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彩色建筑节能热反射隔热涂料研究

来源:本站原创 日期:2014-08-14

彩色建筑节能热反射隔热涂料研究

周学梅 李兵  曹红锦  林牧春 罗德富

(中国兵器工业第59研究所,重庆 400039

以高温烧结彩色陶瓷空心微珠为热反射隔热功能填料,制备了各色热反射隔热涂料,对涂层结构和组成配比进行了研究,试验结果表明,在相同颜色条件下,添加有彩色陶瓷空心微珠的涂层热传导率低,近红外反射率明显高于普通涂层,与染色的空心微珠相比,耐酸碱性、耐候性和耐高温性能优异,适用于建筑节能、工业仓储保温,具有广泛的应用前景。

关键词  彩色陶瓷空心微珠热反射  隔热  涂料近红外反射率  耐候性

Research on Thermal Insulation Coating for Colorful Buildings

ZHOU Xue-meiLI Bing, CAO Hong-jin, LIN Mu-chun

(NO.59 Institute of China Ordnance IndustryChongqing400039China)

[Abstract] Taking colorfulceramic hollow microsphere by high temperature sinter as heat reflectionthermal insulation filler, all kinds of heat reflection thermal insulationcoating have been prepared. Test results show that in similar color condition,the heat conductivity of colorful ceramic hollow microsphere coating is low,the near infrared reflectivity higher than that of normal coating.Compared withdyeing hollow microsphere, the acid and alkali resistance, weather and hightemperature resistance is excellent and suitable for thermal insulation ofbuildings and industry warehouse.

[Key words] Color;Ceramic hollowmicrosphere;Heat reflection;Thermal insulation;Coating; Near infraredreflectivity;Weather resistance

0 引言

在建筑节能外墙保温系统设计中,通过反射和辐射传热对太阳辐射能量进行耗散,用于取代传统的隔热保温砂浆已成为研发热点,应用较多的为白色热反射隔热涂料,以空心微珠和高折射率二氧化钛为主要功能颜填料[1],对太阳光的热反射比可达到80%以上。随着建筑节能的需求日益迫切,单一白色热反射涂料已不能满足多彩色的外墙涂料要求,而彩色热反射涂料由于在可见光波段的高吸收性和颜料的耐候性差,其使用和推广受到限制。

以一定粒径分布的陶瓷空心微珠为基体,通过高温烧结工艺和配色技术,制备出包覆有彩色金属氧化物颜料的陶瓷空心微珠,具有近红外反射率高、热稳定性好等特点。本文以重庆阿罗科技发展有限公司的彩色陶瓷空心微珠为功能颜填料,制备出具有较高太阳光反射比的彩色热反射隔热涂料,并与用色浆包裹的空心微珠热反射涂层进行了对比,对功能填料的组成配比和涂料的润湿分散工艺进行了探讨。

_______________________________________________________________________________

[收稿日期]20070301

[项目来源]重庆市科技攻关项目

[作者简介]周学梅(1970 ) ,女,重庆人,学士,高级工程师,从事功能涂料的研究。

1 试验内容

1.1 材料与仪器

1.1.1试验材料

  AF系列各色彩色空心微珠(自制)、P34素色空心微珠(上海外电)、沉淀硫酸钡(工业级)、颜料色浆(自制)、纯丙乳液(河南新光)、消泡剂(深圳海川)、颜料分散剂(深圳海川)。

1.1.2试验设备

PQ-1喷枪(上海宇工)、SFJ-400高速分散机(上海环境工程研究所);UVmini1240分光光度计(日本岛津);HWF红外发射率测试仪(昆明212所); BT9300H激光粒度仪(丹东百特仪器有限公司);隔热温差测试装置(自制,见图1)

1 隔热温差测试装置

Figure1 Test device of thermalinsulation with difference in temperature

1.2 热反射隔热涂层的制备

1.2.1涂料配比

涂料配比见表1.

1 热反射隔热涂料配方

Table1 Formulation of heat reflection thermal insulation coating


1.2.2制备工艺

将各组分材料按配方混合后,用高速分散机进行分散,分散机转速(2300~25000r/min,分散时间30 min.。用PQ-1喷枪分别在水泥板基材和马口铁基材上进行喷涂,涂层厚度为(80~100),在室温下自然干燥168h

1.3 性能测试

用分光光度计对涂层在(0.4~2.5mm的光谱外反射率进行测试,用红外发射率测试仪对涂层在(8~14mm的红外发射率进行测试,用自制的隔热温差测试装置对涂层的保温隔热效果进行测试。通过化学试剂浸泡和光老化加速试验,对涂层的稳定行进行测试。

2 结果分析与讨论

2.1 热反射隔热机理

当涂料表面受到太阳光照射时,反射、吸收和透过各占一部分,以βατ分别代表涂料层的表面总反射率、吸收率和透过率,则有β+α+τ=12ε代表表层吸收的太阳能转为(814) mm波段内的红外辐射率,即ε=α

由于建筑隔热涂料表层下面大多数为不透明的水泥层,因此,可以近似认为其透过率τ=0,由此,上式又可简化为:βλ+αλ=1,其中βλ)和αλ)均是随波长变化而变化的。热反射隔热涂料的主要特性,就是在可见光和近红外光波段内,βλ)尽可能地高;而在(8~14mm波段内,发射率ελ)也尽可能高,把涂层和下层的水泥层中吸收到的太阳能中的可见光及近红外光能转为热能,以红外辐射的方式在此波段内穿过大气红外窗口,高效地发射到大气外层的绝对零度区,从而达到降低温度的目的。3

2.2彩色热反射隔热涂料的功能填料选择

2.2.1彩色空心微珠与片状填料的热反射和隔热性能对比

2.2.1.1 热反射性能对比

将以彩色空心微珠为填料制备的涂层(AB)和以片状填料制备的涂层(CD)进行了太阳光光谱反射率和红外发射率对比测试,结果见图2和表3

   

   A—含粉色空心微珠涂层光谱反射曲线;D—含片状填料粉色涂层光谱反射曲线

B—含黄色空心微珠涂层光谱反射曲线;C—含片状填料黄色涂层光谱反射曲线

2 彩色(热反射隔热)涂层的光谱反射曲线

Figure2 Spectral reflective curve of color coating

     由测试结果看出,当涂层颜色相同时,在0.4~0.7mm可见光波段的吸收光谱是一致的,而在1.0mm以后的近红外波段,空心微珠涂层的光谱反射率明显高于片状填料涂层,全波段的平均反射率高10%左右;同时,彩色空心微珠涂层的红外发射率高,能将吸收的热量以热辐射的方式发散掉。

2.2.1.2 隔热温差测试

     将涂层B和涂层C放置于自制的测试装置上并固定,每间隔30min测一次表面温度和箱内温度,连续测温8h,测试结果见图3

 

3彩色(热反射隔热)涂层隔热温差测试曲线

Figure3 Test curve of thermal insulation with difference intemperature of colorcoating

隔热温差测试结果表明,涂覆有彩色空心微珠热反射涂层的试验箱体,其外表面和箱体内温度均低于相同颜色的片状填料涂层,内外表面温度差(3~4)℃,这是由于空心微珠为球形,当光能量进入涂层后,光波的传输路径在球体表面被反复地各向散射,不能深入到涂层内部,表现为对太阳光的高反射;同时,空心微珠为含空气的密闭球体,热传导系数低,在涂层中形成独立的绝热腔体,在一定厚度条件下,其热阻隔效果显著。

2.2.2高温烧结彩色陶瓷空心微珠与色浆染色空心微珠的性能对比

    将自制涂料色浆和素色空心微珠混合后,在电镜下观察到微珠已被染色,以染色后的微珠为功能填料制备涂层,与彩色陶瓷空心微珠涂层进行了光老化加速实验、盐酸浸泡实验和200高温实验,结果见表2

2 涂层的性能测试

Table 2Performance test of coating


由测试结果看出,彩色陶瓷空心微珠的颜料大多为金属氧化物,经过高温烧结后,热稳定性和耐候性大幅提高,优于染色的空心微珠,特别适用于长期暴露在户外的建筑物外表面和有高温需求的工业设施。

2.3 彩色空心微珠的用量比优化设计

 空心微珠的比表面积大,堆积密度为0.30g/cm3,在涂料中的添加量要低于片状填料,不同空心微珠用量的涂层性能见表3

3 不同空心微珠用量的涂层性能分析

Table2 Analysis of coating performance with different hollowmicrosphere usage

     测试结果看出,当空心微珠的用量超过涂层的临界颜料体积浓度后,树脂不能完全裹住填料,导致涂层的外观和使用性能不能满足要求,最佳的空心微珠用量应控制在8%~12%2.4 空心微珠在涂料中的分散工艺

彩色空心微珠的粒径分布为(8~34),实际使用过程中,由于微珠易发生团聚而使粒径增大,影响了涂层的性能4。分别采用机械搅拌和超声波分散工艺,通过对微珠的粒径分布和涂层微观形貌分析发现,采用超声波分散工艺制备的涂层微珠粒径分布均匀,涂层性能较好。测试结果见图4至图5

               

4采用超声波分散空心微珠粒径分布             5采用机械搅拌的空心微珠粒径分布

Figure 4 Grain diameterdistrbution of hollow   Figure 4 Graindiameter distrbution of hollow

microsphere using ultrasonic                   microsphereusing machine mixing

3 结论

对于彩色热反射隔热涂层,在涂层颜色相同时,在0.4~0.7mm可见光波段的吸收光谱是一致的,而在近红外波段的光谱反射率则取决于功能填料的种类、粒径大小和分散状态。彩色空心微珠因其球形和独立的绝热腔体结构,在1.0~2.5mm的近红外反射率明显高于片状填料的涂层,在相同时间和相同热辐射作用下,涂层的表面温度差为(3~4)℃,具有明显的隔热降温效果。

⑵ 通过金属氧化物颜料包覆,经高温烧结的彩色陶瓷空心微珠热稳定性和耐候性大幅提高,优于染色的空心微珠,特别适用于长期暴露在户外的建筑物外表面和高温工业设施的节能需求。

⑶ 空心微珠的比表面积大,使用中最佳用量控制在8%~12%;采用超声波分散工艺可减少空心微珠的团聚,使空心微珠的粒径分布均匀,提高涂层的热反射性能。

[参 考 文 献]

[] 余丽蓉,陆春华等.弹性薄层反辐射隔热涂料的研究【J】.材料科学与工程学报,2007,25(2)265268

[] 陆洪彬,陈建华等.隔热涂料的隔热机理及其研究进展【J】.材料导报,200519(4)7173

[] 陈先,郭年华,李明等.功能涂料太阳热反射率测试方法研究[J].新型材料,1999283638

[4 ]郭清泉,邓淑华等.涂层日光热反射能力与反射材料粒径及聚集状态的关系【J】.涂料工业,2007371):1820

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