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高性能氟碳外墙保温节能乳胶涂料的研制

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第加卷第6期2010年6月

涂料工业

PAINT&COATINGSINDUSTRY

V01.40

No.6

Jun.2010

高性能氟碳外墙保温节能乳胶涂料的研制

李建涛,蔡会武,夏宝宣,曹香朝,陈敏(西安科技大学化学与化工学院,西安710054)

摘要:

从传热学机理出发,针对性地选用原材料,制备了一种集减少3种基本传热为~体,配套使用的底漆、面漆复合型保温节能功能涂料,探讨了功能填料用督对涂料性能的影响,检测了产品的基本性能。

结果表明,该复合型涂料具有良好的隔热节能效果和施工使用性能,应用前景十分广阔。

关键词:

氟碳涂料;保温节能;导热系数;反射率;发射率中图分类号:

TQ

630.7

文献标识码:

文章编号:

0253—4312(2010)06—0001—05

DevelopmentofHighPerformanceThermalInsulatingand

Energy——SavingExterior

Wall

FluorocarbonCoatings

LiJiantao,CaiHuiwu,XiaBaoxuan,CaoXiangzhao,ChenMin

(SchoolofChemistry

and

Chemical

Engineering,舡钿Universityof&icnee

and

Technology,瓜锄710054,China)

Abstract:

Akindofthermal—-insulatingandenergy——savingcompositecoatingswaspreparedbased

on

theheattransfermechanism,andselectiverawmaterials,includingprimerandtop—coatings,whichelimi—

nates

threebasicheattransfersmodels.Theinfluenceoffunctionalfillerdosage

on

thecorrespondingcoat—

ingspropertieswerediscussed.Thebasicpropertiesoftheproductsweretested,theresultsshowedthatthecompositecoatingshasexcellentheat—insulatingandformaneeandprospectivefuture.Key

energy—saving

performance,goodapplicationper-

Words:

fluorocarbon

coatings;thermal—insulatingand

energy—saving;thermalconductivity;re—

flectivity;emissivity

涂料‘4—61。

0引

随着科技的发展,人类对能源需求量的13益增长,能源问题业已成为制约人类社会进步的严重障碍。

据相关报道,建筑能耗占全部总能耗的30%一40%,且大多是采暖和空调的能耗,而现今的建筑保温节能材料和方法还不能很好地达到节能降耗所要求的目标…。

建筑节能意义重大。

目前,我国外墙保温体系得到应用的有4种,但都存在各自的缺点和不足口J。

因此,研制开发新型、薄层、环保、高性能、复合型的多功能涂料和简捷方便的涂装方法是外墙保温节能的发展方向。

本研究选用性能优良的氟碳乳液作为成膜基料,氟碳乳液因其特殊的内部结构而具有光、热稳定性、化学稳定性和超强耐候性旧J。

从传热的3种基本方式:

热传导、热对流及热辐射入手,选用低导热系数、高反射率夺心微珠、高反射率金红石型二氧化钛以及高发射率红外辐射粉(自制)为功能填料,硅酸铝纤维为增强材料,辅以其他填料及助剂。

以期研制出一种多种隔热机理同时起作用的复合型薄层保温节能

[基金项目]陕西省科技厅工业攻关项目(2007K06-07)

实验部分

1.1实验材料

1.1.1

实验原料

氟碳乳液:

北京宝威乳液有限公司。

填料:

空心玻璃微珠(500目):

四川天行健微珠纳米材料有限公司;金红石型二氧化钛R~11l(325目):

中外合资上海江沪钛白化工制品有限公司;超细硅酸铝纤维(800目):

山西省河津市恒泰化工有限公司;膨润土(325目):

河南省信阳扬帆膨润土厂。

助剂:

成膜助剂(Texan01)OE300:

美国伊士曼化学公司;分散剂5040、润湿剂EC-4500、消泡剂XBE2000、增稠剂ASE一60:

北京金源恒泰精细化工有限公司。

堇青石(400目):

佛山市南海区罗村胜业耐火材料有限公司;三氧化二铁、二氧化锰、氧化铜、三氧化二钴:

分析纯,市售。

1.1.2实验设备

精密增力电动搅拌器:

上海标本模型厂;电热恒温水浴

万方数据

李建涛等:

高性能氟碳外墒保温节能乳胶涂料的研制锅:

上海金桥科析仪器厂;电热鼓风干燥箱:

河南亚邦电子科技有限公司;电子控温高温电阻炉:

郑州南北仪器设备有限公司;电子天平:

浙江省慈溪市天平衡器厂;反射率测试装置:

自制;DRM—l型导热系数测定仪:

湘潭仪器仪表厂;302远红外线发射率测试仪:

台湾固纬电子实业有限公司;行星球磨机:

湘潭仪器仪表厂;325目筛:

浙江省上虞市大亨桥化验仪器厂。

●23

Tablel

表1五因素四水平正交数据表

ThedatatableofFivefactorsandFourlevels

试验:

因素三氧化二铁二氧化锰氧化铜三氧化二钴堇青石

99

1.2配方设计

1.2.1

红外辐射粉配方设计‘7。

8】

56

m¨挖9

n化mm¨屹n£j

为了有效减少试验次数,采用L,。

(45)正交表进行正交试验设计。

具体设计中不考虑各因素间的交互影响。

因素一水平的设置见表l。

789

m¨£j

9佗n

1.2.2涂料配方设计∞。

12]

(I)底漆的制备:

以纯丙乳液为基料,空心玻璃微珠为功能填料,辅以其他颜填料及助剂。

空心玻璃微珠的添加量从

lO.00-37.00g,每隔3.00g取1个试验点,由单因素试验确

n£19

m屹nm

mm屹nmn£j乃¨协拓∞∞回岱:

8=贷加∞加佰竹巧m¨屹9坩¨挖

99坦n

定空心玻璃微珠的最佳加入量,以导热系数最小,涂料其他基本性能以合乎GB/T9755--2001要求为依据。

配方设计见表2。

m加如∞柏∞加m∞如∞m加

表2底漆配方

Table2

Primercoatingsformula

(Ⅱ)面漆的制备:

以高性能氟碳乳液为基料,空心玻璃微珠、金红石型二氧化钛R—lll、红外辐射粉(自制)为功能填料,辅以其他颜填料及助剂。

钛的最佳加入量,此时红外辐射粉的加入量确定在15.00—

20.00g之间。

以涂料反射率最高,涂料其他基本性能合乎要

求为依据。

面漆基本配方见表3,全面试验法用量见表4。

①由全面试验法,确定空心玻璃微珠和金红石型二氧化

表3面漆配方

Table

Top

coatingsformula

②由单因素实验确定红外辐射粉的最佳加入量,配方中空心玻珠和二氧化钛的加入量按步骤①中确定量固定。

红外辐射粉的加入量从10.00~26.00g,每隔2.00g作为1个试验点,以涂料在8一13.5pro波段的发射率最高,涂料其他基本性能合乎要求为依据。

基本配方见表3。

1.3制备方法1.3.1红外辐射粉的制备方法

按正交试验表l配料(堇青石除外),在行星磨上湿混

12h,烘干,研细,过325目筛;所得粉料放入高铝陶瓷坩埚,置

于高温试验电阻炉中,在l350℃下保温3h。

制备的红外辐

万方数据

李建涛等:

高性能氟碳外墙保温节能乳胶涂料的研制

翌望銎笔警要妻意25目筛’再按配方比例加入堇青石’

混合均匀,得红外辐射粉。

2结果与讨论硐不1¨嵋

1.3.2氟碳乳胶涂料的制备方法

先将水、润湿剂、分散剂、1/4消泡剂加人反应器,低速搅拌0.5h,使之均匀;然后按涂料配方加入空心玻珠、二氧化钛、红外辐射粉、硅酸铝纤维、膨润土等颜填料和成膜助剂,高速搅拌1.0h,得到均匀料浆;再将乳液、剩余3/4消泡剂加入混合料浆中,低速搅拌0.5h,加入增稠剂,低速搅拌2.0h;加氨水调pH至8~9即得涂料产品。

2.1

红外辐射粉配方设计正交试验结果分析

红外辐射粉配方设计正交试验结果分析见表5。

袭5正交结果极差分析表

Table5

TheDifferentialanalysisoftheorthogonalexperi-mentresults

1.4测试方法1.4.1红外辐射粉发射率的测定

采用302远红外线发射率测试仪,温度为26℃,测试波长范围为8—1.35Izm波段红外辐射粉的发射率。

1.4.2涂料导热系数的测定

用DRM一1型导热系数测定仪测定其导热系数。

由表5可知,各因素对红外辐射粉发射率影响主次顺序为:

三氧化二铁>三氧化二钴>二氧化锰>氧化铜>堇青石粉。

三氧化二铁的加入量为70.00g时,产品发射率最高;二

1.4.3涂料反射率测定

图1是测定涂料反射率的装置¨3】。

氧化锰的加入量为11.00g时,产品的发射率最高;氧化铜的加入量为11.00g时,产品的发射率最高;三氧化二钴的加入量为lo.00g时,产品的发射率最高;堇青石的加入量110.00

g和120.00g时,产品的发射率最高,为了考虑红外辐射粉的

白度及成本,以120.00g为佳。

所以红外辐射粉的配方暂定为:

三氧化二铁70.00g,二氧化锰11.00g,氧化铜11.00g,三氧化二钴lO.00g,墓青石粉120.00g。

以此配方,按1.3.1方法制备红外辐射粉,测得其反射率为94.260,较试验过的配方略高,说明此正交试验结果得到的是较优配方。

2.2空心微珠用量对涂料导热系数的影响

随着空心玻璃微珠用量的增加,涂料的导热系数呈迅速

l一稳压电源;2—500w碘钨灯;3一聚笨乙烯泡沫塑料;4一反射

减小的趋势(如图2所示)。

涂料;5一试板;6一热电偶示温计

图1

Fig.1

涂料反射率测试仪示意图

coatings

Thedrawingof

reflective

tester

=_

将涂料涂在150

irlm×70mm×0.5

mill的钢板上,置于烘

箱中,于(105±5)℃恒温下烘烤2-3h。

调节室温为28.8℃;将2块喷涂黑磁漆的样板相距50mm平行放在聚苯乙烯泡沫上,涂漆的一面朝上,其中心放在灯泡下;调节灯泡和样板之间的距离,使2块样板在30rain内达到平衡温度87.8℃;然后立即撤走一块黑样板,换上一块待测热反射的漆板;15

rain

邕\

蜊僻《如

后,记录平衡时反射漆样板的温度,然后按式(1)计算涂料的热反射率:

P=(tfl啦i一‘实酒)/(‘实舅一t1111)=(‘熏扳一£,)/(t。

一‘童沮)式(1)

rig.2Theinfluenceofhollow

tivity

m(空心玻珠量)/g图2空心玻璃微珠用量对涂料导热系数的影响曲线gIa鼬beadsdosage

Oil

thermalcondue—

式中:

p一热反射率;t宅ill一室温,一般固定为28.8℃;

‘扁板一标准黑板温度,一般为87.8oC;f。

一实测的试板的温度。

of

coatings

由图2可知,玻璃微珠加入量到达27.00g时,导热系数最小为0.0586W/(in?

K),之后再增加空心玻珠的鼍,涂料的导热系数不降反增。

这可能是由于窑心玻珠和水的表面张力较大,当空心玻珠用量过多时,涂料各组成部分之间互相融合

1.4.4涂料其他基本性能的测试

参照GB9755--2001合成树脂外墙乳液涂料及相关国家标准进行检测。

万方数据

李建涛等:

高性能氟碳外墙保温节能乳胶涂料的研制性降低,故导致涂料性能下降。

2.3

为22.00

g。

空心玻璃微珠及金红石型二氧化钛用量对涂料反射率的影响

图3为空心玻珠及二氧化钛的用量对涂料反射率影响柱

2.5涂料基本性能测试结果

涂料基本性能检测结果如表6和表7所示。

表6底漆基本性能

Table6Theresultoftesting

状图。

83

performanceofprimercoatings

检测项目涂料状态

检测结果无硬块,搅拌后呈均匀状态

0.058668

8281

导热系数/[W?

(m?

K)一]

黏度(涂一4杯,25℃)/8固含量/%粘结强度/MPa

摹踟昝每79侧

78

60±2

0.723

按GB/T9265--1988测试。

氧氧耐碱性(168h)化钙碱液pH=12一13,t一温(23±2℃)下无起泡、开裂、剥落等现象表干<2h,实干<12多次涂刷无障碍20次循环无异常

7776

于燥时间(25℃)

46810121416

18

施工性涂料耐温变性(一lO一40oC)

试验序号图3

Fig.3ide

空心玻珠及二氧化钛的用量对涂料反射率影响

of

ratio

Influence

ON

betweenhollow

coatings

glass

beadsandtitaniumdiox—

refleetivityof

Table7

The

result

表7面漆基本性能oftestingperformance

oftopcoatings

由图3可知.在以试验配方为基准,其他成分的含量固定不变的前提下,当空心玻珠的加入量为14.00g,同时二氧化钛的加入量为16.00g时,涂料的反射率最高达到82.32%。

由于此配比二氧化钛的加入量是本试验的最大量,根据全面试验法的操作原则,本研究以空心玻珠14.00g,二氧化钛的加入量分别取18.00g和20.00g,其他工艺条件不变,做r比较验证试验,结果表明涂料的反射率增加微弱。

结合涂料其他性能的需要,以空心玻珠14.00g和二氧化钛16.00g为最佳用量。

检测项目涂料状态反射率/%

检测结果无硬块,搅拌后呈均匀状态

82。

16

72.8l72584-2

发射影%

黏度(涂一4杯;25℃)is固含量/%粘结强度/MPa

0.685

2.4红外辐射粉用量对涂料发射率的影响

图4为红外辐射粉加入量对涂料的发射率的影响。

耐碱性(168h)

按GB/T9265--2009测试氰氧化钙碱液(pH=12—13),恒温(234-2)oC,无起泡、开裂、剥落等现象按GB/T1733一1993测试规定的三级纯水,fti温(234-2)℃,无起泡、开裂、剥落等现象。

表干<2h,实干<12600次,无破损多次涂刷尤障碍20次循环无异常

耐水性(168h)干燥时间(25℃)

耐洗刷性施工性涂料耐温变性(一10-40℃)

稚蜜划

3结语

(1)通过正交试验,确定了红外辐射粉的最佳配方为:

m(红外辐射粉量)/g图4红外辐射粉用量对涂料发射率的影响

Fig.4Influenceofinfrared

pnwder

氧化二铁70.00g;--氧化锰11.00g;氧化铜11.00g;三氧化二钴10.00g;堇青石粉120.00g。

此时材料在8~13.5斗m波

of

coatings

dosage

on

emissivity

段的发射率为94.260%,是性能优异的红外发射材料。

(2)通过单因素试验,确定了底漆中空心玻珠的最佳加入量为27.00g,此时底漆的导热系数为0.058热性能优良。

(3)通过全面试验法,确定了空心玻璃微珠、金红石型二氧

由图4可知,随红外辐射粉加入量增加,涂料发射率也逐渐增大,当加入量为22.00g左右时,达最大值72.81%,继续增大红外粉的加入蕈,涂料发射率变化不大。

另外,红外辐射粉的颜色为灰色,加入量过多不利于涂料调色,考虑到涂料其他组分协调性的原因,本研究确定红外辐射粉的最佳加入量

w/(m?

K),隔

(下转第8页)

万方数据

宝等:

水性超薄膨胀趔钢结构防火涂料专用乳液的制备与研究层的高度和强度起到补充作用,有机硅受热分解生成SiO:

resistantprop-

表2乳液胶膜耐溶剂性能

Table2

Influenceofthelatexfilm

erty

On

solvent

SiO:

提高了炭层的强度。

因此,该乳液可以作为水性超薄型钢结构防火涂料的专用乳液。

测试项目

l2

样品浸泡时间/d

35

参考文献

[1][2][3]

王华进,赵薇,王丹,等.用于膨胀型防火涂料的本体杂化乳液的

合成及性能研究【j].涂料工业,2009。

39(6):

22—24,41.

张旭云,王勇,孙丽丽,等.乳液种类对膨胀性防火涂料理化性能和防火性能的影响[J].材料保护,2007,40(4):

19—21.

由表2可知,有机硅改性丙烯酸酯乳液具有极好的耐溶剂性能。

这主要是有两方面的原因:

首先,在聚合物结构上接枝了有机硅单体,乳液在成膜的过程中si一0部分交联形成网状结构,网状硅氧烷分子膜具有低的表面张力,能均匀地分布在基材表面,有利于提高乳液胶膜的耐溶剂性;其次,硅氧烷

MINGXUANZOU,SHUIEWANG,ZHICHENGZHANG,eta1.

Preparation

andcharacterizationlatices

of

polysiloxane—poly(butylacryhte

film

—styrene)composite

and

their

properties[J].European

PolymerJournal,2005,41:

2602—2013.

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罗弘。

卫志贵.丙烯酸系乳液共聚物玻璃化温度的研究[J].精细

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26-29.草文清.水性超薄膨胀型钢结构防火涂料的研究及应用[J].新型建筑材料。

2007(6):

64—68.

分子呈螺旋状结构,甲基向外排列并绕si—O键旋转,分子体

积大,内聚力密度低,且不含有极性基团,而表2中所选的溶剂都具有较强的极性,由于极性的较大差距,所以乳液胶膜具有较高的耐溶剂性。

[7]徐晓楠,周政懋.防火涂料[M].北京:

化学工业出版社,2004:

结语

通过对有机硅改性丙烯酸酯乳液的综合性能分析,表明

296—298.

[8】ZHENYU

nler

WANG,ENHOU

HAN,WE!

KE.Effectof

on

acrylic叫y?

and

nanocompesitewithllano—Si02

of

thermaldegradationand

了该乳液具有很高的稳定性及优异的耐水性和较低的玻璃化转变温度,从而保证了乳液的实用性。

该乳液作为水性超薄型钢结构防火涂料的基料,不但与膨胀体系形成膨胀炭层的分解温度范围吻合,而且乳液中引入的功能性基团所含有的氨基对于膨胀炭层的形成有促进作用。

乳液本身具有较高的分解温度,保证在形成膨胀炭层中前期,乳液处于熔融状态,可以充分起到粘接作用;而在膨胀炭层形成的后期,乳液可以提供大量的碳源,对形成致密的炭骨架和膨胀过程中生成炭[9]

fireresistance

tion

APP—DPER—MEL

coating[J].PolymerDegrada-

andStability,2006,91:

1937—1947.JUN,CHENGZHANGGUANG,LAIDONGSHAN.eta1.

preparationandfire?

-retardantmechanismanalysisofflame—retardant

intu?

WEIGUStudy

on

mescent

coatings[J].Surface&CoatingsTechno-

logy,2007,21:

7835—7841.

收稿日期2009一lO一26

(上接第4页)

化钛R—lll的最佳加入量分别为14.00g及16.00g,此时涂料的反射率为82.32%;经单因素试验,确定了红外粉的最佳加入量为22.00g,此时涂料的发射率为72.8l%。

(4)通过对制得的底漆及面漆基本性能的测试表明,该配套使用的复合璎涂料具有良好的隔热节能效果和施工、使用性能,应用前景十分广阔。

[9][7]

[8]

究[J].非金属矿。

2006,29(1):

3—4,19.

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陈立军,陈丽琼,张欣宇,等.建筑节能用保温隔热涂料及其发展[J].新型建筑材料,2007,6:

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参考文献

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[10]张玉龙,齐贵亮.水性涂料配方精选[M].北京:

化学工业出版

社.20

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