复合填料对外墙隔热涂层隔热性能的影响

复合填料对外墙隔热涂层隔热性能的影响

建筑能源消耗约占社会总能源消耗的30%40%。建筑外包技术是重要的建筑节能材料。目前常用的建筑外墙节能技术有外挂式保温、聚苯板与墙体一次浇注成型、聚苯颗粒保温料浆外墙保温,但这些技术存在着安装费时、施工难度大等缺点。而建筑外墙保温隔热涂料具有经济、环保、使用方便和节能效果好等优点,成为外墙保温隔热技术研发的热点。建筑外墙保温隔热涂料发展的趋势是从单一阻隔型、反射型、辐射型3种保温隔热涂料向多种功能复合型保温隔热涂料发展或向涂层复合方向发展。本研究以硬硅钙石硅酸钙、二氧化钛和空心玻璃微珠作为隔热功能填料,以苯丙乳液作为成膜物质,纳米二氧化钛、纳米二氧化锌为改性剂,制备高性能复合隔热水性乳胶外墙涂料。硬硅钙石硅酸钙可用电石渣为钙质原料经水热合成法制备而成,空心玻璃微珠可在粉煤灰中选出。电石渣和粉煤灰均是工业废渣,经过资源化再利用,实现了既节能又减排的目的。1实验1.1苯丙乳液、润湿剂、成膜助剂及防霉剂的配制电石渣:贵州遵义碱厂;硅灰:贵州遵义铁合金厂;金红石型二氧化钛:上海颜钛有限公司;苯丙乳液(SD-800)、润湿剂(SD-200)、分散剂(SD-101)、成膜助剂(SD-505)、增稠剂(SD-301)、消泡剂(SD-202)、防霉剂(SD-100):南通生达化工有限公司;流平剂(KX-2020):宜兴可信化工有限公司。1.2基础配方将电石渣在800℃下煅烧2h,然后用沸水消解,再按照CaO和SiO2物质的量比1.05∶1、水与固相的质量比30∶1的比例,将制备的钙质原料、硅灰和水加入GSHA-1型高压反应釜,充分搅拌混匀,搅拌速度300r/min,以1.5℃/min的速度升温至220℃,在搅拌速度为70r/min条件下,保温10h进行水热合成反应,制得硬硅钙石活性料浆。将硬硅钙石活性料浆、空心玻璃微珠、二氧化钛、润湿剂(配方量的1/2)、分散剂(配方量的1/2)、适量消泡剂于烧杯中均匀搅拌,经一定时间的机械分散和超声波分散后制得分散料浆。将分散料浆加到苯丙乳液中,添加分散剂(配方量的1/2)、润湿剂(配方量的1/2)、适量消泡剂、成膜助剂、防霉剂、流平剂并通过机械分散调配漆液,加入适量的增稠剂制得。涂料基础配方(质量份):去离子水,20份;分散剂,1.5份;成膜助剂,2份;消泡剂,0.3~0.8份;苯丙乳液,50份;润湿剂,0.15份;防腐剂,0.05份;增稠剂,适量。1.3温度稳定性测试参考美国军标MIL-E—46117自制涂层隔热性能测试装置(见图1)。每个试板测试窗正上方安置1个275W红外灯,模拟日光照射。灯与板之间的距离为300mm。待测试板涂层面朝上,水平置于试板测试窗,测定样板下表面温度,直至温度基本不变为止(此时的温度为平衡温度k)。将试板轮换置于其他测试窗,重复上述测试。以试板分别在4个位置处k值的算术平均值K表征涂层隔热性能。1.4硬硅钙的微观形态分析采用日本电子公司JSM-6490LV扫描电子显微镜对不同合成工艺条件下制得的硬硅钙石型硅酸钙进行微观形貌分析。2结果与讨论2.1次粒子分散在涂料中的影响以硬硅钙石为隔热填料,按1.2方法制备涂料,测试涂层的隔热性能,测试结果如图2所示。由图2可以看出,随着硬硅钙石的添加量增多,K值降低,涂层的隔热性能提高,但添加量越高隔热性能提升程度趋缓。当添加量大于9%之后,K值趋近于66℃,涂层的隔热性能趋于稳定。硬硅钙石二次粒子分散在涂料中,涂料固化后在涂层中形成微气泡,使得涂层导热系数降低,隔热性能得以提高。随着硬硅钙石的掺量增加,引入的微气泡越多,涂层的隔热性能就越好。硬硅钙石毛栗球状二次粒子具有比表面积大、易自发聚集的特点,如不断增加硬硅钙石掺量,但又不能有效地改善分散状态,毛栗球状二次粒子的自发聚集将导致涂层中微气泡分布不均匀,使得涂层隔热性能得不到进一步提高。可见,硬硅钙石能够提高涂层隔热性能。随着硬硅钙石的掺量增加,涂层隔热性能逐步提高,掺量大于9%时隔热性能趋于稳定。2.2氧化钛掺量以金红石型二氧化钛为隔热填料,按1.2方法制备涂料,测试涂层的隔热性能,测试结果如图3所示。由图3可以看出,添加的二氧化钛小于10%时K值急剧降低;继续增加二氧化钛掺量,K值下降程度趋缓;二氧化钛掺量为30%时,K值为64.78℃;之后,继续增加掺量,K值反而略有增大。金红石型二氧化钛折射系数高,分散在涂层中,能提高涂层的热反射率,但二氧化钛掺量越大,二氧化钛微粒自发附聚趋势越大,有效反射表面越小。所以二氧化钛掺量小于10%时,K值降低比较明显,涂层隔热性能提高;之后再增加二氧化钛掺量,粒子自发附集将使涂层有效反射表面增加不多,K值减小不明显,涂层热反射能力提高不显著;二氧化钛掺量超过30%后,二氧化钛粒子自发附聚严重,有效反射面减少,K值反而增大,导致涂层隔热效果下降。2.3空心玻璃微珠掺量k以空心玻璃微珠为隔热填料,按1.2方法制备涂料,测试涂层的隔热性能,测试结果如图4所示。由图4可以看出,添加的空心玻璃微珠小于10%时K值急剧降低;继续增加空心玻璃微珠掺量,K值下降程度趋缓;空心玻璃微珠掺量为20%时,K值为71.74℃;之后,继续增加掺量,K值反而略有增大。空心玻璃微珠有反射太阳光的作用,因此当空心玻璃微珠较少时,使涂膜表面对太阳光有一定的反射作用,但是由于含量较低,反射粒子还不能形成致密的反射层,光线能够透射穿过涂膜,因此隔热效果较差。随着空心玻璃微珠含量的增加,玻璃微珠在膜中的排列逐渐紧密,涂膜的反射效果也显著增加。当掺量达到20%时,涂膜对太阳光的反射率达到最大。继续增加玻璃微珠的含量,空心玻璃微珠使涂层表面的平整度减弱,反射太阳光辐射的能力减弱,因此涂膜的隔热性能略有下降。2.4涂层隔热性能采用正交试验法研究二氧化钛、硬硅钙石、空心玻璃微珠协同作用对涂层隔热性能的影响。因数水平的选取见表1,实验结果及数据处理见表2、表3。实验结果显示,复合添加硬硅钙石、空心玻璃微珠和二氧化钛的涂层试板K值普遍低于单一添加时的实验结果,最低可达58.33℃。由方差分析结果可知,添加空心玻璃微珠和硬硅钙石对涂层隔热性能的影响较二氧化钛显著。由极差分析结果可知,本实验条件下,复合添加二氧化钛、空心玻璃微珠和硬硅钙石,掺量分别为30%、15%和9%时,涂层隔热性能最好。金红石型二氧化钛和空心玻璃微珠能提高涂层热反射性能,空心玻璃微珠和硬硅钙石可增大涂层热阻。太阳光照射到复合涂层表面时,金红石型二氧化钛高折射系数的特性使大部分太阳光辐射被反射,大大削弱了涂层表面温升,硬硅钙石二次粒子和空心玻璃微珠在涂层中引入的微气泡,增大了涂层内部热阻,进一步削弱了热流在涂层中的传递,三者的协同作用使得涂层具有更加优异的隔热性能。按二氧化钛的掺量为30%、硬硅钙石的掺量为9%、空心玻璃微珠掺量为15%制备复合隔热涂料,检测涂层热反射率为93.69%。2.5合成树脂乳液外墙涂料的检测据2.4的结果,选取二氧化钛30%、空心玻璃微珠15%和硬硅钙石9%的配方配制涂料,按GB/T9755—2001《合成树脂乳液外墙涂料》,GB/T9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》标准合格品进行检测,检测项目及结果如表4所示。据2.4的结果,选取二氧化钛30%、空心玻璃微珠15%和硬硅钙石9%的配方配制涂料,按建筑行业标准JG/T235—2008《建筑反射隔热涂料》检测涂层的隔热性能,检测项目及结果如表5所示。3氧化钛掺量和添加量对涂膜隔热性能的影响(1)随着硬硅钙石掺量的增加,涂层隔热性能逐步提高,掺量大于9%时隔热性能趋于稳定。(2)金红石型二氧化钛在涂料中具有隔热作用,金红石型二氧化钛的掺量为30%时,涂层隔热性最好。(3)空心玻璃微珠在涂膜中起反