楊紅濤 ，周如東，郭亮亮

（1.中航飛機股份有限公司，陜西西安 710089；2.中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇常州 213016；3.中海油常州環(huán)保涂料有限公司，江蘇常州 213014）

0 引言

工業(yè)帶溫設(shè)備大多采用包裹型隔熱系統(tǒng)進(jìn)行隔熱保溫，該隔熱系統(tǒng)通常由防腐涂層、隔熱材料、打包帶以及鋁箔反射層組成，見圖1。然而，包裹型隔熱系統(tǒng)在實際使用過程中存在諸多問題：（1）整體導(dǎo)熱系數(shù)偏高，達(dá)到理想的隔熱效果所需隔熱層厚度較厚；（2）隔熱材料易吸潮，一旦吸水則失去隔熱能力，同時會加速設(shè)備腐蝕；（3）隔熱材料之間存在接縫，易產(chǎn)生熱橋；（4）異形帶溫設(shè)備的包裹工藝復(fù)雜，隔熱效果差；（5）檢修繁瑣，需要拆除隔熱材料、打包帶以及鋁箔反射層；（6）隔熱材料含石棉、苯等致癌物，不利于人體健康；（7）原材料與施工成本均偏高。為克服包裹型隔熱系統(tǒng)的缺點，目前已有設(shè)備制造商采用在設(shè)備表面涂覆隔熱涂料的方法來進(jìn)行隔熱保溫。但是，涂料的環(huán)保性能、隔熱性能、貯存穩(wěn)定性以及施工性能等仍有待進(jìn)一步提高［1-3］。

圖1 傳統(tǒng)保溫隔熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 The structure scheme of the traditional thermal insulation system

本研究以水性硅丙樹脂為主體樹脂，以空心玻璃微珠為隔熱填料，配合著色顏料、填料以及助劑，

[收稿日期] 2018-03-13

[作者簡介] 周如東（1982—），男，研究生，中海油常州涂料化工研究院特種涂料實驗室主任，主要從事航空、核電及特種功能性涂料的研發(fā)工作。制備了工業(yè)帶溫設(shè)備用水性隔熱涂料。重點考察了主體樹脂、隔熱填料類型與添加量以及施工方式等對涂料性能的影響。

1 試驗部分

1.1 原材料

水性純丙樹脂、水性苯丙樹脂、水性硅丙樹脂，工業(yè)級，中海油常州環(huán)保涂料有限公司；空心玻璃微珠（G-1～G-4），工業(yè)級，進(jìn)口；纖維素、分散劑、消泡劑、殺菌劑、成膜助劑、增稠劑，工業(yè)級，市售。

1.2 主要儀器設(shè)備

BF-400高速分散機，安徽博進(jìn)化工機械有限公司；DHG-9070A臺式電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海篤特科學(xué)儀器有限公司；DRL-Ⅱ?qū)嵯禂?shù)測定儀，武漢格萊莫檢測設(shè)備有限公司；LEO 1530 VP掃描電子顯微鏡，日本HITACHI公司；HC-8000萬能材料試驗機，蘇州華川檢測儀器有限公司；TES-1310接觸式測溫儀，臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司。

1.3 試樣的制備

1.3.1 涂料的制備

水性隔熱涂料的基本配方見表1。

表1 水性隔熱涂料的基本配方Table 1 The basic formulation of water-based thermal insulation coatings

制備工藝：按配方量將組分1～5加入到合適的容器中，于1 000～1 500 r/min下高速攪拌40～60 min后，加入組分6～8混合均勻，然后在300～500 r/min下慢速攪拌并逐步加入組分9，攪拌均勻，最后加入組分10，調(diào)整至合適的黏度。

1.3.2 試樣的制備

將制備好的水性隔熱涂料涂覆于四氟乙烯板表面，低溫固化，干燥后將其取下，制成規(guī)定尺寸的薄圓片試樣。測試前，將試樣置于105 ℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱處理24 h，然后放在干燥器中冷卻至室溫。

1.4 性能測試

導(dǎo)熱系數(shù)：按照GB/T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計法》進(jìn)行測試；粘結(jié)強度和伸長率：按照HG/T 4567—2013《建筑用彈性中涂漆》進(jìn)行測試；熱貯存穩(wěn)定性：按照GB/T 6753.3—1986《涂料貯存穩(wěn)定性試驗方法》進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 主體樹脂對涂料性能的影響

主體樹脂對隔熱填料起粘結(jié)作用，并賦予涂層良好的整體性能和對底材的附著力，是影響涂料性能的決定因素。目前，水性隔熱涂料所用的主體樹脂主要有水性純丙樹脂、水性苯丙樹脂和水性硅丙樹脂。其中，水性純丙樹脂成膜性能好，并具有較好的耐水性、耐堿性、耐老化性能和保色性。水性苯丙樹脂具有良好的耐水性、耐堿性、硬度以及抗污性，但其耐候性較差，易黃變。水性硅丙樹脂具有良好的耐水性、耐堿性和耐沾污性，涂膜不泛黃，抗紫外線和抗老化性能極佳，并且，與水性純丙樹脂相比，水性硅丙樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)更低［4］。綜上所述，選擇水性硅丙樹脂作為隔熱涂料的主體樹脂。3種樹脂的性能對比見表2。

2.2 隔熱填料類型對涂料性能的影響

水性隔熱涂料的隔熱性能主要由隔熱填料的性能決定。隔熱填料大多為質(zhì)輕、低導(dǎo)熱、球型率高、具有較高強度且化學(xué)性能穩(wěn)定的中空材料。目前，常用的隔熱填料有珍珠巖、蛭石、漂珠、硅酸鈣、硅酸鋁纖維、空心玻璃微珠、空心陶瓷微珠以及二氧化硅氣凝膠等。幾種常見隔熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)見表3。

表 2 3種樹脂的性能對比Table 2 The performance comparison among three kinds of resins

表 3 幾種常見隔熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)Table 3 Thermal conductivity of several common insulation fillers

由表3可見，珍珠巖、空心玻璃微珠和二氧化硅氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，是較為理想的高效隔熱填料。但是，采用珍珠巖作為隔熱填料的涂料，施工性能較差；采用二氧化硅氣凝膠作為隔熱填料的涂料，二氧化硅氣凝膠加量有限，若其加量過大，涂料成膜后易開裂，較難獲得理想的隔熱效果。而空心玻璃微珠具有質(zhì)量輕、體積大、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗壓強度高，分散性、流動性、穩(wěn)定性好、高填充率、能夠降低收縮以及抗開裂等優(yōu)點。高填充率能夠使空心玻璃微珠在隔熱涂料中形成一層由薄壁空心珠構(gòu)成的空心腔體群，從而起到良好的阻隔絕熱效果；其降低收縮和抗開裂的特性，能夠保證空心玻璃微珠的高填充量，同時，有效防止涂料成膜后發(fā)生開裂［5-8］。因此，本研究選用空心玻璃微珠作為隔熱填料。

2.3 隔熱填料添加量對涂料性能的影響

選用國外某企業(yè)生產(chǎn)的4種空心玻璃微珠作為隔熱填料，考察了其添加量對涂料性能的影響。4種空心玻璃微珠的基本性能參數(shù)見表4。

表 4 4種空心玻璃微珠的基本性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of four kinds of hollow glass microspheres

由表4可見，G-1的粒徑最大，密度最低，壁厚最薄，導(dǎo)熱系數(shù)最低；G-4的粒徑最小，密度最大，壁厚最厚，導(dǎo)熱系數(shù)最高。

單獨使用空心玻璃微珠作為隔熱填料，按照5%、10%、15%、20%以及25%添加量制備一系列涂料樣品和樣板，通過測試導(dǎo)熱系數(shù)、粘結(jié)強度、伸長率和貯存穩(wěn)定性等進(jìn)行配方篩選，結(jié)果如表5所示。

表5 空心玻璃微珠的添加量對隔熱涂料性能的影響Table 5 The effects of hollow glass microspheres amount on the performance of thermal insulation coatings

由表5可見，當(dāng)空心玻璃微珠G-2添加量為15%時，涂料的導(dǎo)熱系數(shù)最低且綜合性能最佳。雖然空心玻璃微珠G-1的導(dǎo)熱系數(shù)也較低，但相同添加量下，采用G-1制備的涂料的導(dǎo)熱系數(shù)卻高于采用G-2制備的涂料的導(dǎo)熱系數(shù)。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，這主要是由于空心玻璃微珠G-1的壁厚過薄，在外力剪切作用下，微珠出現(xiàn)大量破損（圖2），從而直接影響涂料的隔熱效果。

圖2 空心玻璃微珠G-1受外力剪切后的SEM照片F(xiàn)igure 2 SEM photo of hollow glass microspheres G-1 sheared by external force

2.4 施工方式對涂料性能的影響

分別采用刮涂和噴涂兩種方式在密閉鐵罐表面涂裝水性隔熱涂料，涂層干膜厚度（4.0±0.4）mm，涂裝完的罐體見圖3。隨后，在罐體內(nèi)部加入沸水，分別利用水銀溫度計和接觸式測溫儀跟蹤罐體內(nèi)外的溫度，實測數(shù)據(jù)見表6。由表6可見，采用噴涂方式施工的涂料的隔熱性能要優(yōu)于采用刮涂方式施工的涂料。

圖3 涂裝水性隔熱涂料后的罐體Figure 3 Tank after coating water-based heat insulation coatings

表 6 施工方式對隔熱效果的影響Table 9 Influence of construction methods on heat insulation effect

3 結(jié)語

以水性硅丙樹脂為主體樹脂，以空心玻璃微珠為隔熱填料，配合著色顏料、填料以及助劑，制備了工業(yè)帶溫設(shè)備用水性隔熱涂料。當(dāng)空心玻璃微珠G-2添加量為配方量的15%時，涂料的綜合性能最佳且其導(dǎo)熱系數(shù)能夠降低至0.041 W/（m·K）。采用噴涂方式施工的涂料的隔熱性能優(yōu)于采用刮涂方式施工的涂料。該涂料制備的隔熱系統(tǒng)的環(huán)保性能、隔熱性能以及性價比均優(yōu)于包裹型隔熱系統(tǒng)。

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