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新型薄层保温隔热涂料的研制研究
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摘要:通过选用合适的中空玻璃微珠、纳米浆料和氟硅改性丙烯酸乳液,得到了一种耐久性好、热反射率高和导热系数低的可薄涂施工的新型保温隔热涂料,其在外墙外保温装饰涂层体系中用作饰面涂层,可以防止外墙外保温体系中的聚苯板保温层因外界环境温差的剧烈变化而产生开裂、脱落现象,从而大大提高了保温体系的使用寿命,增加节能效果。同时研究了影响涂膜性能的相关因素。

关键词:保温隔热涂料;中空玻璃微珠;纳米浆料;氟硅改性丙烯酸乳液;热传导;热反射

0引言

建筑能耗占人类能源消耗的30%~40%,提高建筑物保温隔热性能是节约能源、提高建筑物使用功能的重要途径。外墙外保温技术能明显起到保护墙体和节约能源的作用。传统的外保温体系中其饰面涂层仅具有装饰和一般防水功能,不具有保温隔热功能,这对于整个系统的保护具有一定的局限性。众所周知,保温系统受太阳直射时,由于聚苯保温板热阻很大,会使防护层(抹面砂浆层)和饰面涂层中的热量很难通过热传导扩散,其表面温度在夏季可达60~80℃。如遇突降暴雨,温度急剧下降,温度变化可达30~50℃上,由温差产生的应力极易引起防护层和饰面层产生裂缝,而且防护层和饰面层温度过高,会使聚苯板产生不可逆热收缩变形,也会造成防护层和饰面层的严重开裂。一旦表层开裂,将起不到防水作用,雨水或水汽将会顺着裂缝进入保温层及粘结砂浆层,引起保温板粘结强度下降,严重时发生系统脱落。本研究开发了一种高耐久性的热反射保温隔热型水性氟硅外墙涂料,用于外墙外保温装饰涂层体系中的饰面涂层,其具有较高的太阳热反射和保温功能,可以防止外墙外保温体系中的聚苯板保温层因外界环境温差的剧烈变化而产生开裂、脱落现象,从而大大提高了保温体系的使用寿命,增加节能效果。

1实验部分

1.1原材料

海泡石、硅藻土、陶瓷、漂珠、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石:均为国产;中空玻璃微珠:进口;二氧化钛(R-902):进口;FAS丙烯酸乳液(50%):中海油常州涂料化工研究院生产;常泰“四合一”纳米浆料:江苏常泰纳米材料有限公司生产;其他助剂均为市售工业化产品。

1.2配方及工艺

先将配方量的去离子水、二氧化钛、分散剂、消泡剂和其他助剂研磨成钛白浆,然后在钛白浆中加入乳液、纳米浆料和助剂,搅拌均匀后在慢速搅拌下加入中空玻璃微珠、流平剂等,继续搅拌均匀,即制得本试验涂料。

1.3分析及检测

拉伸强度、断裂伸长率:按JG/T172—2005中规定的方法进行检测。导热系数:将本试验保温涂料制成直径3cm厚度为1mm左右的干膜,用DRL-Ⅱ导热系数测试仪(湘潭市仪器仪表有限公司制造)检测涂膜的导热系数。保温性:用50mm厚的聚苯乙烯泡沫板制作1个空腔尺寸为300mm×250mm×250mm的保温箱,箱体上平面开口能紧密放置尺寸为200mm×200mm的测试样板,在距离样板正上方100mm处灯光加热下,检测样板下表面和箱内的温度(已达稳定)。热反射率:将待测热反射率的涂料涂在150mm×70mm×0.5mm的钢板上,置于烘箱中,于(105±5)℃恒温下烘烤2h,制得待测热反射率的样板;调节室温为28.8℃,将2块喷涂黑磁漆的标准黑板相距50mm平行放在聚苯乙烯泡沫塑料上,涂漆的一面朝上,其中心对准上方的灯泡。调节灯泡和标准黑板之间的距离,使2块标准黑板在30min内达到平衡温度87.8℃,然后,立即撤走一块标准黑板,换上一块待测热反射率的样板,15min后,记录平衡时待测热反射率的样板温度,然后按下式计算热反射率。

计算热反射率

式中:ρ为热反射率;t1为标准黑板温度,一般为87.8℃;

t2为待测热反射率的样板温度;t3为检测时的室温,一般固定在28.8℃。

2结果与讨论

2.1保温材料选择

目前市面上的保温涂料基本上都是需要厚涂施工,涂料中使用的保温材料主要为轻质的、导热系数低的无机矿物原料,如硅藻土、蛭石、膨胀珍珠岩、海泡石等。因此本文首先在涂料配方中加入相同量的不同品种的轻质保温材料,比较涂膜的导热系数,并观察涂膜外观,结果见表1。

    表1不同涂料的导热系数

表1不同涂料的导热系数

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从表1中数据可以看出,由中空玻璃微珠配制的涂料,其涂膜的导热系数最低。这是因为本试验选用的进口中空玻璃微珠,其中空结构比较完好,且堆积密度最小,因此使用的效果也最好。另外本试验中用到的膨胀珍珠岩和陶瓷,由于其吸水率较大,导致涂层产生少量开裂。

2.2中空玻璃微珠用量对涂膜导热系数的影响

本试验选择中空玻璃微珠为主要的保温材料,考察了其不同用量对涂膜的导热系数和物理性能的影响,结果见表2。

    表2中空玻璃微珠用量对涂膜性能的影响

表2中空玻璃微珠用量对涂膜性能的影响

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从表2结果可知,随着中空玻璃微珠用量增加,涂膜的导热系数下降,保温性能变好,但其断裂伸长率和拉伸强度下降极为明显。这是因为涂料中中空玻璃微珠用量增加,涂膜会变得很疏松,密度减小,导致涂膜的强度变差。本文保温涂料中中空玻璃微珠用量定为10%,涂膜既具有较低的导热系数,同时又具有较高的物理强度。

2.3纳米浆料用量对涂膜热反射率的影响

太阳光的主要热量来自红外区,纳米级的半导体材料对红外光的吸收和反射很强。本文选择江苏常泰纳米材料有限公司的纳米分散浆“四合一”涂料宝,考察了其不同用量对保温涂料涂膜热反射率的影响,结果见图1。

    图1纳米浆料用量对涂膜热反射率的影响

图1纳米浆料用量对涂膜热反射率的影响

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由图1可以看出,本研究涂料中即使不加纳米浆料,涂膜的热反射率也能达到较高的水平(70%),这是因为涂料中的中空玻璃微珠由于其中空球形的结构,可以反射和折射太阳光,阻隔了一部分的热能。随着纳米浆料用量的增加,涂膜的热反射率升高,但其用量超过2%时,涂膜的热反射率有下降的趋势。原因是纳米浆料用量太多,导致部分纳米材料粒子团聚,达不到纳米改性的效果。__

2.4保温性能检测

自制保温隔热箱,研究了本试验保温涂料的保温隔热效果,其中1#为没有刷涂料的玻璃试样,2#为玻璃样板上涂有普通涂料的试样,3#为玻璃样板上涂有本试验保温涂料的试样,t4为试样下表面温度,t5为恒温箱内温度(以下同)。测试结果见表3。

    表3不同试样的保温隔热效果比较

表3不同试样的保温隔热效果比较

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从表3中的数据可以看出,当恒温箱温度达到稳定时,涂有本试验保温涂料的样板相比于涂有普通涂料的样板,其温度相差8℃,充分说明了本试验保温涂料具有明显的保温隔热功能。

2.5涂膜厚度对保温隔热效果的影响

目前市面上加热管道或反应釜使用的保温隔热层一般均需厚涂,而本试验研制的水性保温隔热涂料能够用于薄涂施工,可以达到同样的保温隔热效果。表4中的数据是改变涂膜厚度测试的保温性能。

    表4不同厚度涂膜的试样和恒温箱温度

表4不同厚度涂膜的试样和恒温箱温度

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由表4结果可知,涂膜太薄保温隔热效果不理想。当涂膜达到一定厚度时,其保温隔热性能已处于相对恒定,再增加厚度,其保温性能改善幅度并不大,但会明显增加涂料成本和施工成本。本试验保温涂料厚度仅需0.5mm就具有优良的保温隔热效果。

2.6涂膜耐老化性比较

本文检测了涂膜的耐人工老化性能,其中A为国内某知名厂家的保温涂料,B为常规纯丙乳液制备的保温涂料,结果见表5。

    表5涂膜的耐老化性能比较

表5涂膜的耐老化性能比较

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本文研制的保温涂料,由于选用氟硅改性丙烯酸乳液为成膜物,且加入了适量的纳米浆料,所以涂膜具有极为优异的耐人工老化性能。

2.7外保温系统耐候性试验比较

按JGJ144—2004外墙外保温工程技术规程中附录A.2要求制备试验样板,其由混凝土墙和被测外保温系统构成。1#为常规外墙外保温系统,2#为面层采用本文保温隔热涂料的外墙外保温系统,经70℃高温至15℃水淋试验,结果见表6。

    表5涂膜的耐老化性能比较

表6外保温系统耐候性试验比较

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从试验结果看出,常规外墙外保温系统出现了裂缝和少量鼓泡现象,而面层采用本文保温涂料的外保温系统则基本无变化。这主要是由于本文研制的保温涂料,具有良好的热反射和隔热保温功能,可以缓解下层聚苯板因外界温差急刷变化而产生的形变,有效地防止了面层的开裂。

3结语

(1)相比于其他轻质保温材料,用中空玻璃微珠配制的保温涂料,其涂膜的导热系数较低,且用量为10%时,涂膜的综合性能最佳。(2)加入适当的纳米材料能提高涂膜的热反射率。(3)由恒温箱测试结果可知,本文保温涂料具有良好的保温隔热功能,且可以薄涂施工(涂膜厚度仅需0.5mm)。(4)涂料中选用氟硅改性丙烯酸乳液为成膜物,且含有纳米材料,大幅度提高了涂膜的耐人工老化性能。

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