纳米隔热卷材漆论文.doc

第4届上海国际彩板及涂料涂装技术交流研讨会获奖优秀论文选 10张 驰 (广州中国科学院工业技术研究院, 广州511458)摘 要 隔热防腐卷材涂料的开发利用可有效地解决现代钢结构建筑物饱受阳光辐射的酷热之苦，也为社会节省能源、降低费用、减少成本提供了可行性。本文从理论与实践的视角阐述了涂料的组成、涂层性能、涂层结构、隔热原理及工艺条件。关键词 功能性隔热填料；纳米改性剂；封端基交联剂；高温解封催化剂；隔热防腐卷材涂料；隔热原理 0 前 言目前在市场上的镀锌钢板卷材、彩色涂装钢板卷材，均不具有隔热功能。如用此类钢板卷材制作的屋瓦或建筑外墙，在炎热的夏季会使室内温度升高至4050，烘烤灼烈，酷热难当。普通卷材涂料涂敷的彩色钢板，置于阳光下之所以吸热、放热、导热，是因为涂层中的颜料(尤其是深色颜料)吸收红外光能量并转化成热能的结果。为了解决这一问题，近年来有人研制出用于建筑屋顶(水泥面、彩瓦面)及外墙的隔热涂料。目前，虽然市场上已有人研制出自干修补漆类隔热涂料，例如日本专利号为JP98-120946公开的一种外观深色的红外光反射涂料、德国专利号为DE19501114公开的红外反射涂料、中国专利申请公开号为CN1434063A介绍的热反射隔热涂料等，无论是溶剂性还是水溶性的产品，均属于热塑性自干修补漆类型，所使用的成膜物树脂或乳液等材料，无法适用于自动化生产线作业的冷轧钢制板带涂装工艺，而目前烘干型卷材涂料又缺少隔热功能。曾有人研究过隔热功能卷材涂料，但由于涂层的隔热作用，在线速度为1m/s以上、烘干隧道炉只有4060m长、炉温控制在300320的流水生产线上也无法烘干。若提高炉温，涂层表面因受热温度过高，涂层会焦化变黄。如上所述，由于目前还未能解决隔热卷材涂料在工艺温度下快速烘干固化的难题，因此，有关隔热卷材涂料成功的案例尚未见业内报道。本研究制备了一种新型的隔热防腐卷材涂料，亦即是在原有工艺设备温度条件下可以快速烘干固化的适用于烘干隧道炉流水生产线的“原厂漆”。1 实验部分1.1 原材料环氧酯树脂(长润化工出品)；聚酯树脂(先达化工出品)；热固性氟树脂(大连振邦出品)；A370封端基交联树脂(首诺化工出品)；ERPO-5#/ERPO-6# 纳米功能颜料(由Siflon 公司提供)；SFL180高温解封催化剂(自制)；YO20N纳米改性剂(瑞尔科技提供)；SFL20隔热粉(台美化工提供)；铬酸锶/铬酸锌/三聚磷酸铝混合防锈颜料(代号SFL808，自制)；其它：化工市场选购。1.2 设备仪器实验设备：高速分散砂磨两用机、三辊机；试验检验设备仪器：刮板细度计、线棒涂布器、1201800.75mm冷轧钢板、1300恒温干燥箱、牛顿冲击仪、铅笔硬度计、T弯试验机、光泽仪、突杯试验机、红外线测温仪、盐雾试验箱、人工老化试验箱等。1.3 配方与工艺1.3.1 配方设计本隔热防腐卷材涂料是由纳米改性功能隔热颜填料、调色颜料、粘结胶料、混合溶剂、交联剂、高温解封催化剂和其它涂料助剂等材料组成的。配方设计见表1-1所示。1.3.2 制造工艺 树脂改性：用氟树脂对环氧酯和聚酯树脂进行物理改性。经过筛选，大连振邦的热固表1-1 JC5268隔热防腐卷材涂料基础配方原 材 料重量份，wtJC5268D底 漆JC5268M面 漆FH100氟改性环氧酯FZ200氟改性聚酯树脂A370封端基交联剂混合性溶剂体系SFL808防锈颜料二氧化钛颜料功能性隔热填料*超细云母粉超细硫酸钡涂料助剂*SFL180高温解封催化剂30.040.05.015.015.025.015.025.03.05.050.055.010.020.07.012.010.015.015.025.03.08.03.05.01.53.0*功能性颜填料为隔热填料、纳米改性剂、纳米功能颜料的组合物；* 涂料助剂包括: 偶联剂、分散剂、防沉剂、消泡剂、流变剂等。性氟树脂与长润的环氧酯和先达的聚酯树脂混溶性良好，适合本实验要求。混配比例为：基体树脂改性树脂21(wt)。 先将500L或1000L的油漆拉缸置于可升降式变频调速分散机分散盘正中心，将频率调至每分钟500600转数启动分散机，在低剪切速度下，用电子秤按配方顺序(树脂、溶剂、颜料、填料、助剂及功能性隔热填料等组份)称量，边投料边搅拌分散； 原材料全部投完后，将分散机频率调至每分钟1200转，高速分散30分钟。混匀后将分散机升起，推出拉缸置于立式或卧式砂磨机旁，用塑胶管连接，开机研磨(23遍)至要求细度； 将拉缸再推回分散机，在低剪切 (500600转/分)速度下，加入配方量中的催化剂、隔热材料组合物，分散20分钟，注意控制液料温度不能超过40，混合分散均匀后，用油漆隔膜泵将拉缸中的漆料泵入100目振动筛中过滤，即制得隔热防腐卷材涂料。2 结果与讨论2.1 性能测试隔热防腐卷材涂料的理化性能及隔热功能性测试结果分别列于表2-1至表2-3。2.2 隔热涂层结构2.2.1 隔热涂层的组成表2-1 JB5268隔热防腐卷材涂料物理机械性能项 目指 标检 验 方 法#密度，g/cm3#细度，m粘度(涂-4杯)，s涂膜外观涂层厚度，m光泽(60)，%弯曲试验，180，T杯突试验，mm*耐MEK擦拭，次反向冲击性，J铅笔硬度耐湿热性(50，相对湿度95%，500h)人工加速老化试验(2000h)0.81.0254080120平整光滑2535708810062H1级失光一级变色二级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：#与涂膜的光泽有关；试验钢板厚度0.75mm。表2-2 JB5268隔热防腐卷材涂料化学防腐蚀性能项 目指 标检 验 方 法10% HCl(30,30d)10% H2SO3(30,30d)10% NaOH(30,30d)5% KCl(30,30d)耐汽油性(浸泡30d)* 耐盐雾性(500h) 0.81.0254080120平整光滑1级GB/T 1725-89GB/T 1724-89GB/T 1723-93GB/T 9761-88ASTM B117/73注：*需配套底漆。试验钢板厚度0.75mm。表2-3 JB5268M隔热防腐卷材涂层物理隔热节能效果试 验 项 目结 果试 验 方 法隔 热涂 层油 漆涂 层太阳能吸收率，% 红外光反射率，% 涂层背向温度,液化气罐内汽化压力(40/MPa汽油贮罐内汽化压力(40/MPa机车车厢室温, 水泥天面室温, 2080300.500.1534324060422.51.24640GB/T 2680-94红外光反射仪红外线测温仪现场试验现场试验现场试验现场试验 注：*对照板为同颜色的丙烯酸漆涂层；试验钢板厚度0.75mm。本隔热涂层是以有机氟改性聚酯和封端基交联剂为基体树脂，以能功性填料(包括纳米颜料、纳米改性剂、硼系球形真空微珠)为隔热材料，以高温解封催化剂为催干剂，经高温瞬间烘干成膜后具有气固两相封闭多微孔三维网状复合结构的纳米改性聚合物涂层。其涂层结构具有如下特征：固体基质联结成为连续相，封闭微孔分散于其中成为分散相，由此而形成了具有阻隔热量传导与对流交换的绝热涂层。2.2.2 隔热填料的特征本研究所选用的具有特殊功能性的隔热填料是由三部分组成： 一是SFL20硼系球形真空微珠隔热粉；二是YO20N纳米改性剂；三是ERPO-5# / ERPO-6# 纳米功能颜料。其中的组合为：功能性隔热粉占隔热填料总组合量的50%；纳米改性剂占隔热填料总组合量的10%；纳米功能性颜料占隔热填料总组合量的40%。功能性隔热粉的特征测试结果见表2-4所述。YO20N纳米改性剂为一种稀土纳米材料，具有以下特征：无定形白色超微细粉末，粒径小(515nm)；比表面积大(640700m2)；光反射率85%；对波长在8001300nm的红外光的具有极强的吸收功能，热屏蔽效率非常好，并表现出极高的耐侯性和表面自洁功能。ERPO-5#/ERPO-6# 纳米功能性颜料由于用于军事装备方面，处于国家或军事保密阶段，在此不便于透露。2.3 涂层隔热原理上述隔热防腐卷材涂料其隔热原理来自于三个方面：一是SFL20隔热粉体材料对红外光、紫外光具有强烈的反射、散射与折射作用,可以把80%以上的阳光热能反射回天空;所采用的球形中空隔热填料的结构本身决定了它在热力学性能上的隔热作用,其导热系数(0.060.12 W/m K) 是所有隔热材料中最低的，是优良的热力学不良导体，这是因为该球性体外壁是完全密闭的，使壁囊内的气体(真空状态下)不能与外界对流交换，所以它能有效地阻隔热传导作用，即使热能屏蔽涂层有残余的阳光热能被吸收，也会被称之为“暖水瓶隔热原理”的真空球体填料所隔表2-4 SF20隔热粉填料功能特征项目名称表征参数外观主要成分粒经分布, m堆积密度, g /cm3比表面积, m2/g球形率,% 吸油率,g(oil)/100g莫氏硬度光反射率,% 光漫射率光折射率耐压性, psi 抗压强度, kg /cm2 比热(40800)卡/克/热传导率, 卡/ 秒/cm2导热系数, W/mk介电常数()体积电阻(17),cm耐火温度, 烧蚀率,% 白色微细流动粉末Na2B4O7、SiO2、Al2O35201.42.51.92.6951618578080881.51.8300001000.270.00250.060.122.32.4 1.52.0101013120017501绝(见表2-4所示)；其二是YO20N纳米改性剂和ERPO-5# / ERPO-6# 纳米功能性颜料，对红外线的强烈吸收作用，增强了涂料的隔热效应。2.3.1 隔热涂层的热传导根据隔热涂层的结构特点，我们知道是它由气固两相组成的，而气相被封闭在固相基质的网状微孔结构中。涂层的热传导也是由两部分组成，即固相导热和气相导热，其中固相基质是由硅酸盐和硼酸盐类的球状薄壁真空微珠、成膜物组成，而气相部分是被封闭在微珠真空腔内的空气。由此，依据热力学公式的推演，可以按下式计算出涂层的总导热系数(t)/(W/m K)3： s gt 0.250.27 g (s g) g式中的s、g分别是固相和气相的导热系数，g为气相体积分数。当固相的导热率远高于气相时，其涂层的总导热率t可近似地表示为4：t s (1 - Vg)式中s 、Vg分别为连续相(固相)的导热率和分散相(气相)的体积分数。从以上两式可知，隔热涂层的导热率与固相的导热率成正比，与涂层中的气相体积分数成反比，亦即涂层中固相的导热系数越小，气相的体积分数越大，涂层的隔热性能就越好。2.3.2阳光的热辐射与隔热涂层的热对流根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体的辐射热能与物体表面温度的四次方成正比。随着物体表面温度的升高，热辐射作用明显增强。但热辐射在传递过程中，固体对热辐射有屏蔽作用。不透明的固相涂层中添加的纳米材料对红外光有强烈的吸收作用，阳光的辐射热能很快被吸收掉而无法传递。因此，通过涂层的辐射传热小到可以忽略不计3。隔热涂层中的气体被封闭在固相微珠的囊腔内受到限制不能流动，从而阻止了涂层的对流传热。研究表明，当气囊直径小于4mm时，对流传热很小，也可忽略不计。由此可见，具有良好的封闭微孔腔囊结构的隔热涂层，导热是其热量传递的主要形式。涂层密度小，涂层中气体含量高，可降低涂层的导热率。但并非气体含量与隔热性能成绝对正比，当气体含量(即隔热填料量)增加到一定程度，以至于涂层不能维持良好的封闭微孔和成膜物有效地粘结物料时，就破坏了颜填料与基料的合理比例结构，导致涂层结构疏松、龟裂、气孔过大或气孔间相互连通，气孔内气体产生温差，从而增大了涂层的对流传热，使热屏蔽作用降低，辐射传热作用也会增强。因此。对于每一种隔热涂料，都有一个总导热系数最小的最佳密度值。这是配方设计和性能试验的关键点。2.3.3 隔热涂层对太阳能的热反射阳光中的热源主要来自于红外光辐射转化成热能的结果。隔热防腐卷材涂料中的硼硅酸盐系球形微珠对红外线有强烈的反射作用。它可将波长35002500纳米的可见光(主要是紫外光、红外及远红外光)有效地反射掉，对涂层起到隔热和保护作用。图2-1演示了隔热涂层对阳光的热反射 太 (%） 阳100-能 80- 反 60- 射 40- 率 20- 0 200 400 600 800 1000 1200 1400可见光波长 / nm 图2-1 隔热防腐卷材涂层对太阳光的反射光谱 50- 正 45- 面40- 温35- 度/ 30- 25- 0 5 10 15 20 25 30 35 40隔热填料添加 量 / % 图2-2 隔热填料添加量对涂层隔热性能的影响 非隔热卷材涂层(同色对照) 隔热卷材涂层（同色试验）光谱。2.3.4 隔热填料与隔热性能的相关性涂料组合中隔热填料的添加量直接影响着涂层隔热性能。图2-2描述了两者之间的相关性。2.4 隔热涂料的施工性成品涂料的施工可采用辊涂方法涂敷，使用配套稀释剂调整施工粘度。适用于线速度4060m/min、炉温300320、板温220240、生产线速度要求在4060m/min的工艺条件及隧道式烘干自动化板带卷材涂装生产线的涂敷作业。其典型的应用技术参数列于表2-5所示。表2-5 JB5268隔热防腐卷材涂料加速干燥性能试验项 目干燥条件备 注干膜厚度，m2832固化速度与炉温与时间相关固化温度，炉 温300320板 温220240适应线速度，m/min4060配套底漆选用JC5268D预涂配套氟改性环氧酯底漆在此值得特别讨论的是隔热卷材涂料与非隔热性卷材涂料的不同工艺条件。隔热卷材涂料由于具有隔热功能，在用普通卷材涂料的正常工艺(同温同速)条件下是无法固化成膜的。若提高烘烤炉温，当涂层固化时，会出现焦化变黄现象。这是隔热卷材涂料的一个工艺难点。本研究采用了在高温条件下瞬间固化的封端基高活性交联树脂，并以SFL180高温解封催化剂作为反应媒介，满足了卷材涂装正常的施工要求。通过试验过程描述了隔热涂层与固化速度的相关性曲线，见图2-3所示。 350-隧300- 道250-炉200- 温150- 度 100- 50- -260-220 板-180 带-140 温-100 度-60 -20 0 10 20 30 40 50 60 70生产线速度，m / min 图2-3 隔热涂层与涂层固化速度的相关温度曲线 低温区虚线无法正常固化；高温区虚线涂层焦化 粗实线部分为隔热涂层狭窄的可正常固化区域 细实线为非隔热卷材涂料的正常固化温度曲线3 结 语JC5268隔热防腐卷材涂料与普通卷材涂料或热塑性自干型隔热涂料比较，有以下特点：(1) 通过热反射和热屏蔽的阻隔作用，达到最佳隔热效果。经试验证明，在炎热的夏季，用隔热涂层钢制板带卷材制作的钢结构墙体和屋面瓦房屋，与未涂敷隔热涂料的钢结构房屋或彩色钢板制作的钢结构房屋相比，可使室内温度降低812，隔热节能效果极其显著。(2) 由于隔热填料具有对红外光的反射作用， 同样对紫外光也有反射作用，从而防止了紫外光对涂层的光解作用所引起的成膜物老化、粉化、开裂等破坏性，增强了涂层的耐侯性能。同时，这一类隔热填料又是耐腐蚀材料，作为填料添加成份，赋予了涂层优异的耐腐蚀性能。(3) 在涂料组合中选用了SFL180高温解封催化剂，可使封端基高活性交联剂树脂在正常温度下(150180)解封，促使其与基体树脂发生快速交联反应。封端基高活性交联剂树脂在常温下稳定，有利于成品漆的贮存稳定性。(4) 装饰性好，质地细腻，外观平滑，雨水自洁，不积灰尘，保光保色，不易黄变，漆膜使用寿命比不隔热型同类涂料提高一倍，人工加速老化试验通过2000h，预测涂层使用寿命可能会达到1020年。(5) 综合机械性能优良，漆膜附着力、抗冲击性、抗划伤性、物理硬度等指标均超过普通卷材涂料的技术水平。(6) 经济实用，节约能耗，降低成本，减少费用，显著提高经济效益和社会效益。这一点充分展示了隔热卷材涂料的广阔应用前景。参考文献1 张驰.中国专利公告.200410051839.4.2006.032 孙明华等.HC太阳能屏蔽防腐蚀涂料.涂料工业1998,(10).3 周立新等.绝热涂层的传热分析.涂料工业,2003,(4):1314.4 莫理京等.绝热工程技术手册.北京:中国石油出版社，1997.5 战凤昌等.专业涂料.北京：化学工业出版社，1996年版.作者简历 张驰, 男, 1954年生, 化学工程硕士毕业,现任职深圳市华光业宝涂料制品有限公司总工程。多年来一直从事于有机合成及涂料工程技术的研究开发与生产技术管理工作。Nanometer modified heat insulation volume material coating development research and applicationZhang chi, Liu Xianhua(The new printing ink coating project technological development research center of Guangdong Province, Foshan 528011 in Guangdon