楊 光

（中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401311）

水性建筑節(jié)能涂料的制備工藝優(yōu)化

楊 光

（中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401311）

以鉻綠為顏料的水性建筑節(jié)能涂料為研究物，探究其主要制備工藝對(duì)涂層性能的影響。采用差示掃描量熱儀、紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)、紅外發(fā)射率測(cè)量?jī)x、涂層光澤度測(cè)量?jī)x和涂層測(cè)厚儀對(duì)涂料性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明，增大固化溫度可明顯提高涂料的固化速度。涂料固化溫度、涂料體系粘度、涂層表面粗糙度和涂層厚度對(duì)涂層8～14 μm波段的紅外發(fā)射率影響均較小，但對(duì)涂層太陽(yáng)光和近紅外反射比有一定的影響。固化溫度、粘度、制備方式和厚度分別以65 ℃、370.1 mPa·s、噴涂和250 μm為宜。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮幾種制備工藝來(lái)獲得較滿意的涂層性能。

建筑節(jié)能；粘度；固化溫度；反射比；紅外發(fā)射率；涂層厚度

建筑節(jié)能涂層是一種功能型建筑涂層，由于擁有較高的近紅外反射率和紅外發(fā)射率，可以起到一定的隔熱、降溫和節(jié)能的作用，逐漸受到人們的重視。

文獻(xiàn)[1]認(rèn)為高反射率是隔熱涂層隔熱性能優(yōu)異的必要而不充分條件。文獻(xiàn)[2]制備了黃、灰和棕色系的建筑節(jié)能涂層，結(jié)果表明所制備的灰色系建筑節(jié)能涂層表面溫度比同色系市售普通隔熱涂層低6～7 ℃，隔熱性能顯著。文獻(xiàn)[3] 探究普通二氧化鈦和改性二氧化鈦對(duì)涂層反射隔熱性能的影響，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，使用改性二氧化鈦的涂層反射隔熱性能要優(yōu)于普通二氧化鈦涂層，改性二氧化鈦摻量以20%為宜。

建筑節(jié)能涂料的主要性能受涂層本身性能和制備工藝的影響較大，然而關(guān)于水性建筑節(jié)能涂層的制備工藝對(duì)涂層光學(xué)性能的影響方面的研究卻鮮有報(bào)道。本文以鉻綠建筑節(jié)能涂層為研究對(duì)象，著重研究了其主要制備工藝，如固化溫度、涂料體系粘度、涂層表面光澤度和涂層厚度對(duì)涂層性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)原料

601苯丙乳液，德國(guó)巴斯夫有限公司，GM-N鉻綠，德國(guó)拜耳化工有限公司，成膜助劑，美國(guó)伊斯曼有限公司，BYK-163分散劑，德國(guó)畢克化學(xué)品有限公司，PE-100潤(rùn)濕劑，廣州潤(rùn)宏化工有限公司，L-1311消泡劑，美國(guó)亞什蘭有限公司，SN-612增稠劑，日本諾普科集團(tuán)有限公司，以上均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。去離子水，實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 建筑節(jié)能涂層的制備

向500 g苯丙乳液中加入100 g鉻綠色漿(鉻綠和去離子水質(zhì)量比為1:1)、3～9 g分散劑、3～9 g潤(rùn)濕劑，研磨均勻后，加入5 g左右消泡劑、10g左右增稠劑機(jī)械攪拌均勻后過(guò)濾出料。為獲得不同表面光澤度的涂層，在鋁合金板表面分別進(jìn)行刮涂、刷涂和噴涂的方式進(jìn)行涂層制備。

1.3 表征儀器

差示掃描量熱儀，STA-449C，德國(guó)NETZSCH；紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)Cary-5000，澳大利亞安捷倫；紅外發(fā)射率測(cè)量?jī)x，HWF-2，北方馳宏光電有限公司；粘度計(jì)，QND-4，上海魅宇儀器設(shè)備有限公司；鏡向光澤度儀，XGP，天津光學(xué)儀器廠；涂層測(cè)厚儀，QNIX-4500，德國(guó)尼克斯。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化溫度

2.1.1 固化溫度對(duì)涂料固化時(shí)間的影響

本文選擇五種固化溫度分別為25、45、65、85和105 ℃。通常情況下多選擇提高固化溫度加快固化反應(yīng)的進(jìn)行。圖 1是建筑節(jié)能涂料體系的等溫DSC曲線。五種固化溫度條件下涂料的固化時(shí)間分別約為3 h、1.5 h、40 min、25 min和10 min，由此可見(jiàn)，提高涂料體系的固化溫度可明顯加快涂料的固化速度。

圖1 涂料體系的等溫DSC曲線Fig.1 DSC curves of coating systems at different temperatures

2.1.2 固化溫度對(duì)涂層反射比的影響

對(duì)不同固化溫度涂層進(jìn)行太陽(yáng)光和近紅外反射比測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，固化溫度對(duì)涂層太陽(yáng)光和近紅外反射比均有一定的影響。隨著固化溫度的增加，涂層的太陽(yáng)光和近紅外反射比均呈現(xiàn)出先增加后減小再增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)椋S著固化溫度的升高，涂料中的填料與成膜基料結(jié)合更為緊密，使涂層孔隙率和缺陷減少，減少了孔隙和缺陷對(duì)光線的吸收，因此反射比增加。但固化溫度過(guò)高使涂層因固化過(guò)快而重新產(chǎn)生較多的孔隙和缺陷，增大了孔隙和缺陷對(duì)光線的吸收，從而降低了反射比。涂料的固化溫度以65 ℃為宜此時(shí)涂層的太陽(yáng)光和近紅外反射比分別為0.662 7和0.740 0。

圖2 不同固化溫度涂層的反射率Fig.2 Reflectance of coatings prepared under different curing temperatures

2.1.3 固化溫度對(duì)涂層紅外發(fā)射率的影響

表1為不同固化溫度涂層的8～14 μm波段紅外發(fā)射率。固化溫度對(duì)涂層的紅外發(fā)射率基本沒(méi)有影響。涂料在低溫固化過(guò)程中，氧化反應(yīng)對(duì)填料性能的影響較小，即隨著固化溫度的改變，填料對(duì)涂層的紅外發(fā)射率幾乎沒(méi)有影響，主要影響的是成膜基料，即本文中的苯丙乳液。因此，實(shí)際應(yīng)用中，涂層的固化溫度仍以65 ℃為宜。

表1 不同固化溫度涂層的紅外發(fā)射率Table 1 Infrared emissivity of coatings prepared under different curing temperatures

2.2 粘度

2.2.1 粘度對(duì)涂層反射比的影響

對(duì)不同粘度涂料體系涂層進(jìn)行太陽(yáng)光和近紅外反射比測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。涂料體系粘度可影響涂層太陽(yáng)光和近紅外反射比，隨著涂料體系粘度的增大，涂層太陽(yáng)光和近紅外反射比均表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)涂料體系的粘度小于 370.1 mPa·s時(shí)，涂層太陽(yáng)光和近紅外反射比隨涂料體系粘度的增加而逐漸增加；當(dāng)涂料體系的粘度大于370.1 mPa·s后，涂層太陽(yáng)光和近紅外反射比開始略微減小。

結(jié)合涂料的固化過(guò)程分析涂料體系的粘度影響涂層反射比的原因。涂層固化過(guò)程中，其中的顏料會(huì)發(fā)生不同程度的沉降，而顏料的沉降速率會(huì)直接影響其在涂層中的分布狀態(tài)，而在不同涂料粘度體系中，顏料的沉降速率相差較大，其沉降速率和涂料粘度可由Stokes定律[4]得出：

圖3 不同粘度涂層的反射率Fig.3 Reflectance spectra of coatings with different viscosity

式（1）中，U0為顏料的沉降速率，Rc為顏料的平均粒徑，ρc和ρs分別為顏料和基料的密度，ηs為涂料粘度。由此可知隨著涂料粘度的增大，顏料的沉降速率降低，相對(duì)于低粘度涂料，高粘度涂料固化后，顏料可以較為均勻的分布在涂層表面，不至于沉積在涂層底部，減少了基料對(duì)光線的吸收，也可增大顏料對(duì)其的反射。綜上，涂料體系的粘度為370.1 mPa·s時(shí)，涂層太陽(yáng)光和近紅外反射比最大分別為0.6645和0.7424。

2.2.2 粘度對(duì)涂層紅外發(fā)射率的影響

測(cè)試了不同粘度涂料體系涂層的8～14 μm波段紅外發(fā)射率，結(jié)果如表2所示。隨著涂料體系粘度的逐漸增大，涂層的紅外發(fā)射率逐漸升高，但升高幅度很小，主要原因是涂層中的顏料和苯丙乳液的8～14 μm波段紅外發(fā)射率均較高，進(jìn)而使涂層的紅外發(fā)射率較高，基本不會(huì)對(duì)涂層的紅外發(fā)射率產(chǎn)生影響。

表2 不同粘度涂層的紅外發(fā)射率Table 2 Infrared emissivity of coatings with different viscosity

2.3 表面光澤度

2.3.1 表面光澤度對(duì)涂層反射率的影響

測(cè)試了不同光澤度涂層的太陽(yáng)光和近紅外反射比，結(jié)果如圖4所示。涂層的光澤度也對(duì)涂層的太陽(yáng)光和近紅外反射比產(chǎn)生一定的影響，隨著涂層光澤度的增大，涂層的太陽(yáng)光反射比呈現(xiàn)出接近線性的增加，當(dāng)涂層光澤度為37時(shí)，涂層的全波段和近紅外反射率分別為0.664 8和0.743 0。

物體表面光澤度與紅外反射率存在以下關(guān)系[5]:

圖4 不同光澤度涂層的反射率Fig.4 Reflectance of coatings with different coating glossiness

式（2）中：ρr為相對(duì)粗糙表面的反射率，ρp為相對(duì)光滑表面的反射率，Ra為表面光澤度，λ為對(duì)應(yīng)波段的波長(zhǎng)。

2.3.2 表面光澤度對(duì)涂層紅外發(fā)射率的影響

測(cè)量了不同光澤度涂層8～14 μm波段的紅外發(fā)射率，結(jié)果如表3所示。涂層紅外發(fā)射率隨著表面光澤度的增大而略微減小，減小幅度十分有限，因此并非影響涂層紅外發(fā)射率的主要因素，與文獻(xiàn)[6]結(jié)論一致。這是因?yàn)楣饩€照射在凹凸不平的表面，發(fā)生多次反射，涂層就會(huì)多次吸收紅外線，這就增加了涂層對(duì)紅外線的吸收，根據(jù)基爾霍夫定律和能量守恒定律，對(duì)于熱平衡條件下，吸收率高的物體必然有高的發(fā)射率，即物體的發(fā)射率會(huì)隨著光澤度降低而升高。

表3 不同光澤度涂層的紅外發(fā)射率Table 3 Infrared emissivity of coatings with different coating surface glossiness

2.4 涂層厚度

2.4.1 涂層厚度對(duì)涂層反射比的影響

為排除基材的影響，分別在鋁合金板、不銹鋼板和鐵板表面采用噴涂的方式制備建筑節(jié)能涂層，并控制涂層厚度為150、200、250、300和350 μm，對(duì)其進(jìn)行太陽(yáng)光反射比測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。隨著涂層厚度的增加，涂層太陽(yáng)光反射比呈現(xiàn)先增加后基本不變的趨勢(shì)。當(dāng)涂層厚度小于250 μm時(shí)，隨著涂層厚度的增大，涂層太陽(yáng)光反射比也隨之增加；當(dāng)涂層厚度超過(guò)250 μm后，涂層太陽(yáng)光反射比變化很小。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用性，涂層厚度以250 μm為宜。

圖5 涂層厚度對(duì)太陽(yáng)光反射比影響Fig.5 Influence of coating thickness on solar reflectance

2.4.2 涂層厚度對(duì)涂層紅外發(fā)射率的影響

測(cè)試了不同厚度涂層 8～14μm 波段的紅外發(fā)射率，結(jié)果如表4所示。由表4可知，涂層厚度對(duì)涂層8～14μm波段的紅外發(fā)射率影響較小，但厚度超過(guò)150 μm后，涂層發(fā)射率略微增加。原因可以由下式解釋：

式中：ρe——涂層的反射率;

ρs——基材的反射率;

d ——涂層厚度;

A ——吸收系數(shù)。

由此可知，涂層厚度逐漸增大時(shí)，發(fā)射率會(huì)略微增加，而當(dāng)涂層厚度趨于無(wú)窮大時(shí)，涂層的發(fā)射率與基材無(wú)關(guān)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，涂層厚度以250 μm為宜。

表4 不同厚度涂層的紅外發(fā)射率Table 4 Infrared emissivity of coatings with different coating thickness

4 結(jié) 論

1） 固化溫度對(duì)涂層紅外發(fā)射率基本無(wú)影響，但可明顯提高涂層的固化速度，縮短固化時(shí)間，固化溫度以65 ℃為宜。

2） 增加涂料體系粘度可增加涂層的太陽(yáng)光和近紅外反射比，但對(duì)涂層的紅外發(fā)射率影響不大，涂料體系粘度以370.1 mPa·s為宜。

3） 隨著涂層光澤度的增大，涂層的太陽(yáng)光反射比增強(qiáng)，紅外發(fā)射率略微降低，但并非影響紅外發(fā)射率的主要因素，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，涂層制備以噴涂的方式為宜。

4） 適宜增大涂層的厚度可增加涂層的太陽(yáng)光和近紅外反射比，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，涂層厚度以250 μm為宜。

［1］王文弟. 光譜選擇性散熱涂層的制備及性能研究[J]. 紅外技術(shù),2015, 37(12): 1063-1066.

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Optimization of Preparation Process of Water-based Building Energy Saving Coatings

YANG Guang
(Logistic Engineering University of PLA, Chongqing 401311, China)

Effect of major preparation process on performance of water-based building energy saving coating with chrome green pigment was investigated. Properties of building energy saving coatings were characterized by using differential scanning calormimetry (DSC), ultraviolet/visible/near infrared spectrophotometer, infrared emissivity measurement device, coating glossiness measurement device, coating thickness measurement device. The results indicate that curing speed of paint can be accelerated by increasing curing temperature. Effect of curing temperature,viscosity, coating surface glossiness and coating thickness on infrared emissivity in 8～14 μm is inapparent. Whereas,their influences on total solar reflentance and near infrared reflectance are apparent. Suitable curing temperature,viscosity, preparation method and coating thickness are 65 ℃, 370.1 mPa?s, spraying and 250 μm,respectively. All preparation processes should comprehensively be considered to prepare the coating with good properties.

Building energy saving; viscosity; Curing temperature; reflectance;Infrared emissivity; Coating thickness

TQ 637.6

A

1671-0460（2017）11-2239-04

2017-06-01

楊光（1990-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究方向：建筑節(jié)能涂料。E-mail：262567429@qq.com。