韓立丹*，陳炳耀，陳明毅，陳亮，羅智斌

（1.廣東三和化工科技有限公司，廣東 中山 528429；2.廣東順德三和化工有限公司，廣東 佛山 528325）

【涂料】

耐候型反射隔熱涂料的制備及性能

韓立丹1,*，陳炳耀1，陳明毅1，陳亮2，羅智斌2

（1.廣東三和化工科技有限公司，廣東 中山 528429；2.廣東順德三和化工有限公司，廣東 佛山 528325）

探討了反射隔熱材料和功能性填料對丙烯酸酯涂料隔熱性能的影響，得到最優(yōu)白色漆配方為：舒熱盾15%(占涂料總質(zhì)量的百分數(shù)，后同)，陶瓷微球16%，硫酸鋇4%，云母粉8%，高嶺土10%。通過調(diào)色得到的黑、綠、灰3種彩色涂料不僅隔熱性能較好，而且耐候性優(yōu)異，符合JG/T 235–2014《建筑反射隔熱涂料》和GB/T 9755–2014《合成樹脂乳液外墻涂料》的要求。

建筑涂料；丙烯酸酯；反射隔熱材料；功能性填料；色漿；耐候性

由于能源危機和環(huán)境問題日益嚴重，節(jié)能減排已迫在眉睫。我國長江以南地區(qū)在夏季依靠空調(diào)制冷，耗電量大，而使用建筑反射隔熱涂料在具有裝飾和保護作用的同時可主動反射太陽光的能量，降低建筑物表面及內(nèi)部的溫度，進而減少墻面的熱量積累，最終從根本上減少空調(diào)的使用，節(jié)約能源[1]。

目前國內(nèi)對反射隔熱材料的研究比較成熟。隨著國民環(huán)保意識增強，涂料由最初的溶劑型轉(zhuǎn)變成水性，但眾所周知，水性涂料的耐污性和耐候性不好，加之隨著生活水平的提高，人們對涂料色彩的需求呈現(xiàn)多樣化，因此如何提高水性隔熱涂料的耐候性、耐污性以及色彩的多樣化是亟待解決的問題。中國疆域遼闊，氣候差異大，耐候性是關(guān)乎涂料性能好壞的主要指標，可使其在寒冷、夏熱冬冷、溫和等多種氣候地區(qū)都有較好的適用性。耐候性與很多因素有關(guān)，如顏料、色漿、基礎漆配方等。

本文制備了一系列耐候型反射隔熱涂料，采用乳液、色漿、功能性填料三者相結(jié)合，通過反射可見光和近紅外光來達到隔熱目的。添加的填料和色漿在反射隔熱的同時也提高了漆膜的耐候性?？疾炝朔瓷涓魺崽盍稀⒐δ苄蕴盍虾蜕珴{對涂層性能的影響。

1 實驗

1. 1 主要原料

丙二醇、殺菌劑、分散劑COATEX PE908，海恩科化工；消泡劑SF-208、增稠劑THIXOL 53L，法國高帝斯；pH調(diào)節(jié)劑APM-95，陶氏化學；羥乙基纖維素，亞什蘭；舒熱盾SP-105C，科德麗化工；近紅外反射二氧化鈦IR-1000，山東東佳；空心玻璃微珠，3M公司；純丙烯酸酯類共聚乳液，陶氏化學；色漿鐵紅、鐵黃、酞青藍、三原黑，科萊恩公司；水，自制。

1. 2 儀器

小型多功能研磨分散機，萊州銀江機械有限公司；SDC-168 STM-IV(B)斯托默黏度計，上海普舜機電科技有限公司；QSP型ISO刮板細度計，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；V-570分光光譜儀，日本Jasco公司；TMC-FS3半球發(fā)射率測試裝置及儀表，東莞綠光新能源科技有限公司。

自制隔熱溫差測試裝置：用硅酸鈣板當空白試板，將涂膜模具固定在空白試板上，將涂料倒入模具中攪拌，混合均勻后用鋼刮板把表面刮平，一段時間后脫模，在適宜的條件下所得涂膜表面光滑平整，無氣泡或裂痕。然后用圖1所示方法測試樣板背面的溫度，其中燈泡為135 W碘鎢燈，距離30 cm。

Figure 1 測試涂層隔熱性能的裝置Figure 1 Devise for testing thermal insulation property of coating

1. 3 涂料的制備

稱取20.00%(占涂料總質(zhì)量的質(zhì)量分數(shù)，后同)去離子水放入反應釜，在300 ～ 600 r/min下依次投入0.20% ～ 0.50%纖維素、0.15%潤濕劑、0.70%分散劑和適量消泡劑；調(diào)高轉(zhuǎn)速至600 ～ 1 000 r/min，再依次投入5.00% ～ 25.00%功能性填料和10.00% ～ 20.00%反射隔熱材料，繼續(xù)調(diào)高轉(zhuǎn)速到1 200 ～ 1 500 r/min，高速分散10 ～ 20 min。當細度≤40 μm后降低轉(zhuǎn)速至100 ～ 400 r/min，依次投入0.15% pH調(diào)節(jié)劑、0.20%殺菌劑、1.20%成膜助劑、1.50%防凍劑乙二醇、15.00% ～ 25.00%乳液和0.12%增稠劑，分散5 ～ 10 min后即得白色反射隔熱涂料。在此基礎上加入適量色漿，得到彩色反射隔熱涂料。

1. 4 涂層的制備

基材采用符合GB/T 3880.1–2012《一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材》要求的鋁合金板，其表面沒有陽極氧化層或著色層。將涂料刮涂在鋁合金板表面，干膜厚為0.15 mm，在23 °C左右，相對濕度50%的條件下養(yǎng)護168 h。

1. 5 表征與性能測試

按照JG/T 235–2014《建筑反射隔熱涂料》中WQ型測定涂層的太陽光反射比和半球發(fā)射率。按照GB/T 9780–2013《建筑涂料涂層耐沾污性試驗方法》用粉煤灰污染涂層，然后測試污染后涂層的反射率。依照GB/T 11186.2–1989《涂膜顏色的測量方法 第二部分：顏色測量》測量涂層的L*。按GB/T 1865–1997《色漆和清漆 人工氣候老化和人工輻射暴露》進行氙燈老化試驗，時間250 h，測試人工老化后涂層的總太陽光反射比(TSR)和近紅外反射比(NTR)。耐候性和耐光性是指涂層在長時間的戶外曝曬、風化后其顏色變化及老化程度，通過測定色差(ΔE)來表征，試驗為時12個月，依照GB/T 1766–1995《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》評定色差。

2 結(jié)果與討論

2. 1 反射隔熱材料對涂層隔熱效果的影響

選用近紅外反射二氧化鈦IR-1000、新型反射隔熱材料舒熱盾和空心玻璃微珠，探究了這3種材料對涂層太陽光反射比、半球發(fā)射率和隔熱溫差的影響，結(jié)果見表1。從表1可知，隨著反射隔熱材料含量增加，3種涂層的各指標均呈現(xiàn)上升趨勢。隨著含量增多，舒熱盾和IR-1000所制涂層的太陽光反射比逐漸達到平衡，當兩者在含量較小時，已經(jīng)具有較好的反射隔熱效果，但因含量較低時，反射材料排列不夠密集，不足以完全覆蓋表面，故反射隔熱效果還能進一步提高。含量繼續(xù)增加，在涂膜表面舒熱盾和IR-1000兩種顆粒物逐漸密集，涂膜的隔熱效果明顯變好，太陽光反射比接近90%。在相同含量下，相比傳統(tǒng)的空心玻璃微珠，新型反射隔熱材料舒熱盾和IR-1000所制涂層的效果更好，尤其是隔熱溫差(可看作是太陽光反射比和半球發(fā)射率二者疊加后實際隔熱性能的表征)。舒熱盾是一種新型高分子發(fā)射隔熱材料，對可見光和紅外光具有優(yōu)異的反射能力[2]，而這兩種光占據(jù)了太陽光的主要熱能，因此其所制涂層的隔熱效果好。IR-1000通過提高在太陽光線光譜紅外區(qū)的反射強度來降低基材對熱量的吸收，能很好地降低物體表面的溫度。舒熱盾的隔熱效果雖略好于IR-1000，但其成本較高，因此在對反射隔熱性能要求較高，涂層面積不大的情況下可以選擇舒熱盾材料。

表1 反射隔熱材料種類及其用量對涂層隔熱性能的影響Table 1 Effects of type and content of reflective thermal insulation material on thermal insulation property of coating

半球發(fā)射率是指熱輻射體在半球方向上的輻射出射度與處于相同溫度的全輻射體的輻射出射度的比值，其越大越有利于涂層隔熱。舒熱盾含量為15%時所制涂層的隔熱性能已經(jīng)很好，再增加其含量效果提升不明顯。考慮到經(jīng)濟因素，將舒熱盾的含量取為15%。

另外，當舒熱盾、近紅外反射二氧化鈦IR-1000和空心玻璃微珠的含量同取15%時，只有前二者所制涂層的隔熱性能符合JG/T 235–2014中太陽光反射比≥0.8，半球發(fā)射率≥0.8，隔熱溫差>10 °C的要求，因此在實際生產(chǎn)中可考慮同時加入舒熱盾和IR-1000以提高涂料的反射隔熱效果。

3種涂膜的反射率光譜如圖2所示，可見使用舒熱盾和IR-1000的涂層的反射率明顯高于使用空心玻璃微珠的涂層，隔熱效果更優(yōu)異，與上述試驗結(jié)果一致。

2. 2 填料對涂膜隔熱效果的影響

2. 2. 1 填料種類及其用量對涂層反射隔熱效果的影響

選取陶瓷微球、硫酸鋇、云母粉和高嶺土為填料，考察了它們在單獨使用時對涂層反射隔熱性能的影響。試驗條件為：顏料體積濃度(PVC)為45%，填料的粒徑為600目。結(jié)果見圖3。

圖2 不同隔熱材料所制涂層的太陽光反射光譜Figure 2 Solar reflection spectra of coatings prepared with different thermal insulation materials

圖3 填料的種類和含量對涂層隔熱效果的影響Figure 3 Effects of type and content of filler on thermal insulation property of coating

由圖3可知，高嶺土并不影響試板的平衡溫度，其他3種填料的用量增加，涂層的反射隔熱效果逐漸增強。相同含量下，陶瓷微球的效果優(yōu)于其他3種，而云母粉又好于硫酸鋇。這可能是由填料本身的性質(zhì)差異所致，具體機理有待進一步研究。

涂料試板背面的溫度隨陶瓷微球含量增多而降低，但下降趨勢慢慢變緩。當其含量為25%時，平衡溫度變化趨緩。這是因為陶瓷微球的含量增多，其反射作用隨之增強，增加到一定程度時達到飽和，此時反射效果最佳，再增加含量會導致分散性變差。陶瓷微球的添加量以10% ～ 15%為宜。

2. 2. 2 填料粒徑對涂層反射隔熱效果的影響

影響涂層反射作用的主要因素之一是填料的比表面積，它和填料的粒徑息息相關(guān)。保持PVC為45%，填料的質(zhì)量占涂料總質(zhì)量的10%，研究了填料粒徑對平衡溫度的影響，結(jié)果列于表2。可見隨填料粒徑減小，平衡溫度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，粒徑在600目時，平衡溫度最低，效果最好。這說明粒徑過大或者過小都會影響涂層的隔熱效果，主要是因為：當粒徑過小時，顆粒之間容易形成團聚，起反射作用的顆粒相對減少；當粒徑過大時，由于其比表面積減小，單位體積的顆粒就越少，反射隔熱效果變差。所以最佳的粒徑為600目。

表2 填料粒徑對平衡溫度的影響Table 2 Effect of particle size of filler on equilibration temperature

2. 2. 3 陶瓷微球、云母粉、硫酸鋇、高嶺土復合使用時對涂層反射隔熱性能的影響

采用四因素三水平正交試驗L9(34)考察了各種填料復合使用時對平衡溫度的影響，結(jié)果見表3。由表3可知，影響程度由大到小排列依次為陶瓷微球、云母粉、硫酸鋇和高嶺土。得出復合填料的最佳配方為A3B3C1D3，即陶瓷微球16%、云母粉8%、硫酸鋇4%、高嶺土10%。經(jīng)試驗，采用此配方所得涂層的平衡溫度為45.2°C，隔熱效果確實比正交試驗所有實驗組都好。

表3 陶瓷微球、云母粉、硫酸鋇和高嶺土復合使用時的正交試驗結(jié)果Table 3 Orthogonal test results for using mixed ceramic microsphere, mica powder, barium sulfate and kaolin clay

2. 3 色漿對涂層耐候性和隔熱效果的影響

2. 3. 1 調(diào)色的基礎漆配方

綜合考慮以上的試驗結(jié)果和經(jīng)濟因素，在基礎配方(詳見1.3)中加入15%舒熱盾、16%陶瓷微球、8%云母粉、4%硫酸鋇和10%高嶺土。

2. 3. 2 色漿的反射隔熱性能、耐候性及耐光性

盡管白色涂層的太陽熱反射性能較好，但是它不能滿足色彩多樣性的要求。彩色顏料的可見光反射率限制了其本身的使用范圍，應選擇紅外反射顏料，以增加涂層在紅外部分的反射率[3]。表4列出了具體的調(diào)色方案以及涂層性能的測試結(jié)果，并將其與表5列出的JG/T 235–2014的要求進行比較。

表4 不同色漿所制涂層的隔熱性能、耐候性及耐光性Table 4 Thermal insulation, weathering resistance and lightfastness of coatings prepared with different colorants

表5 JG/T 235–2014標準對涂層性能的規(guī)定Table 5 Regulation specified in JG/T 235–2014 standard for properties of coating

可見所有測試結(jié)果均達到JG/T 235–2014的要求，而色差、變色、粉化等性能符合GB/T 9755–2014《合成樹脂乳液外墻涂料》的要求。

3 結(jié)論

探究了3種反射隔熱材料對涂層太陽光反射比、半球發(fā)射率、隔熱溫差等指標的影響，舒熱盾和IR-1000的效果好于傳統(tǒng)材料空心玻璃微珠，當二者含量為15%時所得涂層的性能均達到標準要求。

功能性填料的類型以及粒徑會影響涂層的熱反射性能。其中陶瓷微球的影響最大，高嶺土對平衡溫度幾乎無影響，云母粉和硫酸鋇的影響較小，當陶瓷微球含量為16%，云母粉含量為8%，硫酸鋇含量為4%，高嶺土含量為10%時，涂層的隔熱性能最好，為實際生產(chǎn)提供了依據(jù)。

用三原色色漿調(diào)出了不同明度的黑色、綠色和灰色的涂層，其對應的總太陽光反射比、污染后總太陽反射比變化率、人工老化后的總太陽反射比變化率以及近紅外反射率均滿足標準要求。

[1] 張熠, 陳炳耀, 陳明毅, 等. 智能型反射隔熱保溫涂料的制備研究[J]. 涂料技術(shù)與文摘, 2012, 33 (4): 11-13.

[2] 王永良, 金友軍. 新型高分子聚合物在彩色反射隔熱涂料中的應用[J]. 上海涂料, 2016, 54 (2): 22-27.

[3] 陳明毅, 陳炳耀, 陳樹云, 等. 顏料色漿的選擇對外墻涂料耐候性的影響[J]. 中國涂料, 2010, 25 (5): 47-49, 57.

[ 編輯：杜娟娟 ]

Preparation and properties of weatherable reflective thermal insulation coating //

HAN Li-dan*, CHEN Bing-yao, CHEN Ming-yi, CHEN Liang, LUO Zhi-bin

The effects of reflective thermal insulation material and functional fillers on thermal insulation property of acrylate coating were discussed and the optimal formulation of white paint was obtained as follows: Solarproof 15%, ceramic microspheres 16%, barium sulfate 4%, mica powder 8%, and kaolin clay 10% (all are with respect to the total weight of paint). Three kinds of colored coatings, including black, green and gray, prepared through adding different colorants, have not only good thermal insulation property, but also excellent weathering resistance, meeting the requirements of JG/T 235–2014Architectural Reflective Thermal Insulation Coatingand GB/T 9755–2014Synthetic Resin Emulsion Coatings for Exterior Wall.

architectural coating; acrylate; reflective thermal insulation material; functional filler; colorant; weather resistance

Guangdong Sanvo Chemical Industry Technology Co., Ltd., Zhongshan 528429, China

TQ630.7

A

1004 – 227X (2017) 10 – 0505 – 05

10.19289/j.1004-227x.2017.10.001

2017–01–13

2017–03–28

韓立丹（1992–），女，吉林東豐人，本科，研究方向為建筑涂料。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) 609255114@qq.com。