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水性玻璃隔热涂料的制备与性能研究,对市面上常见的水性氟碳树脂进行了筛选,中国建材网,cnprofit.com
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水性玻璃隔热涂料的制备与性能研究,对市面上常见的水性氟碳树脂进行了筛选
2019年12月31日    阅读量:4580    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

0 前 言

常规的水性玻璃隔热涂料使用水性树脂和纳米浆料共混制得,具有很好的隔热效果和可见光透过性[1-3]。市面上常用单组分水性聚氨酯作为基础树脂,然后外添加纳米氧化物水溶液制备玻璃隔热涂料,但该涂料存在着以下几点不足:

(1)制备工艺过长,纳米氧化物在水溶液中很难分散,易于团聚和沉降[4-7];

(2)由于选用的树脂不具有良好的耐水、耐老化等性能,涂料使用周期过短;

(3)由于水性聚氨酯树脂的局限性,涂膜沾污问题难以解决,从而给玻璃的清洗带来了很大的麻烦[4-7]。氟碳类化合物的主要基团—CF3的表面能只有6 mJ/m2,这类化合物是目前已知表面能最低的材料,所以将有机氟材料广泛用于各种材料的表面改性可以获得类似的低表面能[8]中国建材网cnprofit.com


由于现在市面上的玻璃隔热涂料存在很多问题,我们拟选用具有疏水、耐老化性能强的氟碳乳液作为成膜物质,将其优异的自清洁功能引入到玻璃隔热涂料中,制备出一种具有复合性能的玻璃隔热涂料。


本论文从配方优化的角度出发,选择了水性氟碳树脂作为基料树脂,制备了一种疏水型水性玻璃隔热涂料,对其涂料基本性能进行了测试,并着重探讨了纳米氧化物用量与隔热性能的关系。该涂料能够广泛应用于建筑节能等领域,既可以起到自清洁,同时也具备良好的隔热效果,具有比较优异的性价比。


1 水性玻璃隔热涂料的制备

1.1 试验原材料

水性氟碳树脂、纳米氧化物溶液(自制)、醇酯十二、无水乙醇、丙二醇、硅烷偶联剂、分散剂、基材润湿剂、增稠剂、消泡剂、中和剂。


1.2 水性玻璃隔热涂料的制备

1.2.1 纳米浆料的分散

将纳米氧化物ATO(氧化锡锑)放入烘箱,在40~50 ℃条件下干燥5 h,将干燥好的纳米氧化物加入溶有硅烷偶联剂的乙醇溶液中,超声分散1 h,制得预分散液。将预分散液加入带有回流冷凝器和搅拌器的500 mL圆底烧瓶中,然后将体系升温到80~90 ℃,中速搅拌,反应24 h,出料,在70~80 ℃下真空干燥,制得改性的纳米氧化物粉体。在高速分散机中加入去离子水、分散剂、润湿剂,搅拌均匀,加入经硅烷偶联剂改性过的纳米ATO粉体,高速分散砂磨6~8 h,调pH值为7.5~8.0,制得纳米ATO含量为10%(质量分数)左右的纳米氧化物浆料。


1.2.2 水性玻璃隔热涂料的制备

取水性氟碳乳液和去离子水于容器中,在分散的情况下缓慢滴纳米ATO溶液,充分分散40 min;依次加入消泡剂、增稠剂、中和剂,分散15 min,即制得水性疏水型玻璃隔热涂料。


2 涂料影响因素及讨论

2.1 树脂的筛选

用于透明隔热纳米涂料的成膜剂要求在可见光区具有较高的透光率。通常,尽量选择不含或少含—CO—、C—O—C、—OH等基团的树脂作为成膜剂,可能是含有这些基团的树脂的成膜稳定性不好,其与玻璃基材的附着力较差。通常,对于透明隔热纳米涂料高分子成膜物质主要有:聚甲基丙烯酸酯及其含硅、聚苯乙烯-苯烯腈、氟的改性物、高氯化聚乙烯及聚四氟乙烯、聚氨酯等。


F—C键由于其键极性小,因此氟碳聚合物具有低表面能,和其他树脂相比,氟碳树脂临界表面张力最低,是涂料树脂具有优良抗黏性、防沾污性的原因。氟原子的引入还可以提高涂料的耐水、拒油、抗紫外线能力等能力。


因此本试验选用水性氟碳树脂作为成膜物质。本试验对市面上水性氟碳树脂进行考察,选取了6种氟碳乳液,并对氟碳乳液进行了初步性能测试,考察了树脂的耐水性、附着力、耐紫外老化(自制紫外老化仪)以及铅笔硬度,结果见表1。

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由表1可知,树脂C、D、E具有比较优异的拒水效果,同时耐老化性能较好。同时测试了树脂的水接触角和表面能,数据见图1和表2,树脂D的水接触角达到了96.9°,但其附着力性能不好,树脂C的耐水和耐老化一般。从成本和树脂综合性能考虑,优先选用树脂E作为基础树脂。

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2.2 纳米氧化物用量与涂料性能的关系

一些半导体纳米粒子,如纳米氧化铟锡(ITO)、氧化锡锑(ATO),经研究证实由其制成的膜具有很高的红外屏蔽和良好的可见光区透过率。本试验选用纳米氧化锡锑(ATO)作为隔热材料,重点考察了ATO用量与涂料基本性能和隔热性能的关系。


2.2.1 纳米氧化物用量对紫外、可见、近红外光透过率的影响

太阳辐射的能量主要集中在波长为200~2 500nm的范围内,具体能量分布如下:紫外区200~350nm,占总能量的5%;可见光区320~780 nm,占总能量的45%;近红外区780~2 500 nm,占总能量的50%。

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由此可见,太阳光谱中的能量绝大部分分布在可见光区和近红外区,其中近红外区就占了一半的能量。红外线对视觉效果没有贡献,若将这一部分能量进行有效阻隔,可以起到很好的隔热效果而不影响玻璃的透明性。本试验考察了配方中不同纳米氧化物浆料用量与紫外、可见、近红外光透过率的关系,其结果见图2、图3和表3。


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由图2、图3可知,随着ATO溶液用量的不断提高,玻璃隔热涂料的光学性能表现出比较明显的规律:在紫外线区域,紫外线的透过率不断降低,但降幅不明显,由此可见,少量的纳米ATO溶液就可以达到屏蔽紫外线的功能;在可见光区域,随着ATO含量的增加,可见光的透过率不断降低;在近红外区域,玻璃隔热涂料对近红外的阻隔达到70%~80%。


由表3可见:水性玻璃隔热涂料对紫外线有很好的屏蔽作用,同时对可见光有良好的透过性,太阳光的大部分能量集中在近红外区域,该玻璃隔热涂料对近红外线也起到了良好的阻隔作用,当ATO含量达到配方含量的30%时,近红外透过率显著降低。


2.2.2 纳米氧化物用量与涂料隔热性能的关系

通过不同ATO含量(质量分数10%、20%、25%、30%、40%、50%)样品与市购竞争样品进行比较,利用自制温差仪对比分析了样品板上下表面温度,见图4。由图4-1、4-2可见,市面上竞争样品与空白玻璃的隔热温差最终稳定在3 ℃左右,与玻璃外表面温差稳定在10 ℃左右,试验制备的50%质量分数的玻璃隔热涂料与空白玻璃的隔热温差稳定在7 ℃左右,而与玻璃外表面温差最高达到18 ℃左右;


由图4-3、4-4、4-5、4-6、4-7可以看出,涂刷有隔热涂料的玻璃与空白玻璃有温度有较大的差距,随着ATO用量的增加,温差逐渐加大,稳定后的温差基本在5 ℃以上;图4-8为不同ATO溶液用量与空白玻璃的升温曲线对比图,由该图可见,随着ATO用量的增加,隔热性能有所增加,但效果区分不明显,其与空白玻璃的最大温差在8 ℃左右,稳定温差在5 ℃以上。


2.3 水性玻璃隔热涂参考配方与性能测试

水性玻璃隔热涂料参考配方见表4。

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表5为水性玻璃隔热涂料的基本性能测试数据,该涂料具有比较好的隔热效果,同时由于采用了氟碳乳液作为基料树脂,因此其同时具有比较优异的疏水、耐老化性能。

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3 结 语

(1)对市面上的氟碳乳液进行了筛选,选出了一种性价比较高的乳液作为基料树脂,并对其性能进行了测试。

(2)考察了纳米氧化物溶液用量与涂料的性能关系,并测试了其光学性能。试验结果表明:纳米氧化物溶液用量在30%时,其具有比较好的隔热效果和紫外线屏蔽功能。

(3)测试了不同ATO溶液用量的玻璃隔热涂料的隔热性能,随着ATO溶液用量的增加,隔热性能有所增加,但效果区分不明显,其与空白玻璃的最大温差在8 ℃左右,稳定温差在5 ℃以上。

(4)比较全面地测试了玻璃隔热涂料的性能,测试结果表明,由于氟碳乳液的存在,该玻璃隔热涂料具有疏水、隔热综合功能,比市面上传统隔热涂料有很大的性能优势,是一款性价比很高的节能环保涂料,可广泛应用于玻璃幕墙、家装建筑等领域。

水性玻璃隔热涂料的制备与性能研究


□ 文 风,陈 俊,廖 笠,何国平

(武汉新康化学集团有限公司博士后工作站,武汉双虎涂料有限公司,武汉 430035)



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