李文珍,李 亮,石 飛,魏河廣,鐘志明
(1.重慶交通大學(xué),重慶400074;2.中交一航局 一公司第七項(xiàng)目部,天津300456;3.重慶渝通公路工程總公司,重慶400060)
太陽熱反射涂層是指涂覆于物體表面的節(jié)能型涂層材料,它可對(duì)太陽輻射中的可見光波段(0.4~0.76 μm)和近紅外波段(0.76 ~2.5 μm)具有高反射,并將吸收的熱能以長波(2.5~15 μm)的形式輻射到外圍空間,從而抑制涂層表面溫度的上升以及降低涂覆物內(nèi)部和周圍溫度[1]。在技術(shù)較為領(lǐng)先的美國、日本等,將太陽熱反射涂料用在甲板和汽車外殼上[2],特別是在美國已成功地應(yīng)用在航天工業(yè)和國防軍事上[3]。在國內(nèi)也有這方面的綜述和相近領(lǐng)域的研究報(bào)道,天津大學(xué)康翠榮[4]等自制了一種降低儲(chǔ)存罐內(nèi)裝液體的溫度的熱反射涂料;青島海洋化工研究院戰(zhàn)為民[5]等主要針對(duì)深灰色甲板的太陽熱反射涂料進(jìn)行研究。
目前,國內(nèi)外的熱反射涂料主要是用于建筑、儲(chǔ)油罐的隔熱,以及飛行器甲板的降溫等方面[6],但應(yīng)用于瀝青路面溫度場(chǎng)控制方面的相關(guān)研究甚少。在我國,已建成的公路中約有75%為瀝青路面。雖然瀝青路面具有平整度高、舒適性好等優(yōu)點(diǎn),但瀝青的太陽吸收率很高,達(dá)到 0.85 ~0.95[1]。夏季炎熱時(shí),我國大部分地區(qū)氣溫往往超過35℃甚至40℃以上,此時(shí)瀝青路面的溫度可以達(dá)到60~65℃,高溫的瀝青路面會(huì)導(dǎo)致路面產(chǎn)生一系列熱穩(wěn)性病害。因此,研制一種可用于瀝青路面的熱反射涂料,可以有效地降低瀝青路面的溫度,減少路面病害。
自制改性不飽和聚酯;二氧化鈦(TiO2),市售;二氧化硅(SiO2),市售;MEKPO、環(huán)烷酸鈷,深圳長輝化工有限公司;過氧化苯甲酰(BPO)、N,N-二甲基苯胺(DMA)、N,N-二甲基對(duì)甲苯胺(DMT),成都科龍化工有限公司;鐵紅、鐵綠,新鄉(xiāng)鵬呈化工有限責(zé)任公司;炭黑,青島德固賽化學(xué)有限公司;黑色素,科勒顏料有限公司。
采用自制熱反射率測(cè)定裝置如圖1。
圖1 熱反射涂層溫度測(cè)試儀Fig.1 Temperature test equipment of solar-reflect coatings
將一定量的顏填料,加入相應(yīng)質(zhì)量的改性樹脂中,再加入適量的消泡劑、流平劑等助劑,在低速攪拌器下攪拌適當(dāng)?shù)臅r(shí)間,將顏填料與樹脂充分混合均勻而得。
凝膠時(shí)間:平板小刀法測(cè)試,并記錄樹脂開始抽絲和抽絲拉斷的時(shí)間,抽絲拉斷的時(shí)間即為樹脂凝膠時(shí)間;
耐磨性:GB1768《漆膜耐磨性測(cè)定法》,計(jì)算試驗(yàn)后樣品減少的重量;
黏度:GB/T1723《涂料黏度測(cè)定法》,采用便攜式涂-4杯黏度計(jì)測(cè)試;
耐水性:GB/T1733,觀察樣板表面狀況;
耐汽油性:GB/T1734,觀察樣板表面狀況;
耐候性:參照GB/T16422.1的人工加速耐候性試驗(yàn),將樣板置于自制環(huán)境箱中,開啟碘鎢燈照射樣板600h。觀察照射前后樣板表面狀況。
2.1.1 固化體系對(duì)涂料樹脂凝膠時(shí)間的影響
采用3種不同固化體系:BPO/DMT、BPO/DMA和MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系,通過研究促進(jìn)劑用量對(duì)自制樹脂凝膠時(shí)間的影響來選擇合適的固化體系。在10℃溫度下,取10 g樹脂。BPO/DMT和BPO/DMA體系中,采用BPO用量為樹脂質(zhì)量的2%;MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系中,MEKPO用量為樹脂質(zhì)量的3%。促進(jìn)劑用量與凝膠時(shí)間關(guān)系如圖2。
圖2 不同固化體系對(duì)UPR凝膠時(shí)間的影響Fig.2 Impact of different curing systems on UPR gelation time
由圖2可以看到,不同體系的凝膠時(shí)間差別較大。對(duì)于BPO/DMT體系,隨DMT用量增加,凝膠時(shí)間縮短,但該體系固化速度過快,凝膠時(shí)間過短,不易于路面施工;對(duì)于BPO/DMA體系,隨著DMA用量的增加,聚酯凝膠時(shí)間減少,凝膠時(shí)間為25 min左右,凝膠時(shí)間適當(dāng),但該體系固化后固化物表面發(fā)黏,這是由于聚酯固化接觸空氣時(shí),引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基會(huì)積極地先與空氣中的氧反應(yīng),而不是繼續(xù)與聚酯發(fā)生共聚反應(yīng);對(duì)于MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系凝膠時(shí)間在60 min左右,固化后固化物表面狀況良好,適用于路面施工。
2.1.2 填料用量對(duì)涂料性能的影響
功能性填料是熱反射涂料實(shí)現(xiàn)降溫的關(guān)鍵材料。通過資料的收集和初步試驗(yàn),將填料的含量確定在7% ~25%(即 7%,10%,13%,16%,19%,22%,25%),通過熱反射涂層溫度的測(cè)定、遮蓋力的觀察,確定涂料中填料的最佳含量。初選TiO2和SiO2比例為2∶1,研究填料用量對(duì)涂料的降溫性能的影響。將涂有不同含量填料的涂料樣板分別與黑體放置于環(huán)境測(cè)試箱中,測(cè)定光源照射30 min后的平衡溫度,計(jì)算得到溫差如圖3。
圖3 不同填料用量下涂料樣板溫差Fig.3 Difference in temperature of coating samples with different amount of fillers
從圖3可以看到,當(dāng)填料含量低于10%時(shí),降溫效果明顯,在7%為10.6℃,10%為14℃,但此時(shí)涂料涂刷后遮蓋力不夠、外觀不均勻現(xiàn)象明顯;當(dāng)填料含量在13% ~22%時(shí),降溫效果十分明顯,并隨著填料用量的增加,降溫效果趨于平緩,與黑體相比溫度降低了16℃,涂層遮蓋力較好,結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析,建議填料含量為13% ~15%;當(dāng)填料含量在25%時(shí),降溫效果最明顯,但此時(shí)涂料本身稠度過大,攪拌困難,不利于涂刷。
2.1.3 不同TiO2/SiO2比對(duì)涂料性能影響
由圖3初步確定填料用量為14%。其中,SiO2對(duì)涂料的耐磨性有重要影響;TiO2對(duì)涂料的反射性能及遮蓋力起決定作用。因此選擇4種不同TiO2/SiO2比,以研究其對(duì)涂料性能的影響。
從表1中可以看到,耐磨試驗(yàn)后質(zhì)量損失都很小,表明涂料具有高耐磨性;隨著TiO2/SiO2比的增加,降溫值增加,耐磨試驗(yàn)重量損失略有降低。這是因?yàn)門iO2含量的增加提供了更高的熱反射性,而SiO2含量的增加則提供了更強(qiáng)的耐磨性,因此TiO2/SiO2比為10/4時(shí)既可以實(shí)現(xiàn)較好的降溫,同時(shí)耐磨性又極佳。
表1 TiO2/SiO2比對(duì)涂料性能影響Tab.1 Impact of TiO2/SiO2ratio on the performance of coatings
2.1.4 灰色顏料對(duì)降溫性能的影響
有研究指出,在大氣質(zhì)量為1時(shí)、太陽輻射為945W/m的情況下,灰色熱反射涂層的表面溫度可比同等其他顏色涂層降溫性能優(yōu)異。因此,采用炭黑(0.5%)+鈦白粉(10%)、黑色素(0.5%)+鈦白粉(10%)、鐵紅(0.5%)+ 鐵綠(0.8%)3 種配色方法配制灰色涂料,并將涂覆這3種灰色涂料的樣板分別與黑體放置于環(huán)境測(cè)試箱中,測(cè)定光源照射30 min后的平衡溫度,計(jì)算得到溫差如圖4。
圖4 不同灰色顏料降溫效果Fig.4 Temperature reduction effect of different kinds of gray coatings
從圖4可以看出,在涂料中加入不同方法配制的灰色顏料,與黑體溫度相比,降溫程度明顯不同。采用炭黑+鈦白粉配置的灰色顏料吸熱性極強(qiáng),溫差僅為1.8℃;黑色素+鈦白粉的溫差達(dá)到近8℃;鐵紅+鐵綠溫差達(dá)到16.6℃,降溫效果最好。因此,灰色降溫涂料不能采用黑加白配制。
路面熱反射涂料作為一種新型涂料,無相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),因此研究中參照J(rèn)T/T 280—2004《道路標(biāo)線涂料標(biāo)準(zhǔn)》和 HG/T 3829—2006《地坪涂料標(biāo)準(zhǔn)》,同時(shí)結(jié)合熱反射涂料在路面中實(shí)際的使用情況,以配制的灰色涂料為研究對(duì)象,其性能參數(shù)如表2。
表2 路面熱反射涂料性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Testing results of highway thermal reflective coatings performance
表2表明,制備的熱反射涂料不僅可有效降低物體表面溫度,而且具有良好的耐磨性、耐水性、耐汽油性、柔韌性以及耐候性,其性能滿足實(shí)際的路面需求。
成型2塊相同的30 cm×30 cm×5 cm的SMA-13車轍試件,其中一塊表面保持原狀,另一塊表面涂布一層0.8 kg/m2的路用熱反射涂料。將試件暴露于太陽光下,測(cè)試點(diǎn)為試件中部2.5 cm深處,測(cè)試時(shí)間為2010-05-24 T 10:00—2010-05-25 T 10:00,5月24日最高氣溫為34℃(圖5)。從圖5中可以看到,無涂布涂料的SMA瀝青混凝土試件2.5 cm深處當(dāng)日最高溫度為58℃,而涂布熱反射涂料的試件最高溫度僅為48℃,即采用該涂料可降低試件溫度近10℃,這一結(jié)果表明熱反射涂料可以很好地降低路面溫度,減少路面病害。
圖5 不同表面狀況SMA-13試件2.5 cm處溫度Fig.5 Temperature of the testing points(middle of the specimen 2.5 cm depth)of SMA-13 sample with different surface condition
1)采用MEKPO/環(huán)烷酸鈷體系作為涂料的固化體系,固化后固化物表面狀況良好,固化時(shí)間適用于路面施工;
2)隨填料用量增加涂料的降溫效果先增加后趨于平緩,過高的填料使涂料黏度過大,影響施工,建議填料含量為13%~15%;
3)填料中隨著TiO2/SiO2比降低,涂料降溫效果減弱,耐磨性增強(qiáng);
4)采用紅色(0.5%)和綠色(0.8%)配置的灰色顏料對(duì)涂料降溫效果最好;
5)涂料具有良好的耐水性、耐油性、柔韌性、耐磨性和抗滑性,在夏季高溫季節(jié)可降低路面溫度近10℃。
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