（材料学专业论文）高性能外墙保温隔热涂料的制备与性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国所消耗的能源中，建筑能源消耗大概占了3 5 ，我国从2 0 0 8 年起，对 新建筑采取隔热保温措施。建筑隔热材料中建筑隔热保温涂料因经济、使用方 便和隔热效果好等优点而越来越受到人们的青睐，发展前景十分广阔，将有望 促进涂料市场和隔热材料应用领域的拓展。 本文以目前应用最广泛的丙烯酸基外墙乳胶涂料为代表，系统的研究了影响 外墙涂料隔热性的影响因素。重点围绕改善外墙乳胶漆的对比率和在不影响对 比率的情况下改善外墙乳胶漆的导热系数进行的配方设计，得到外墙保温隔热 乳胶漆的最佳配方范围。研究外墙乳胶漆的对比率在几种主要颜填料钛白粉， 遮盖性聚合物，中空玻璃微珠的组合变化下的规律，得到要达到外墙乳胶漆优 等品对比率钛白粉和遮盖性聚合物的最低配方。研究发现在遮盖性聚合物含量 较高时，遮盖力主要是遮盖性聚合物在起作用，对比率随着钛白粉的增加上升 的很缓慢。在优创含量较低时，钛白粉含量上升时，对比率上升很快。在几乎 相同的钛白粉和遮盖性聚合物总含量的情况下，对比率随着优创的含量增加而 提高，说明遮盖性聚合物的遮盖性要比钛白粉好。 影响外墙乳胶漆隔热性能的主要因素是钛白粉，遮盖性聚合物，中空玻璃微 珠的组合搭配。在了解到有机物比无机物的隔热性更好的前提下，本文主要探 讨了三种颜填料变化对乳胶漆导热系数的影响，发现钛白粉含量越高，导热系 数越高；中空玻璃微珠和遮盖性聚合物的含量越高，导热系数越低；在综合了 各类颜填料的性能后优化了配方，得到了再不影响乳胶漆对比率的情况下，低 导热系数的配方范围。接着探讨了中空玻璃微珠和中空聚合物微珠对太阳热反 射性的影响，得知加入中空聚合物和中空玻璃微珠会使涂膜的太阳热反射性提 高。 中空玻璃作为一种特殊功能填料还大大影响了涂膜的其他性能，本来还探讨 了中空玻璃微珠对隔热涂料力学性能和流变性能的影响，以及两种增稠剂配合 中空玻璃微珠对隔热涂料流变性的影响。 关键词：隔热涂料中空玻璃微珠中空聚合物对比率导热系数流变性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e b u i l d i n gc o n s u m eo fe n e r g yi s3 5 i no u rc o u n t r y , f r o m2 0 0 8i no u rc o u n t r y b u i l d i n g sd e p a r t m e n to fo u rc o u n t r ya d o p t h e a ti n s u l a t i o nm e a 鲫托h e a t i n s u l a t i o nc o a t i n g si nb u i l d i n gm a t e r i a lb e c a u s ee c o n o m y , c o n v e n i e n t , h e a ti n s u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n dt h a tb e 0 3 m em o t ea n dm o r ep o p u l a ri no u rl i f e ，t h i sc o a t i n g sh a sa v e r yc a p a c i o u sf o r e g r o u n d , p r o m i s i n gt oa c c e l e r a t et h em a r k e to fc o a t i n g sd e v e l o p t h i st e x to r d e rt ot h em o s tp o p u l a rc r y l i ca c i d e x t e r i o rw a l lc o a t i n gb a s e ， s y s t e m i cr e s e a r c ht h ec o m p l i c a t i o no fe x t e r i o rw a l lc o a t i n gh e a ti n s u l a t i o nf a c t o r i n t e n s i v ec h - c 舢l m s o l a re x t e r i o rw a l lc o a t i n gc o n t r a s tr a t i oa n di m p r o v et h ew a l l c o a t i n gb a s et h e r m a li n s u l a t i o ni n t h el l o l li n f e c t i o np r e s c r i p t i o nc o n t r i v e a n da c h i e v e t h eb e s tp r e s c r i p t i o nc o n f f m e r e s e a r c ht h ee x t e r i o rw a l lc o a t i n gc o n t r a s tr a t i od e p e n d o nt h eh o l l o wp o l y m e rm i c r o s p h e r eh o h o wg l a 鹞b e a d , t i a n i u md i o x i d ed i s c i p l i n a r i a n a c h i e v et h eb e s te x t e r i o rw a l lc o a t i n gp r e s c r i p t i o nc o n f i n e d i s q u i s i t i o nd i s c o v e ri n t h ei n s t a n c eo fh o l l o wp o l y m e rm i c r o s p h e r ei s 皿旧r c c o v e r i n gp o w e ri sm o r e c o r r e l a t i o nw i t hh o l l o wp o l y m e rm i c r o s p h c r e ，c o n t r a s tr a t i oi ss l o w n e s sw h i t ht h e t i a n i u md i o x i d ei n c r e a s e i n t h ec i r c u m s t a n c e so fl e s sh o l l o w p o l y m e r m i c r o s p h e r e ，w i t ht h et i a n i u md i o 】【i d ei n c r e a s e ，t h ec o n t r a s tr a t i oi n c r e a s ef a s t h e n t h et o t a lc o n t e n to ft i a n i md i o x i d ea n dh o l l o wp o l y m e rm i c r o s p h e r ei s 血c d ，t h e c o n t r a s tr a t i oi si n c r e a s ew i t ht h et i a n i u md i o x i d ei n c r e a s e ，t h i sa c c o u n tf o rh o l l o w p o l y m e rm i c r o s p h e r ei sb e t t e rt h a nt i a n i u md i o x i d ei nc o n t r a s tr a t i o t h ef a c t o ro fa f f e c tt h ee x t e r i o rw a l lh e a ti n s u l a t i o nc o a t i n gt h e r m a lc o n d u c t i v i t y i st h ec o l l o c a t i o no ft i a n i u md i o x i d e ，h o l l o wp o l y m e rm i c r o s p h e r e ，h o l l o wo a s s b e a d i nt h ep r e m i s eo fk n o wt h a to r g a n i c si sb e t t e rt h a nt h ei n o r g a n i cm a t t e ri nt h e t h e r m a li n s u l a t i o n t h i st e x tt h ed i v e r s i f i c a t i o no ft h r e es t u f f i n ga n dp i g m e n ti m p r e s s t h ee x t e r i o rw a l lc o a t i n g d i s c o v e rt h a tt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yi se x a l t a t i o nw i t ht h e t h et i a n i u md i o x i d e ，b u tt h e r m a lc o n d u c t i v i t yd e s c e n dw i t ht h eh o l l o wp o l y m e r m i c r o s p h e r ea n dh o l l o w # a s sb e a di n c r e a s e a f t e rs u n d r yp i g m e n tp e r f o r m a n c e ， a t t a i nt h eb e s tp r e s c r i p t i o nc o n f i n e t h i st e x ta l s od i s c u s st h ei n j c c t i o nb yh o l l o w p o l y m e rm i c r o s p h e r ea n dh o l l o wg h s sb c a di ns o l a rf e v e rr e f l e c t i v i t y ，a t t a i nt h e 武汉理工大学硕士学位论文 c o n c l u s i o nt h a tw i t ht w os t u f f i n gi n c r e a s e ，t h es o l a rf e v e rr e f l e c t i v i t yi si n c r e a s e h o l l o w # a s sb e a db yw a yo ft h ef u n c t i o ns t u f f i n gi s a f f e c tt h ed y n a m o p e r f o r m a n c e ，t h i st e x ta l s od i s c u s sh o l l o w # a s sb e a da c t i o no nd o p er h e o l o g y b e h a v i o ra n dt w ot h i c k e n e ra c t i o no nd o p et h e o l o g y k e yw o r d s ：h e a ti n s u l a t i o nc o a t i n gh o l l o wp o l y m e rm i c r o s p h e r e ，h o l l o w # a s sb e a d m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 日期 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名： 导师签名：日期 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国外墙涂料的现状 建筑大师梁思成先生曾强调说，建筑是社会科学和技术科学以及美学的结 合，三者缺一不可。【1 1 无论那种形式的建筑，建筑材料是构造建筑的必备组成部 分，作为建筑中技术科学的体现，它决定了整个建筑业的发展步伐。外墙饰面 材料是建筑材料中使用最广泛的一种，对建筑物起装饰保护作用，不但满足建 筑的观赏性，而且能提高建筑物的耐久性，延长使用寿命。目前，外墙饰面材 料中，主要有陶瓷装饰材料、玻璃装饰材料、金属装饰板、装饰石材、外墙涂 料五种。前面四种是传统饰面材料，它们在保护外墙和美化城市方面在一定程 度上起到了积极作用。但随着建筑业的发展，存在的各种缺陷也相应显露。如 陶瓷装饰材料( 釉面瓷砖、马赛克等) 存在着起壳脱落的不安全性以及生产耗 能过大的问题，北京、上海等各大城市早已出台相应的文件及法规限制其使用； 装饰石材花岗岩除施工困难、造价较高外，存在不同程度的色差和反射性 污染的严重问题，不适宜三层以上建筑物的外墙装饰；而玻璃幕墙由于。光污 染一现象，近年来已受到国内外的重视，并出台各种法规限制其在相应的建筑 中的使用；外培涂料作为一种新型饰面材料，其能耗低、成本低、质轻、无接 缝、安全、容易更新、色彩丰富，非常符合建筑外墙装饰材料装饰性、环保性、 节约能源的方向发展，并且得到各地的大力推广和应用，已成为国内外建筑装 饰的潮流。 - 1 2 外墙涂料的特点与优势 【2 】外墙涂料能成为当今外墙饰面材料中的新宠，正是凭借以下几个方面的特 点与优势： 装饰功能近年来，建筑涂料的生产引入了大量的高科技，新品种不断增 加。采用电子调色技术，可以充分满足城市设计师们对颜色的要求；施工工艺 出现了以喷涂为主，滚涂、抹涂、刷涂以及多种做法的复合工艺，可以做出多 种多样的图形花饰，如砂粒形、细粒形、桔皮形、浮雕形的富于立体感的造型， 加上单色、复色、有光泽、亚光等丰富多彩组合，充分满足公众对装饰的要求。 这对其它饰材而言，更换色彩是完全不可能的。 武汉理工大学硕士学位论文 安全性外墙涂料本身自重轻，而其它材料自身较重，由于涂料其自身轻， 所以对抗震有利，对人身也比较安全。不会像釉面砖、马赛克因年久老化或施 工不良会发生脱落，造成人身安全事故。 节能环保作用与其它外培材料相比，建筑涂料不需毁田耗煤( 如瓷砖) 不存在饰面更新时回收处理困难( 如幕墙) 等问题。特别是丙烯酸系列的水性 建筑涂料，以水为分散介质，不含污染大气的有毒物质，在全球范围内环境保 护意识增强的今天，使用环保的水性建筑涂料，是我们对生存环境的要求。 经济性一般外墙涂料含施工价为( 1 5 2 5 ) 元m s ，比一般天然石材便宜 1 0 倍，可保证( 1 0 - 1 5 ) 年的有机硅改性丙烯酸乳液及纯有机硅外墙涂料的包工 包料价为( 3 5 - 4 0 ) t t , m 2 ，比中等天然石材便宜1 0 倍，氟碳漆可以保证使用寿 命在2 0 年以上，其包工包料价为( 4 5 - 5 0 ) 甜相比之下外墙涂料的经济性是 很好的。 1 3 国内外外墙涂料的发展现状与趋势 1 3 1 国外建筑涂料的发展现状 国外建筑涂料的产量和应用现状 国外的建筑涂料发展已走过了漫长的历史路程，从产品品种、规模应用、 质量水平以及研究水平上，都有了很大的发展，特别在发达国家，内外墙装饰 装修 用得最多的是建筑涂料，已经成为涂料中产量最大的品种。目前世界涂料 总产量约2 8 0 0 万吨，其中建筑涂料占4 0 , - - , 5 0 ，约1 1 0 0 - - - , 1 4 0 0 万吨左右。在 工业发达国家，建筑涂料为消费比例最大的一类涂料，占涂料总产量的5 0 左 右。发展较快的地区主要分布在美国、日本、西欧及亚太地区。表1 1 显示了一 些发达国家的建筑涂料占涂料总量的比例。 表1 - 1 美国、日本及西欧发达国家建筑涂料产量占涂料总量的比例 国家美国日本德国恳人制法国英国荷兰比利时 比例( ) 5 24 05 55 75 54 26 24 7 美国是涂料工业发达国家，建筑涂料年产量近十年来一直保持在2 7 0 万吨左 右，占涂料产量的5 2 ，其中水乳型涂料占7 5 ；溶剂型涂料占2 5 。在美国， 4 5 建筑物外墙是用涂料装饰的；内墙装饰则占到了6 0 。日本也是世界涂料 2 武汉理工大学硕士学位论文 生产大国，产量居世界第三，建筑涂料年产量在1 0 0 万吨左右，占涂料总产量 4 0 左右。在日本，建筑涂料使用非常广泛，不仅限于内外墙壁、顶棚、地面， 还包括门窗、走廊、楼梯扶手、水箱、屋面防水等建筑物所有的附属金属构件 和木质件【3 】。西欧像德国、瑞士等国家，8 0 的外墙使用涂料装饰，意大利、西 班牙等地中海沿岸国家，6 6 的外墙用涂料装饰。西欧的建筑涂料使用量占涂 料总量的3 9 。亚太地区近几年来建筑涂料发展迅速，一些国家的政府从美化 环境出发，颁布了相关政策法规，为建筑涂料的消费量迅速增长提供了有利的 支持。新加坡自1 9 9 8 年以来，把高档重型外墙硬饰材料用立法的形式，限定在 1 0 的比例以内，要求几乎所有高层建筑装饰均用涂料、漆料。 国外建筑涂料的产业结构 世界涂料工业的显著特点是，世界级大公司通过其战略购并、合作合资、 合理布局涂料的生产与市场，形成市场一体化的规模效应，使涂料工业向集团 化、规模化、专业化的方向发展，从而达到全球合理化经营的目的。据统计， 世界1 0 家最大的涂料公司的产量占世界涂料总量的1 3 ，而市场占有率则达到 6 0 ，这种趋势正向发展中国家延伸。 国外建筑涂料的产品结构 国外建筑涂料种类丰富，包括有机的水性涂料和溶剂类涂料，也有无机涂 料1 4 】。就有机涂料的成膜物而言，油脂涂料、天然树脂涂料、酚醛树脂涂料、沥 青涂料等为低档涂料。醇酸、氨基、硝基、过氯乙烯等树脂、聚酯、环氧丙烯 酸树脂、聚氨酯、有机硅橡胶等树脂类涂料即合成树脂涂料为高档涂料。高低 档涂料的比例通常是反映涂料工业发展水平的尺度，美国、日本、西欧等发达 国家和地区，合成树脂涂料的比例都在9 0 以上。美国建筑涂料以成膜物分类， 外墙涂料丙烯酸类树脂涂料占9 0 左右，聚醋酸乙烯类树脂涂料占3 0 左右， 其它树脂如聚氨酯、环氧树脂系列涂料等约占1 0 左右。日本建筑涂料不仅质 量高，而且种类多，外墙建筑涂料以苯乙烯丙烯酸、醋酸乙烯丙烯酸 树脂及纯丙烯酸树脂为主。近年来，聚氨酯涂料作为中高档建筑涂料在日本使 用量大增。 欧洲各国建筑涂料也以丙烯酸类树脂涂料为主，尤其在外培涂料上占绝大部 分。 1 3 2 我国建筑涂料的发展现状 3 武汉理工大学硕士学位论文 建筑涂料作为涂料行业中最大的一个部分，随着我国建筑业的蓬勃发展， 建筑涂料已经逐步发展成为一个成熟的工业成熟的生产工艺、成熟的产品、 成熟的销售市场和成熟的施工应用等。 产量及其应用现状 近年来我国经济的快速增长为建筑涂料提供了良好的发展机遇和应用条 件，涂料在经济性、装饰性、施工性、节能性等方面表现出无可比拟的优势， 应运而生的国际级、地方级使用推广政策法规，使得建筑涂料得到快速发展， 产品质量、档次以及涂装和应用的技术水平均有较大提高。近几年，我国的建 筑涂料的年产量一路走高，如今已仅次于美国，成为世界建筑涂料第二大生产 国。 表1 2 我国近几年来建筑涂料产量的发展情况 行业发展现状 ( 1 ) 国家政策力度加大 为了全面贯彻国家化学建材“十五一计划，推动建筑涂料行业的持续健康 发展，2 0 0 2 年建设部提出加强建筑涂料生产与应用管理工作的意见，并在 2 7 号公告的基础上组织专家研究限制淘汰落后建筑涂料技术和产品的措施， 2 0 0 4 年3 月发布了推广、限制和禁止使用技术的2 1 8 公告。各地政府和建设主 管部门制定了限制瓷砖、马赛克，鼓励外墙涂料发展的政策和规范市场的措施； 例如重庆已于2 0 0 6 年7 月正式出台了建筑涂料替代面砖的法规。建筑涂料产品 环境标志认证纳入国家统一管理的轨道。 ( 2 ) 科技投入增加，技术创新能力增强 2 0 0 2 年初建设部下达了l ：我国建筑涂料高新技术综合配套研究课题，3 0 余家高校、研究院所和骨干企业针对建筑涂料基础研究、产品开发和工程应用 开展重点技术攻关。两年来的研究工作取得了预期效果，部分项目已达到国际 先进水平，一批成果已经投入生产和工程应用；企业技术创新的积极性得到提 4 武汉理工大学硕士学位论文 高，大中型企业建立技术中心，研发投入增加，以广东顺德鸿昌涂料实业有限 公司于2 0 0 1 年成立了我国涂料行业的第一个博士后科研流动站，在加大科研力 度后于2 0 0 4 年成功的将产品出口美国，成为我国首个出口建筑涂料的企业；在 企业的积极参与。 ( 3 ) 专业化分工逐步形成，配套能力提高 近年来，建筑涂料行业专业化分工的趋势日益显现，在原材料领域出现了 一批专业化的乳液、色浆生产企业；在配套材料领域出现了一批腻子专业生产 企业；在流通领域出现了一批专业化的营销企业；应用领域出现了一批专业化 的涂装工程公司。一批设备制造企业也瞄准行业装备发展的市场需求，积极进 行新设备的开发与研制。 ( 4 ) 骨干企业市场份额扩大，产品整体质量提高 近年来大中型建筑涂料企业的产量稳步增长，骨干企业的市场份额逐步扩 大。据不完全统计，2 0 0 2 年5 0 0 0 t 以上规模的企业超过2 0 家，比2 0 0 1 年增长 3 0 ；上述企业总产量超过3 0 万t ，比2 0 0 1 年增长2 4 ；2 0 0 3 年国家涂料监 督抽查表明，建筑涂料强制性标准实施以来已经收到显著的成效；建筑涂料的 品种、质量和数量已基本满足市场需求。 ( 5 ) 涂料标准规范日趋完善 伴随着建筑涂料的迅速发展，我国相关涂料科研权威机构、优秀涂料企业等， 借鉴国外已有先进标准( 主要为日本j i s k 标准) ，结合我国实际国情，制订并 颁布了一系列的产品和测试技术标准、施工和验收规范，有效的规范并保证了 建筑涂料市场的健康发展，保护了消费者的利益，并促进了涂料的良好发展。 1 3 3 国内外建筑涂料的发展趋势 涂料工业的整个生产应用在与环境相处的意义有保护性、也有破坏性的特 点。原材料来源于石油、矿石等资源，成品中的各种有机挥发物对人体会产生 不同程度的伤害。在充分发挥并大力发展建筑涂料对建筑的保护、装饰及功能 性作用前提下，以环保型、功能复合型、节能型等产品特点，不断调整企业产 品结构，提高产品生产和质量技术，加快并加强相关产品的标准制定和执行， 在现有发展现状基础上稳中求进，是国外建筑涂料的发展总趋势。具体可表述 为以下几点： 向低v o c ( 有机挥发物) 方向发展 。 环境保护已经成为全球经济发展的大主题。国际环境保护法颁布后，发达 5 武汉理工大学硕士学位论文 国家先后出了发展涂料工业的三大前提和四大原则，即无公害、省资源、省能 源三个前提和经济( e c o n o m y ) 、效率( e f f i c i e n c y ) 、生态( e c o l o g y ) 、能源( e n e r g y ) 的“四e 一原则【列。建筑涂料在生产、使用中排放的v o c 是主要的环境污染源 之一。于是各国政府都相继制定了有关环境保护的法规，美国从6 6 项法规发展 到现在的1 1 1 3 项法规，对建筑涂料的有机挥发物的限制作出了更为明确的限制。 其v o c 含量从l o o # 限定到5 0 9 n 。日本和欧美国家也都在环保法规上对v o c 含量作出了限定标准。我国自入世以来，环境保护型工业发展的概念也逐渐加 强，努力与国际要求接轨，于2 0 0 1 年就提出了限制涂料产品v o c 含量的国家 标准( 2 0 0 9 l ) 。世界环保的要求和呼声使涂料的开发研究朝着低污染环保型的 方向深化。因此，减少v o c 的含量已经成为国内外建筑涂料发展的总趋势i 叫。 ( 1 ) 高固体份涂料 高固体份涂料即固体份含量特别高的涂料，其涂装时溶剂的排放量大大减 少，在保护生态环境方面的优势使其为涂料工业发展的方向之一，也成为建筑 涂料的重要方向。 ( 2 ) 水性涂料 水性涂料由于无毒安全、节约资源、保护环境，成为建筑涂料发展的主要 方向，也将是涂料品种变革的最终归宿。目前，主要发展方向有4 种类型：水 溶性涂料、水溶胶涂料、水乳胶涂料和粉末水性涂料。英国的i c i 公司、美国的 罗门哈斯公司、德国的b a s f 公司等都是大型的生产水性合成树脂的跨国公司。 目前，水性涂料发展方向是开发高外观质量的涂料；确立颜料分散技术和多元 化技术；确立水性化涂料的制造技术；开发耐酸碱性、耐擦伤涂料。 ( 3 ) 粉末涂料 粉末涂料由于无溶剂污染，1 0 0 成膜，能耗较水性涂料和高固体份涂料低， 涂膜具有优良的机械性能和耐腐蚀性能成为建筑涂料发展的方向之一1 9 】。粉末建 筑涂料主要是用于门窗、围墙和电杆、护栏等材料以及建筑用管材的涂装。主 要品种有：低温固化和快速固化粉末涂料；外观装饰性好的粉末涂料；薄层粉 末涂料；适用于高层建筑、大桥、高速公路等领域的氟树脂粉末涂料。另外， 还有低光泽粉末涂料、透明粉末涂料、预涂型粉末涂料等有前途的涂料。 ( 4 ) 辐射固化涂料 辐射固化涂料是以不饱和树脂和不饱和单体为基料引入引发剂，以阳光、 紫外光或电子束固化的一类涂料。由于这类涂料无溶剂、污染少、省资源、常 温固化，成为建筑涂料发展方向之一。 1 0 n 前用于建筑行业的有：不饱和聚酯、 6 武汉理工大学硕士学位论文 聚酯丙烯酸、环氧丙烯酸脂、聚氨酯丙烯酸脂、聚醚丙烯酸脂等自由基光固化 或紫外光固化涂料。美国和日本以丙烯酸光固化涂料为主。目前开发的主要方 向是低成本的新型常光固化涂料。 向功能复合化方向发展 功能性建筑涂料由于不仅有保护和装饰建筑物的功能，而且具有其他方面 的特殊功能，也成为国外建筑涂料发展的重要方向。随着高分子科学等其他与 涂料相关的基础科学的重大突破和高新技术的进步，不久的将来，功能性建筑 涂料在现有基础上将会有更新的飞跃。1 1 1 】目前，研究开发的主要技术方向是高 装饰性、高功能复合化的建筑涂料以及能赋予涂料特殊功能的高效功能性新型 涂料用树脂和添加剂的研究。 向高性能、高档次发展 随着现代高层建筑的兴起，对建筑涂料的耐候性要求越来越高，高耐候性 涂料树脂的研究开发成为当今世界尤其是发达国家涂料研究的活跃领域。目前， 最活跃的领域是含氟树脂和有机硅改性树脂的研究。其中，有机硅改性丙烯酸 树脂涂料的研究由于其耐候性可以与含氟树脂涂料相媲美。耐污染性优于氟树 脂涂料，成本只有氟树脂涂料的1 3 ，将是今后超耐候性涂料的发展方向。 1 4 乳胶漆的成膜机理 溶剂型涂料的耐沾污性通常优于乳胶漆，与其致密性的涂膜结构有关。因 此，研究p v c 对漆膜性能的影响，必须了解乳胶漆的成膜机理和涂膜结构。乳 胶漆由合成树脂乳液、颜料和填料、助剂、水组成。其成膜过程与溶剂型涂料 的交联成膜不一样，乳胶漆的成膜是一个从分散着聚合物颗粒和颜料、填料颗 粒相互聚结成为整体涂膜的过程。大致分为3 各阶段：初期、中期和后期【2 6 1 初期 乳胶漆施工后，随着水分的逐渐挥发，原先以静电斥力和空集纳位阻稳定 作用而保持分散状态的聚合物颗粒和颜料、填料颗粒逐渐靠拢，但仍可自由运 动。在该阶段，水分的挥发与单纯水的挥发相似，为恒速挥发。 中期 随着水分进一步挥发，聚合物颗粒和颜料、填料表面的吸附层破坏，成为 7 武汉理工大学硕士学位论文 不可逆相互接触，选到紧密堆积，一般认为此时理论体积固含量为7 4 ，即堆 积常数是们4 。该阶段水份发挥速率约为初期的5 1 0 。 后期 由于涂膜的继续缩水，表面则形成毛细管力或表面张力等的作用下，当温 度高于m f t 时。乳液聚合物颗粒变形，聚结成膜，同时聚合物界面分子链相互 扩散、渗透、缠绕，使涂膜性能进一步提高，形成具有一定性能的连续膜。此 阶段除了水分的缓慢挥发外，还有成膜助荆的挥发成膜助剂在此阶段初期是 挥发控制，随后是扩散控制。 莓：一麦藿萎鏊爹一 图1 - 1 乳胶漆成膜过程示意图 当环境温度和基层温度高于乳胶漆的最低成膜温度时，乳胶体系由于水分 挥发干燥成膜。涂膜由固体聚合物、颜料、填料、部分残留助剂和气体组成的 一个多相体系。固体聚合物是乳液水分挥发后留下的部分，其数量按配方不同 约占涂膜总质量的1 0 5 0 。颜填料的粒径范围不等，在漆膜中起骨架作用。 助剂用量较少，对于外墙涂膜，随着雨水的冲洗，部分残留助剂会留下孔隙。 体系的p v c ( 颜填料体积浓度) 对涂膜的致密性起关键作用，不管1 ) v c c p v c ，涂膜都存在气孔，组成涂膜的一部分。颜料颗粒填充在填科 颗粒之间，小颗粒填充在大颗粒之间。固体聚合物主要是通过界面机械咬合力 和范德华力把颜填料、填料黏结在一起，而形成涂膜网。 1 5 我国外墙保温隔热涂料中所遇到的问题 反射型建筑绝热涂料在今后几年将会得到更大的发展，应用量也将会显著 增加。这是因为目前建筑节能已成为我国法定要求，建设部在关于民用建筑节 能管理规定的第1 4 3 号令中，对我国民用建筑节能进行了严格的强制性规定。 提高建筑物围护结构的绝热性能是建筑节能工作的首要措旆。建筑维护结构的 保温隔热包括墙体和屋面2 个方面。墙体保温隔热措施分外墙内保温、外墙外 保温和墙体自保温等方法。由于外保温在建筑节能和室内环境舒适等方面的诸 多优点建设部己把外保温作为重点发展项目1 1 2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 在外保温隔热体系中，置于保温层之上的抗裂防护层，对于薄抹面其膜厚 在3 - - 6 m m ，对于厚抹面为2 5 3 0 r a m ，且保温材料具有很高的热阻，在热量相同的 情况下，外保温抗裂保护层的温度变化速率比无保温情况时提高踮3 0 倍。对于 广泛使用聚苯板和聚苯颗粒保温涂料的外保温，使用普通涂料进行饰面时，保 护层的温度在夏季可达到8 0 ，表面温度的变化可达5 0 。因此对抗裂防护层 的要求很高，当材料性能差或者施工质量有问题时会导致开裂。夏季保温层表 面的持续高温还会加速涂膜的老化速率，更不利于热塑性涂料的耐沾污性。对 于南方高热地区尤其如此。这都是外保温给建筑涂料带来的新问题【1 3 】。 从上面的讨论可知，反射型建筑绝热涂料的最主要性能就是能够反射夏季 的太阳热辐射，降低因太阳辐射而导致的涂膜温度升高。由于外培外保温表面 涂装这类涂料后，涂膜表面温度不会大幅度升高，而且同时能够减少通过墙体 在建筑物内的传热。从所发表的研究结果来看，涂覆反射型建筑绝热涂料后， 涂膜表面的温度比未涂装涂料或者涂装普通涂料时温度最高可降低1 9 这就 给外墙外保温表面温度高、可能受到的温差大所带来的开裂、涂膜老化加速等 问题一个极好的解决途径1 1 4 1 因而，过去反射型建筑绝热涂料的发展很慢，应用较少，一是因为需求少， 二是建筑节能尚未形成法定要求。而目前情况的变化使得该类涂料的应用将会 受到重视，并有着十分可观的应用前景。实际情况也是如此，有些生产商已经 开始开发该类涂料。此外，反射型建筑绝热涂料的性能调整十分方便。可以根 据需要选择基料，例如可以使用弹性建筑乳液配制能够遮蔽基层裂缝的弹性建 筑涂料；使用有机硅丙烯酸共聚乳液配制耐沾污性好的硅丙涂料以及使用溶剂 型树脂配制高性能溶剂型涂料等。当选用不同基料时，只是涂料的物理力学性 能有所差别，涂膜的反射性能没有明显差别。这也给该类涂料的应用提供了更 好的灵活性【冽。 1 6 外墙保温隔热涂料的类型 建筑保温隔热涂料也称为建筑绝热涂料，属于功能性建筑涂料，根据保温 隔热作用机理的不同，可以分为阻隔型、反射型和辐射型3 类。这3 类涂料的 绝热机理不同，应用场合和所得到的效果也不刚1 6 1 。 1 6 1 阻隔型建筑保温隔热涂料 9 武汉理工大学硕士学位论文 阻隔型绝热涂料的绝热机理是阻止热传导。阻隔型建筑绝热涂料涂装成后 涂膜中充满着孔隙，因而涂膜的干密度很低，其导热系数一般小于0 0 6 w ( m k ) ， 所以具有很好的绝热性能。阻隔型绝热涂料在实际应用中的绝热效果与涂膜厚 度密切相关i l 7 。 目前外墙外保温涂料在国内得到广泛应用，涂料也开始从过去的膏状涂料 向粉状涂料转变，并且以粉状产品为主；组成材料由初期以膨胀珍珠岩作为绝 热骨料逐步转变成以膨胀聚苯颗粒为绝热骨料。不过，由于建筑行业的习惯沿 袭，粉状建筑保温隔热涂料多数情况下被称为“保温砂浆一、“轻质绝热砂浆一 等，这些习惯称谓极为流行。国家建工行业标准j g l 5 8 - 2 0 0 4 1 4 2 3 经过分析得到 3 号的对比率最小，c a c 0 3 含量最高，说明c a c t h 遮盖力最差 5 号最高，无c a c 0 3 ，硅灰石遮盖力最好。 4 号好于2 号，5 号好于4 号说明遮盖力的大小顺序是硅灰石，高岭土 重钙。 由于重钙的加入可以大大的降低涂料的成本，所以，我们选用1 号的三种 填料的组合，它们三种组分的比例在以后的配方设计中都保持不变，看作一个 整体。 2 8 2 钛白粉，中空聚合物，其他填料三者的组合和对比率的变化 前面提到了本次实验配方的设计原理，这次一共有2 0 个配方，主要是钛白 粉，中空聚合物，其他填料三者之间的变化，下表为配方中三大组分的列表： 表2 - 7a 和b 组的基本配方 父 ab 123 4512 345 坫4 成”呱 3 插6 m 2 瞄 6 j 鸸坫m ”晒 8 3佰位渤吣 9 4 5加4 姗哪 5 2 2加6 哪抛耋| 3 8 加8弼埔 o 0 匕2 力到6 1 o 3 6加挖缁的嘶 粉 石土刨白钙灰岭优铁重硅高 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 8a 和b 组的基本配方 长 cd 1234512345 优创 1 2 钛白粉1 2 重钙 6 5 2 硅灰石1 3 0 高岭土o 5 0 上表很明显可以看出a - , - d 的配方中，中空聚合物的含量从2 0 到8 ，每次 减少4 ，每一大组配方中l 一5 号里面，钛白粉从1 2 9 6 降到4 ，每次减少2 。 上表对应的对比率见下图： o o m哺0 1 0饥 2 钛白粉质量分兹 图2 82 0 个样品的对比率 由上图分析 在优创含量比较高的时候，对比率随着钛白粉的增加而增加，但是变化 的幅度很小说明在优创含量高的时候，遮盖力主要是中空聚合物在起作用，钛 白粉的影响力很小。因为优创含量太高后，中空聚合物粒子占据了主要的体积 空间，遮盖力里面钛白粉的作用就增加了。 中空聚合物含量偏高的时候，对比率在钛白粉的含量是1 0 前基本是增 加的，但是一过1 0 ，就呈下降趋势，说明钛白粉在超过一定含量的时候就会产 生过聚现象，钛白粉的遮盖效率就会下降 优创含量较低的时候，对比率随着钛白粉的增加而增加的趋势很明显， 说明主要是钛白粉在起主要的遮盖作用。 下表为2 0 个样品中钛白粉和中空聚合物的固含量合计百分比。 8 8 6 8 4 啪擒 詈 22 j 1 8 6 l 2 6 2 8 8 ；俎耋| 8 m 9 挑们8 8 屹 u 帖 陀 9 ：4 眺”啷 盯位6 蚣勉哪 6 8 5地8 嘶爝呖 心加 叭脚响 薹荟嚣基摇酱嚣嚣暑暑器 鼍丑智 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 9 样品的钛白粉和优创固含量合值 鼻 1 分 l 一 t r l 号 abcd 簟刹 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 1 6 8 1 4 8 1 2 8 1 0 8 8 8 1 5 6 1 3 6 1 1 6 9 6 7 6 1 4 4 1 2 4 1 0 4 8 4 6 4 表2 9 里面共有三组样品的固含量接近一个数值 第一组：a 3 ( 0 1 4 ) ，b 2 ( 0 1 4 8 ) ，c 2 ( 0 1 3 6 ) , o l ( 0 1 4 4 ) ，平均值0 1 4 2 第二组：a 4 ( o 1 2 ) ；b 3 ( 0 1 2 8 ) ，a ( 0 1 1 6 ) , d 2 ( 0 1 2 4 ) ；平均值0 1 2 2 第三组：a 5 ( o 1 0 ) ；1 3 4 ( 0 1 0 8 ) ；c 4 ( 0 0 9 6 ) ，d 3 ( 0 1 0 4 ) ；平均值o 1 0 2 图2 - 9 相同固含量情况下对比率变化 由上图2 - 9 可以看出，在钛白粉和中空聚合物的总固含量接近一定值的时 候，对比率随着优创的固含量增加而增大，说明优创的遮盖性要比钛白粉好。 经过分析可知，虽然金红石型钛白粉和中空聚合物都有很好的遮盖力，但钛白 粉容易受到团聚效应的影响，超过一定的比例后遮盖力会降低，而中空聚合物 武汉理工大学硕士学位论文 粒子则不存在这样的问题，中空聚合物粒子的粒径大多数在0 2 5 u m 左右，处于 最佳的粒径范围，也是它能够提升遮盖力的重要原因。 2 8 3 中空玻璃微球对乳胶漆对比率的影响 中空玻璃微球是一种新型超轻质填充材料，具有重量轻、体积大等优点。 另外还具有绝缘、自润滑无毒等优异性能。可直接填充于绝大部分类型的 热固性、热塑性树脂产品中，下面的实验讨论的是中空玻璃作为隔热填料 取代中空聚合物乳液时中空玻璃微球对乳胶漆对比率的影响。 用中空玻璃微球取代中空聚合物乳液和中空玻璃微球对乳胶漆对比率的影 响，得到新的对比率数据，用c 1 声出三个样品进行取代实验，c 1 的优创固 含量为3 6 ，取代后，5 个样的优创比玻璃微珠的固含量分别为 6 ：0 ；3 ：0 6 ；2 4 ：1 2 ；1 8 ：1 8 ；1 2 ：2 4 a 5 和a 2 的优创固含量都为 6 ，5 个样的优创比玻璃微珠的固含量分别为6 ：0 ；5 ：1 ；4 ：2 ； 3 ：3 ：2 ：4 经过测试，得到下图： o 舅 慵 o j n 蛇 * o 舯 筮 靛0 8 8 o 6 o 0 o 0 2 2 43 ：34 ：2窑t矗坶 中空聚合物：中空玻璃微珠 图2 1 0 中空玻璃微珠取代中空聚合物情况下对比率的变化 由图可以看出，当空心玻璃珠取代优创越多时，对比率是逐渐下降的，空 心玻璃珠的遮盖性是明显不如中空聚合物的，而且取代后的乳胶漆和没取代前 并且优创含量一样的样品的对比率几乎一样，可以说明空心玻璃微珠几乎没有 武汉理工大学硕士学位论文 遮盖力。由图2 分析，虽然中空玻璃微珠也是具有空心结构的粒子，但是因为 其粒径分布很不均匀，再加上玻璃的折光指数和空气的差异也很小，所以才造 成了中空玻璃微珠的低遮盖力。空心玻璃珠遮盖力较差，但是他具有很好的隔 热性，还可以提高乳胶漆的很多其他的性能，因此还是有它的应用价值的。 2 8 4 本章小节 在重钙，高岭土，硅灰石三种填料里面，遮盖力的的大小依次是硅灰石， 高岭土，重钙。 中空聚合物乳液可以大大的提高涂料的遮盖力，也可以降低钛白粉的用 量，降低成本，而且中空聚合物乳液的遮盖力要比金红石型钛白粉要好。 中空玻璃微球作为一种特殊的功能填料，在遮盖力方面起的作用相当的 d 、。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章保温隔热涂料的隔热性研究 3 1 保温隔热涂料的研究现状 从保温隔热涂料在墙体中的位置与建筑的关系上划分，可分为内保温、外 保温和夹芯( 中间) 保温3 种形式。内保温是较早采用的内墙培面用保温隔热 涂料，根据内墙墙面的环境情况，采用聚乙烯醇缩醛胶、合成树脂乳液等有机 基料为主要的粘胶材料，而有的涂料将无机粗质轻填料改变为有机材料，例如 聚苯乙烯泡沫颗粒，并适当应用了废弃材料，使涂料成本降低，绝热性能提高。 近年来，由于外培内保温受到许多限制，如外墙内保温容易产生热桥，并且外 墙内保温的墙面上难以吊挂，影响用户的二次装修，限制了内保温技术的发展， 外保温技术由于具有以下的优点：( 1 ) 避免热桥的产生；( 2 ) 提高建筑物使用 的舒适度；( 3 ) 减轻温差引起的建筑物损伤；( 4 ) 可对旧有建筑物进行节能改 造；( 5 ) 增加用户使用面积等而成为建筑保温隔热涂料研究的热点，并且其在 建筑节能中的应用也逐渐增加。而夹芯保温技术，由于施工相对复杂，造价较 高，而在普通的建筑节能中较少采用，偶见于高档别墅式建筑的节锹3 3 1 。 3 1 1 建筑保温隔热涂料的组成 保温隔热骨料 保温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 保温隔热涂料的性能。而通常导热系数又与材料本身的成分、表观密度、内部 结构、传热时的平均温度和含水率有关。因此，选择表观密度适中、内部结构 疏松、气孔率高、含水率小的材料作为保温隔热骨料，可以有效降低保温隔热 涂料的导热系数。 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、玻璃纤维产品。保温隔热 武汉理工大学硕士学位论文 涂料常用的矿物棉主要有硅酸铝纤维，岩棉、矿棉及玻璃纤维也可使用，但要 注意渣球含量及分散性j 。 基料 基料主要是对保温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。起初的保温隔热涂料 的基料都是耐高温的无机基料如水玻璃和改性硅溶胶，但此类保温隔热涂料主 要存在着干燥周期长、施工受季节和气候影响大，抗冲击能