程冠之，劉 競，鄭新國，李書明，劉相會，李世達

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 1000811)

混凝土表面使用的降溫涂料一般由基體樹脂、功能性顏填料以及各種成膜助劑組成。其中，功能性顏填料對涂層降溫效果起到了關鍵作用。若想使涂層具備良好的降溫效果，其中所使用的填料必須有高的折光指數和近紅外反射率。與此同時，涂料中還經常加入空心玻璃微珠或陶瓷微珠作為輔助隔熱填料。中空微珠在涂料中緊密排布，可以有效阻止熱傳導。降溫涂料的機理主要包括熱能阻隔、熱能反射和熱能輻射。由于混凝土表面降溫涂料的實際效果主要取決于其反射和隔熱作用，因此一般將其稱為反射隔熱涂料[1-3]。

反射隔熱涂料的研究起步較早，在20世紀70年代末期，反射隔熱技術就已經取得了較大進展[4]。之后，使被涂物在太陽光輻照下溫度降低的各類涂料的研究一直較為活躍。Good等[5]發(fā)現(xiàn)涂有反射涂層的測試室內的溫度比未涂反射涂層的測試室內的溫度低得多。KANG等[6]將空心TiO2微球加入到聚丙烯酸酯涂層中，發(fā)現(xiàn)當空心球壁厚度為43 nm時涂層導熱系數最低。近年來，逐漸出現(xiàn)多種隔熱機理同時起作用的復合隔熱涂料。復合隔熱涂料既有阻隔作用又有反射功能，還能夠主動向外輻射熱量，已成為反射隔熱涂料的發(fā)展趨勢[7]。目前，反射隔熱涂料已成功地應用于航天、建筑、石化、軍事、工業(yè)等領域，其顯著的節(jié)能效果已得到業(yè)界的廣泛認可[8-9]。有代表性的產品如美國盾牌(Thermo-shield)節(jié)能涂料，已成功應用于航天飛機的隔熱涂裝中。

然而，目前的高性能反射隔熱涂料仍以白色的高明度涂料為主。將這類涂料應用于軌道結構降溫時，易使機車司機對線路情況的目視判斷產生影響，甚至有可能產生炫目效果，影響行車安全，因此其在鐵路建設中的使用存在較明顯的局限性。為克服常規(guī)反射隔熱涂料的上述缺點，作者通過配方設計與調整等方式，已成功制備出中明度啞光型反射隔熱涂料。本文主要研究金紅石型TiO2填料和空心玻璃微珠填料對涂層力學性能及反射隔熱效果的影響，并對其影響機理進行闡述與推斷。

1 試驗部分

1.1 原材料

自制基礎涂料，主要成膜物為水性氟碳樹脂；亞微米級TiO2屬于金紅石型，購自日本石原；中空玻璃微珠平均粒徑約50 μm，購自3M公司；潤濕分散劑、流平劑等助劑購自BYK公司；冷顏料市購。

1.2 涂料及測試樣品制備

將定量的基礎涂料、TiO2填料、顏料及助劑加入高速分散釜中，以 6 000 r/min的速率高速分散15 min，得到含TiO2填料的A系列涂料。

將定量的A系列涂料、空心玻璃微珠、顏料及助劑加入高速分散釜中，以 1 000 r/min的速率分散10 min，得到含TiO2和空心玻璃微珠填料的B系列涂料。

將待測涂料用400 μm涂布器鋪展在水平放置的聚四氟乙烯試板上，涂層熟化7 d后進行涂層力學性能、光澤度等常規(guī)性能測試；將待測涂料用200 μm涂布器鋪展在馬口鐵板上，涂層熟化7 d后進行反射隔熱性能測試。

1.3 表征

涂層的拉伸性能使用電子萬能試驗機(CMT6104，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司)，按照《建筑防水涂料試驗方法》(GB/T 16777—2008)第9節(jié)內容進行測試。附著力使用拉脫式涂層黏結力測試儀(SHJ-40，煤科總院北京中煤礦山工程有限公司)，參照《混凝土橋梁結構表面涂層防腐技術條件》(JT/T 695—2007)附錄中B.3節(jié)內容進行測試。涂層光澤度參照標準《色漆和清漆 不含金屬顏料的色漆漆膜的20°、60°和85°鏡面光澤的測定》(GB/T 9754—2007)，使用單角度光澤度儀進行測試，測試角度為60°；涂層明度通過分光測色儀(NS800，3nh公司)進行測定；涂層的反射隔熱效果通過隔熱溫差測試進行評價，測試時使用自制裝置并參照《金屬表面用熱反射涂料》(HG/T 4341—2012)附錄A中規(guī)定的方法進行，其中，光源采用碘鎢燈。

2 結果與討論

2.1 TiO2用量的影響

控制基礎涂料用量為80 g，涂層明度值為70±3，研究了亞微米級TiO2填料用量對涂層性能的影響，結果見圖1。

圖1 TiO2用量對涂層性能的影響

由圖1(a)可知，當涂層中不含TiO2填料時，其斷裂伸長率達到320%，抗拉強度達到5.4 MPa。隨TiO2填料用量增加，涂層的斷裂伸長率和抗拉強度均下降。當TiO2填料用量在10 g以內時，涂層的抗拉強度變化不明顯；當其用量增加至15 g后，涂層的抗拉強度開始明顯下降。這是由于亞微米級TiO2的粒徑較小，且在涂層中分散良好，各填料粒子間的平均距離較長，填料粒子與成膜物間的界面缺陷也較少，因此，一定量填料的添加并未降低涂層強度。但當填料用量繼續(xù)增加時，填料間的平均距離縮短，填料堆疊幾率加大，在涂層中形成了較明顯缺陷，因而使抗拉強度降低[10-11]。涂層斷裂伸長率的降低亦與其有關，但由于包裹填料的成膜物連續(xù)相沒有變化，涂層斷裂時的伸長率仍主要取決于成膜物自身性質，因而填料用量在所測試范圍內繼續(xù)增加時，涂層斷裂伸長率反而變化不大。

由圖1(b)、圖1(c)分別給出了TiO2用量對涂層黏結性能和光澤度的影響。可知，涂層在混凝土基面的黏結強度和涂層光澤度均隨TiO2用量逐漸下降。由于TiO2填料自身不具備黏結能力，因此其對涂層黏結性能的影響主要在于降低了黏結界面處的成膜物含量。當其用量達到20 g時，涂層黏結強度有了較明顯的降低。TiO2填料對涂層光澤度的影響主要在于提高了涂層表面的粗糙度，填料用量越高，涂層表面越粗糙，導致光澤度下降。

進一步對各涂層的反射隔熱效果進行了測定，結果見圖2。隔熱溫差測試結果表明，加入TiO2填料提高了實際降溫幅度，說明TiO2填料的反射功能起到了明顯降溫效果。當TiO2添加量為 5 g 時，1 h時溫度降低值就達到了5 ℃；當其添加量達到10 g后，繼續(xù)增加填料用量，涂層的反射隔熱效果變化不明顯。

圖2 TiO2用量對涂層反射隔熱效果的影響

2.2 空心玻璃微珠用量的影響

控制基礎涂料用量為80 g，TiO2填料用量為10 g，涂層明度值為70±3，研究空心玻璃微珠填料用量對涂層性能的影響，結果見圖3。

圖3 空心玻璃微珠用量對涂層性能的影響

由圖3(a)可知，添加空心玻璃微珠后，涂層抗拉強度與斷裂伸長率均明顯下降，但在填料用量為2～5 g 時存在變化較緩慢的平臺區(qū)。涂層抗拉強度在空心玻璃微珠用量達1 g時明顯下降，隨著填料用量進一步增加其下降趨勢反而趨緩。涂層的斷裂伸長率隨著空心玻璃微珠用量的增加一直呈較穩(wěn)定的下降趨勢。當填料用量達到6 g時，涂層斷裂伸長率下降至初始值的50%左右；當填料用量達到10 g時，涂層斷裂伸長率已降低至初始值的25%。在少量添加空心玻璃微珠時涂層力學性能的下降與空心玻璃微珠與涂層成膜物之間的界面結合狀態(tài)有關，由于微珠粒徑較大，在拉伸過程中更易在界面處產生應力集中區(qū)域，導致斷裂伸長率和拉伸強度降低[12]。平臺區(qū)的出現(xiàn)則與不同粒徑填料間的堆積有關，較小粒徑的TiO2填料分布于較大粒徑的空心玻璃微珠周圍，形成較密堆積的狀態(tài)，而成膜物填充于其間的空隙。此時，在一定范圍內增加空心玻璃微珠用量對拉伸狀態(tài)下的涂層成膜物性能影響較小，因而出現(xiàn)平臺區(qū)域。而當填料用量進一步增大時，被填料吸附固定的成膜物較多，體現(xiàn)為拉伸時的涂層變形能力較差，斷裂伸長率顯著下降。

如圖3(b)所示，在涂料中添加空心玻璃微珠后，涂層的光澤度亦會下降。當空心玻璃微珠用量增加至3 g后，涂層光澤度(60°角)降低至20%以下，呈啞光狀態(tài)。

進一步使用光學顯微鏡研究不同空心玻璃微珠用量下的涂層表面狀態(tài)，見圖4。

圖4 不同空心玻璃微珠用量下的涂層表面形貌

由圖4可知，隨著空心玻璃微珠用量的增加，涂層表面可觀察到的玻璃微珠逐漸增多，這使得涂層表面的粗糙度提高，漫反射增強，進而光澤度降低，涂層逐漸呈現(xiàn)啞光狀態(tài)。

對各涂層的反射隔熱效果進行了測定，結果見圖5。可見，加入空心玻璃微珠填料進一步提高了降溫效果。隨著空心玻璃微珠用量的提高，涂層的降溫幅度先逐漸增大；當填料用量增加至10 g時，溫度反而有所回升，其最佳添加量為8 g。其原因是：①空心玻璃微珠由于其中空結構而使涂層熱阻提高，加強了涂層上下表面間的隔熱效果；②當空心玻璃微珠用量過高時，成膜物在填料間的填充程度降低，部分填料間發(fā)生堆砌，反而降低了涂層熱阻。

圖5 空心玻璃微珠用量對涂層反射隔熱效果的影響

3 結論

可使用亞微米級TiO2和空心玻璃微珠對水性中明度反射隔熱氟碳涂料的性能進行有效調節(jié)。具體結論如下：

1)隨TiO2填料用量的增加，涂層斷裂伸長率、光澤度及其在混凝土基面的黏結強度均逐漸下降。

2)在涂料中添加空心玻璃微珠后，涂層的斷裂伸長率和抗拉強度均會下降，但在添加量為2～5 g時變化不明顯；當空心玻璃微珠用量增加至3 g后，涂層光澤度(60°角)降低至20%以下，呈啞光狀態(tài)。

3)加入TiO2和空心玻璃微珠填料均可提高涂層的隔熱溫差，當TiO2填料添加量達到10 g后，反射隔熱效果變化不明顯；空心玻璃微珠填料的最佳添加量為8 g。

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