剂的选择和搭配，尤 其针对本研究体系的特殊性，采用了一种特种助剂t 。通过涂层组成成分的选择，较 成功解决了采用多种颜填料( 保证防腐和辐射制冷性能) 和通过特种助剂t ( 保证涂层反 射能力) 的矛盾，得到的单涂层水性日光热反射涂料反射比可以达到8 0 以上，机械 性能等各项指标符合要求。 殷燕子【6 1 l 等通过正交实验研究了颜填料对太阳热反射涂料性能的影响，获得了最 佳太阳热反射涂料配方：3 3 丙烯酸树脂，3 5 钛白粉，3 0 改性纳米粒子，2 氧 化锌，0 1 助剂。在模拟实验中，通过与未涂覆涂料和涂覆其它市售涂料的罐体进行 比较，用自制的太阳热反射涂料涂覆的罐体，无论是在空箱还是盛放溶剂，其罐内温 度均比涂覆其它涂料的低，且其反射率经检测高达9 0 ，明显高于市售涂料。 张雯华【6 2 l 等通过研究涂料配方中所用乳液、颜料、常规填料和隔热填料在红外灯 下的反射、隔热和保温性能，发现高折射率的二氧化钛和含有微孔的硅藻土具有最佳的 反射和隔热保温效果，轻质碳酸钙和重质碳酸钙具有一定的隔热保温作用，而理论上具 有隔热保温效果的填料海泡石等并没有预期的效果。涂层厚度对隔热保温效果具有一 定影响，但是没有颜料和填料的影响大。隔热涂料使用的填料应含有硅藻土、二氧化钛 以及一些常规的填料。 此外，国内也有很多科研工作者【珏6 5 】也有用分散良好的纳米氧化锡水分散体，以 水性树脂为成膜物，制备了隔热性能良好的透明涂料。但由于此种涂料价格昂贵，还 处于试验阶段。 目前，国内对隔热保温涂料的研究主要集中在一些科研单位，天津大学【眠6 7 l 主 要从事石油储罐反射涂料反射比测试装置的研究；中科院广州能源所侧重于海灰色热 反射涂料的研究1 6 8 1 ；中山大学【6 4 ，6 9 】主要研究了不同的改性填料在涂料中控温效果，还 有一些企业开发出了储罐反射涂料。 1 4 反射型隔热涂料生产技术与涂膜隔热性能测试方法 1 4 1 原材料 1 4 1 1 基料 ( 1 ) 根据反射率和吸收率选用 用于反射型建筑绝热涂料的树脂对可见光和近红外光的吸收越小越好，通常要求 第一章绪论 树脂的透明度高( 透光率应在8 0 以上) ，对太阳热的吸收率低，且结构中尽量少含 c d c 、= c = o 、o h 等吸能基团1 7 0 j 。 ( 2 ) 根据对涂膜的耐候性要求选用 由于反射型隔热涂料主要应用于受太阳光照射的户外，因而必须具有良好的耐候 性及保色性，优异的附着力及耐沾污性。例如，丙烯酸树脂的耐候性强、透明度高、 附着性好，是最常用的建筑涂料基料1 7 1 1 。该类树脂的触变性可以调节，有利于防止涂 料的贮存沉降，其分子链结构中有特殊的结构单元，涂层在户外日晒雨淋的过程中， 这种高分子树脂发生局部分子链断链，使涂层表面微粉化，经雨水冲刷后，又得到新 鲜的涂层表面【7 2 1 ，使涂层一直处于崭新状态，能保证在户外使用过程中涂层的高太阳 热反射能力。 ( 3 ) 根据涂料种类的要求选用 根据不同的用途，应当选用不同的成膜基料。用于金属表面时，应优先考虑树脂 作为隔热涂料的成膜基料；用于建筑外墙时，应优先考虑乳液作为隔热涂料的成膜基 料。并且，用于金属表面的成膜基料大多数为溶剂型，应尽量开发水性金属表面用隔 热涂料，以满足环保要求。与之相比，建筑涂料是涂料中水性化比例最高的涂料品种。 一般来说，溶剂型品种比同一类水性涂料的性能要优异，但成本相应提高，且对环境 产生污染。因而，对于建筑隔热涂料来说，当应用于外墙和屋顶时，在没有特殊要求 时应使用水性成膜物质。就目前的商品状况来说，以合成树脂乳液为宜。目前使用的 合成树脂乳液主要是丙烯酸类以及丙烯酸共聚类。 1 4 1 2 颜料和填料 颜料和填料的选用主要是着眼于反射性能和对涂膜导热系数的影响。例如，过去 使用的铝粉类颜料，虽也具有好的反射性能，但铝粉的导热性能好，涂膜吸收的少量 热会被涂膜很好地传导。因而，夏天在太阳光的照射下，铝粉反射涂膜表面的温度可 达6 0 度以上i 乃j 。 ( 1 ) 玻璃空心微珠 近年来，使用玻璃空心微珠制备的日光反射型建筑绝热涂料具有很好的反射性 能，使得这类涂料成为崭新的涂料品种，并提高了应用性能，扩大了应用领域。一言 以蔽之，玻璃空心微珠赋予了日光反射型绝热涂料所需要的各种性能。例如，2 0 世纪 9 0 年代美国国家航空航天局( n a s a ) 为解决航天飞行器的传热控制问题研制了一种 太空绝热瓷层，是由悬浮于惰性聚合物乳液中的空心玻璃微珠构成。该涂层具有高反 射率、高辐射率、低热导率、低蓄热系数等热工性能【7 4 1 。玻璃空心微珠也称涂料用多 功能空心添加剂，其颗粒呈圆形或者近似圆形，表面为光滑坚硬、结构致密的玻璃体， 对各种液体介质几乎不吸收，能够很好地反射光、热等入射波。玻璃空心微珠内部为 空心，因而密度低、导热系数小、传热隔绝性能也很好。这些性能，使之非常适合于 北京化工大学硕：t 学位论文 作为反射型绝热涂料的反射性填料。玻璃空心微珠也称涂料用多功能空心添加剂，其 颗粒呈圆形或者近似圆形，表面为光滑坚硬、结构致密的玻璃体，对各种液体介质几 乎不吸收，能够很好地反射光、热等入射波。玻璃空心微珠内部为空心，因而密度低、 导热系数小、传热隔绝性能也很好。这些性能，使之非常适合予作为反射型绝热涂料 的反射性填料。 ( 2 ) 其它颜填料 除了空心玻璃微珠以外，还要根据涂料性能的需要添加其他颜料、填料。选用时 应注意，应根据颜料折光率与涂膜反射率的关系选用折光率高、吸收率小的颜料。衡 量红外热反射涂层反射红外线的能力用散射率来表示，散射率越高，反射红外线的能 力越强。散射率为颜料的折射系数与基料的折射系数之比。由此可知，要得到高散射 率，必须采用折射系数高的颜料和折射系数低的基料，即颜料和基料的折射指数的差 值越大则涂层对太阳光的反射就越强。在基料一定的条件下，颜料的折射系数越大， 其对红外线的散射率越高，隔热性能越好。此外，由于要保证空心微珠在涂膜中的反 射性能，涂料组成材料中应尽量少用对光吸收率高的普通填料，可以使用对光、热反 射性能较好的功能填料，以降低涂料成本。 1 4 1 3 助剂 作为涂料的原材料之一，助剂的用量通常很少( 一般为配方总量的1 左右) p 川。 但是，它的加入可以避免产生许多原漆的缺陷及漆膜弊病，同时又可以使涂料的生产 和施工过程易于控制。这些助剂的选用应根据普通涂料的选用原则并考虑到反射型隔 热涂料的特征，主要包括分散剂、消泡剂、流平剂、增稠剂、成膜助剂等。分散剂通 过降低颜料粒子与树脂液之间的界面张力，使颜料粒子能够快速、完全被润湿，并使 颜料分散体系稳定【7 6 l 。消泡剂可以润湿渗透到由表面活性物质所形成的薄层中，通过 其不相容性与该系统反应，降低其表面张力，破坏薄层的稳定性，从而达到消泡的目 的【7 刀。流平剂是指能改善涂料流平性并使漆膜表面平滑光亮的涂料助剂。流平剂的使 用是保证涂料良好的流平性，因为其可以调节涂料在成膜过程中失水速率，降低涂料 界面张力，提高涂料对被涂物表面的湿润性【7 5 1 。增稠剂能调节水性涂料的粘度或流变 性，易于形成均匀的涂料组分，还可改善涂料的触变性，使得便于施工，减少滴流和 流挂【例。成膜助剂的作用原理与增塑剂类似，用以降低聚合物的t g 【7 引。当乳胶粒子 变形成膜过程完成后，成膜助剂能以较快的速度从涂膜中挥发出去，使聚合物t g 值 恢复至初始值以保持涂膜应有的机械强度和硬度。 1 4 2 反射型隔热涂料制备工艺 日光热反射绝热涂料的制备同普通涂料相似，都是物理混合过程，在制备过程中 第一章绪论 不涉及到化学反应。常用的配制方法有色浆法和干着色法。色浆法是将颜填料、助剂 和水预混后，研磨成颜料浆，然后与树脂