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弹性薄层反辐射隔热涂料的研究,对纳米氧化钇、纳米氧化锡、远红外陶瓷粉、改性空心玻璃微珠、金红石型氧化钛、云母为填料制备的涂层及硅丙
2020年02月20日    阅读量:1158     新闻来源:中国化工网 okmart.com    |  投稿

1 引 言

随着汽车工业、建筑业、储运业等迅速发展, 迫切需要研究和开发一种新型隔热涂料, 以降低暴露在太阳热辐射下各种装备的表面温度, 改善工作环境。自上世纪七十年代以来, 国外已经开始了反射隔热涂料的研究, 并已逐渐向产业化方向发展 。


近年来, 国内正在悄然掀起一股研发新型隔热保温涂料的热潮 , 但是关于反辐射隔热涂料可选用的颜填料的系统研究报道较少中国化工网okmart.com。另外, 目前的隔热涂料多为以“ 厚” 隔热, 很不经济实用, 而且, 多采用有机溶剂为稀释剂, 属溶剂型涂料, 不符合日趋严格的环保要求。因此, 系统研究各种具有红外反射性的颜填料的性能, 并选择最佳性能的隔热粉体, 制备出“ 绿色环保” 的弹性薄层反辐射隔热涂料具有重要的理论和现实意义。


2 实验部分

2. 1 主要原材料与实验仪器

2. 1. 1 原料 纳米氧化钇; 纳米氧化锡; 远红外陶瓷粉;改性空心玻璃微珠( 自制) ; 金红石型氧化钛( 工业品) ; 云母粉( 工业品) ; 纯丙乳液; 硅丙乳液; 水性聚氨酯; 苯丙乳液;氟碳树脂; 涂料助剂( 分散剂、消泡剂、流平剂等) ; 丙二醇( 工业品) ; 邻苯二甲酸二丁酯( 工业品) 。

2. 1. 2 设备与仪器 F0. 4 型调速分散研磨机; 数字温度表; 非接触测温仪; UV-3101PC 紫外- 可见- 近红外分光光度仪( 日本岛津公司) ; 隔热效果测试装置( 自制) 。

2. 2 配方及制备工艺

2. 2. 1 配方( 见表1)

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弹性薄层反辐射隔热涂料配方

2. 2. 2 制备工艺 按配方将水, 润湿剂, 分散剂, 消泡剂,成膜助剂, 丙二醇, 邻苯二甲酸二丁酯等在容器中搅拌混合均匀; 在慢速搅拌下, 加入金红石型氧化钛, 高速搅拌30 分钟后, 测细度, 要求细度小于40Lm。达到细度要求后, 依配方在慢速搅拌下将乳液、消泡剂等加入到已分散好的颜料分散液中; 搅拌均匀后, 在低速下, 缓慢添加选择好的反射隔热粉体材料, 搅拌该混合体系, 直至分散均匀。

2. 3 性能测试方法

2. 3. 1 颜填料、乳液涂层的紫外- 可见- 近红外反射率测试分别将单掺各种颜填料的涂料、乳液及弹性薄层反辐射隔热涂料均匀涂布于载玻片( 涂膜厚度为0. 2mm~ 0. 6mm) , 置于烘箱中烘干。使用UV- 3101PC 紫外- 可见- 近红外分光光度仪对涂膜进行反射率测试( 测试范围为220-2600nm) 。

2. 3. 2 反射涂层的隔热效果测试 用图1 所示的隔热装置对涂层的隔热效果进行表征。

隔热效果测试装置示意图

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其中热源选用250W 的红外线灯泡, 将该灯置于试样正上方。测量空白铁板和涂有弹性薄层反辐射隔热涂料铁板的背面温度和其对应箱体内空气的温度, 并用非接触测温仪测量空白铁板和涂有样品铁板的上表面温度。先对铁板进行表面处理, 并涂上防锈底漆; 再进行涂膜, 将所制备的涂料均匀涂布于铁板基材上, 置于烘箱中烘干( 30士 2ºC ) , 然后用自制隔热仪测试隔热效果。

2. 3. 3 反射涂料的基本性能测试 参照GBPT 9755- 2001对弹性薄层反辐射隔热涂料基本性能进行检测, 以考察涂料的使用性能。

 

3 结果与讨论

3. 1 反射隔热原料的选择

为制备反辐射隔热涂料, 对多种填料进行了选择。分别选择纳米氧化钇、纳米氧化锡、远红外陶瓷粉、金红石型氧化钛、改性空心玻璃微珠等可能具有红外屏蔽作用的物质作为单一的填料, 制成涂料与涂层, 用UV3101PC 紫外- 可见- 近红外分光光度仪分别测其全波段反射率( 如图2) , 并且分别计算了添加不同填料涂层的紫外光、可见光、近红外光平均反射率( 如表2) 。

添加不同填料的涂层的紫外- 可见-近红外反射率

添加不同填料的涂层的紫外-可见-近红外平均反射率


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从表2 可知, 经改性后的空心玻璃微珠, 白度很高, 表面具有红外反射作用, 因此近红外平均反射率最高。而且由于空心玻璃微珠为球形, 当光进入涂层后, 将被微珠散射,这种散射是全方位的, 这便使得光线在涂层中弯曲程度变大, 所以入射进涂层的光线经过的路径长度变短, 而且不能深入。因此, 由它制成的涂料, 当受到太阳光辐照时, 将首先反射太阳热。


同时由于空心微珠为密闭球体, 导热系数较低, 在涂层中会形成很多微观的独立绝热腔体, 当热流遇到空心微珠时将出现分流, 热流在涂层中传递路径变得复杂化, 导致涂层的传热性能下降, 有效降低辐射传热和对流传热, 从而阻隔热量传递, 大大提高涂膜对热的绝缘性。


此外, 因为空心微珠密度小, 它的使用还可以降低涂膜比重。表2 的计算结果还显示, 金红石型氧化钛的近红外反射率亦较高, 而且在各种填料中, 金红石型氧化钛的折射率与树脂的差距最大, 阻止光的穿透效果最好。另一方面, 远红外陶瓷粉在可见光波段具有很高的反射率, 可反射太阳光中的可见光, 减少吸收。因此, 选用改性空心玻璃微珠、金红石型氧化钛和远红外陶瓷粉作为弹性薄层反辐射隔热涂料的填料, 综合效果最好。


3. 2 树脂的选择

实验中, 对五种常用树脂: 硅丙乳液、纯丙乳液、氟碳树脂、水性聚氨酯、苯丙乳液进行了测试。五种乳液成膜后的涂层测试结果如图3 所示。根据图3, 计算得到的不同乳液成膜后的紫外- 可见- 近红外平均反射率如表3。


从表3 计算结果可知, 纯丙乳液和硅丙乳液的紫外- 可见- 近红外平均反射率相近, 且高于其它树脂, 适宜做弹性反辐射隔热涂料的基料。氟碳树脂由于有良好的成膜性, 以及在紫外- 可见- 近红外相对较高的反射率, 亦可作为粘接剂使用。由图3 及表3 结果显示, 水性聚氨酯、苯丙乳液在紫外光、可见光、近红外光反射率较低, 不宜做成膜物。因此, 弹性薄层反辐射隔热涂料的成膜乳液可以选择纯丙乳液、硅丙乳液或氟碳树脂。


不同乳液成膜后紫外- 可见-近红外反射率

表3 不同乳液成膜后的紫外-可见-近红外平均反射率

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表3 不同乳液成膜后的紫外-可见-近红外平均反射率


3. 3 隔热性能的评定

3. 3. 1 弹性薄层反辐射隔热涂层紫外- 可见- 近红外光反射率测试 按表1 配方, 将反射填料与弹性乳液共混, 制备了弹性薄层反辐射隔热涂料, 并对其涂层进行了紫外- 可见-近红外反射率测试( 如图4) 。


经计算知, 涂层可见光平均反射率高达91. 5%, 近红外平均反射率为84. 25%。而太阳光线的能量正集中于可见光和近红外光区域, 因此, 该弹性薄层红外反射隔热涂层能反射绝大部分太阳光, 进而减少对太阳光的吸收, 达到隔热的目的。

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弹性薄层反辐射隔热涂层的紫外-可见-近红外反射率


3. 3. 2 隔热效果测试 涂层的隔热效果测试采用红外灯作为光源。图5 为不同测量位置的温度随时间变化的测试曲线。其中T1 、T2 测量的是空白铁板和样板上表面温度随时间的变化, 当室温为23e 时, 两者温差达12e , 这表明弹性反辐射隔热涂料具有较好的热反射作用, 能够将光源中的一部分热量直接反射出去, 从而减少涂层对热的吸收。


T3、T4 测定的是空白铁板和样板背面温度随时间的变化, 它主要反映的是样板对热辐射的阻隔程度。


由图可看出, 和空白样板相比, 反射隔热涂料产生了较为显著的热辐射阻隔效果, 平衡时温差可达10 e 。T5、T6 所示的是红外灯照射下隔热装置箱体内空气温度随时间的变化, 反映了实际空气温度的变化。


达到平衡时, 样板箱体内空气温度比空白样板箱体内空气温度低6 e 。由于所研制的隔热涂料是以反射红外光为主, 起到隔热作用。因此其涂层厚度仅为1mm, 就具有良好的隔热效果。

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隔热效果随时间的变化


3. 3. 3 隔热指数 隔热指数计算公式:

Q=T1-T2/T2-T0

其中Q为隔热指数; T1 为空白铁板上表面温度;T2 为隔热铁板上表面温度;T0 为室温。当室温为23. 0 ºC 时, T1 、T2 分别为52. 0 ºC 和40. 7ºC 。

由公式( 1) 计算出弹性反辐射隔热涂料隔热指数为:

弹性反辐射隔热涂料隔热指数

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3. 4 涂料的基本性能测试

采用共混法制备的弹性薄层反辐射隔热涂料的基本性能如表4 所示。

检验结果显示, 该涂料具有良好的稳定性和施工性能,适用于金属、橡胶、水泥石棉板等表面。

弹性薄层反辐射隔热涂料的基本性能

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4 结 论

1. 对多种反射填料进行的UV3101PC 紫外- 可见- 近红外反射率测试结果表明, 改性空心玻璃微球具有较好的红外反射作用, 能有效反射太阳热, 而且中空结构也有助于降低热传导与热对流。此外, 金红石型氧化钛的红外反射率、远红外陶瓷粉的可见光反射率均较高, 有利于反射太阳光。因此, 选用改性空心玻璃微珠、金红石型氧化钛和远红外陶瓷粉组合, 作为弹性薄层反辐射隔热涂料的填料。

2. 在紫外- 可见- 近红外区域内, 纯丙、硅丙乳液及氟碳树脂的反射率较高, 且它们的耐酸碱、耐水性和耐候性能优良, 故可作为成膜物使用。

3. 采用金红石型氧化钛、空心玻璃微珠、远红外陶瓷粉和弹性乳液共混, 制备了弹性薄层反辐射隔热涂料, 其可见光反射率高达91. 5%, 近红外反射率为84. 25%。涂层为1mm 时, 涂层的隔热指数超过60%。

弹性反辐射隔热涂料为水性环保涂料, 符合日趋严格的环保要求, 可广泛应用于建筑、储罐、船舶和车辆等。因此它的广泛应用有着巨大的经济、社会效益, 其市场前景十分广阔。

余丽蓉, 陆春华, 赵石林, 许仲梓

( 南京工业大学材料科学与工程学院, 江苏南京 210009)


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