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PVDF涂料—凉爽屋顶的解决方案,PVDF涂层为凉爽屋顶带来了革新的解决方案
2020年01月15日    阅读量:1617    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

环保的、绿色的建筑设计在北美日趋流行。然而绿色设计行动有很多不同的方式。从房屋主的受益点出发,其中一种最有吸引力的设计是使用凉爽屋顶技术,通过降低屋顶温度,从而降低建筑物的空调使用费中国建材网cnprofit.com


经多家国家实验室及其它科研机构的研究表明,注重凉爽屋顶技术是达到国家节能的有效方法,它可以减少建筑物和居民区对能量的需求。美国各个城市和州都在发展凉爽屋顶技术,并把凉爽屋顶的需求引入到他们的建筑法规里(如加州的建筑条款第24条),或者和大公司合作开展凉爽屋顶项目。


凉爽屋顶的概念因而也被国家绿色建筑提倡组织和工业项目所采纳,如:环境保护机构的节能之星项目,以及冷金属屋顶联盟。由此可见,凉爽屋顶概念是目前建筑行业及涂料行业中最热门的话题。


PVDF涂料经过在佛罗里达数十年的曝晒测试,显示出了优越的性能—其中包括通过保持涂料的TSR值而优化凉爽屋顶技术。

PVDF的优势

大多数传统的屋顶材料吸收一定数量的太阳辐射,引起表面温度的升高。这些能量不仅传到房屋里面,而且它加速了屋顶材料的老化。长期有效的凉爽屋顶方案必须要考虑以下两个问题:它必须可以在炎热的天气里有效降低屋顶表面的温度,并且可以在很长的使用期里保持性能,而不需要额外的维护。


用于金属屋顶以及其它建筑表面的最耐候的涂料是聚偏二氟乙烯(PVDF)树脂的涂料,这类涂料的超耐紫外光和抗化学性使它具备了卓越的光泽和颜色稳定性,以及优越的抗粉化性能。


第一个建筑用氟碳涂料树脂于1965年被商业化,从那以后,世界上成千上万的建筑物使用滚涂或 喷涂工艺涂上这一氟碳涂层。从20世纪60年代开始至今,这一氟碳涂层的测试样板在南佛罗里达曝晒测试中心经过了近40年的曝晒,仍然保持原来的颜色。多数商业化的PVDF涂料是非水性的,需要在230C或更高的温度下进行短期烘烤,因而PVDF涂料典型的应用是涂于金属基材上,如:金属卷或铝板挤出。


为了获得超耐候的实用涂料,PVDF涂料通常使用最耐久的无机颜料,以及少量的单体丙烯酸树脂,如:甲基丙烯酸树脂,乙基丙烯酸树脂。丙烯酸树脂用来提升涂料的一些性能,如:颜料的分散性和涂料的粘附性,而纯的PVDF由于其化学惰性而不具备这些性能。由于所采用的丙烯酸树脂与PVDF热力学相容,因而经过烘烤后其界面处实际上是一个网络互穿的合金结构。


由于这一网络互穿结构是热塑性的及热力学稳定的,且主要基材是光化学惰性的PVDF,因而PVDF树脂涂层经过几十年仍然具有超强的保护性和外观性, 即使是温度很高的屋顶环境。


传统的交联网络结构的树脂,如聚酯,处于日晒,潮湿和高温的环境里,特别是炎热天气下整日面朝南的屋顶温度可以达到80C或更高,这些因素加速了交联网络结构树脂的降解,导致涂层光泽降低,粉化,甚至涂料性能的失效。


总太阳能反射及凉爽屋顶技术

积聚在太阳辐射下的建筑物表面上的热量有多少,主要决定于两个物理性能:长波热辐射和反射率。热辐射是衡量一个热物体辐射热的能力。通常金属的热辐射低,而聚合物涂料的热辐射高,包括PVDF涂层。反射率是指热量被反射和散射掉而不被吸收的比率,反射率取决于很多因素,这些因素受涂料配方和施工方法的影响。


太阳反射率的一种普遍计算方法是指所有的日光反射率,或称TSR6 (Total Solar Reflectance)。笼统地讲,TSR 是指日光被涂层反射掉的比率。TSR决定了太阳光谱里蕴含的能量,包括储存了一半太阳辐射能的近红外区域的能量。通常,TSR越高,越有利于凉爽屋顶的生成。


长波热辐射和TSR(总日光反射值)这两个主要的衡量值,被很多新兴的凉爽屋顶标准采用,但是由于其它的考虑因素,包括屋顶沥青以及当地的气候,各个地方的具体要求有很大的差别。标准趋向于要求涂层的初始反射值不仅要符合具体标准,并且涂层经过长期使用后仍要保留一定的反射值。


例如低倾斜度的屋顶表面如要通过能源之星认定,表面涂层的初始总日光反射值必须大于0.65(TSR最大设定为1),并且经过三年使用后TSR 必须大于0.50。另外的标准,如LEED(能源和环境领导设计,由美国绿色建筑委员会监管)以及加州第24条款,它们有不同的要求。


许多用于制定最低户外曝晒涂层标准的数据是由美国桥梁国家实验室(ORNL)7的V.W.A.MIHER博士提供的。MILLER和他的同事分析了几百块测试样板,这些测试样板使用基于不同树脂及颜料配方的涂料,并暴露于不同的工业测试场地,包括南佛罗里达测试场地。


对于聚合物涂料,决定总日光反射值(TSR)的最大因素是面漆。然而最近的调查显示底漆和预处理也会影响TSR值,另外面漆里的树脂也会影响TSR值8。


ORNL的研究发现最早的涂覆PVDF涂层的测试样板尽管经过了几十年的佛罗里达曝晒仍然保持高于90%的反射率。表1列出了一些测试结果,其中包括深色涂料(低TSR值)。

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积尘度的增加,严重降低了传统树脂涂层如弹性丙烯酸涂层的“凉爽屋顶”性能9。图1显示了白色屋顶经过9年佛罗里达曝晒测试后的积尘问题。弹性丙烯酸树脂由于积尘严重,TSR值降至0.50以下,而PVDF涂层仍然保持很白,TSR 值保留在0.80以上。


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颜料对凉爽屋顶性能的影响

如前面所述,颜料的选择对屋顶涂层的TSR值有很大的影响。图2显示了使用不同金属颜料的PVDF涂料经滚涂后的TSR值。从图2可见,白色涂层的TSR值比黑色涂层大很多(不足为奇,因为黑色涂层吸收可见光区域的光能)。


然而,很明显的是不同的黑色颜料间TSR值也有很大差别。这一差别是由红外光区域颜料的反射率不同造成的。经过观察,同时发现其他颜色也有类似的TSR 差别。对于每个色系,具有最高TSR值的颜料最适合应用于“凉爽屋顶”的涂料--当然,经证明,颜料本身也要充分耐候。基于这一原因,高质量的屋顶涂料几乎无一例外地都使用最耐用的无机颜料。这一配方选择保证了涂料颜色的长期稳定性和涂料树脂的稳定性一样长久。

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由于黑色涂料吸收太多的可见光区的太阳能,使用高TSR值的颜料可以使它在降热方面有显著的效益。图3显示了图2中所列的不同颜料配方的KYNAR 500 PVDF 涂层置于红外箱体中所测得的温度升高值(红外箱体模拟了屋顶上方的直射太阳光)。对于高TSR值的黑色颜料涂层,升高的温度比白色涂层样板只略高一点。相反,低TSR值的黑色涂层,红外箱体中升高的温度达到70°C—接近沸水的热度了。

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实验还研究了不同颜色的一系列水性PVDF涂料的TSR值10。测试样板在佛罗里达已经曝晒了5至6年。未经清洗的这些样板反射值大约减少了3%,如果经过轻微清洗,反射值的减少要小于3%(见表2)。同时这些样板仍然保持着很好的颜色和光泽。基于这些测试数据,各种淡色和深色的水性PVDF涂料可以满足不同地方对凉爽屋顶涂料的性能要求,包括TSR的保留值。

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涂料树脂对凉爽屋顶性能的影响

如前面所述,近期的调查显示TSR值受底漆和预处理的影响,同时也受树脂的影响。表3列举了不同树脂基材的橙色涂料经22年佛罗里达老化测试(45°C面朝南)后的TSR值6。从中可以看到,在曝晒前和曝晒后,含有70%PVDF树脂涂料的TSR值要优于其它树脂的涂料。


和聚酯涂料相比,PVDF涂料的这一优势在曝晒后更加明显。图4显示了测试样板经佛罗里达老化实验后的光泽保留率。聚氨酯及聚酯涂料经10年佛罗里达曝晒后已完全失去了光泽。(早期的光泽测试数据没有记录)。含70%PVDF树脂的涂料色板经10年佛罗里达老化测试后光泽度仍然保持在原来的85%以上,经22年曝晒后光泽保留率大于55%。

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为了系统地研究树脂对TSR的影响,研究机构制备了一系列含同样比率颜料的浅蓝色涂料,只是改变PVDF树脂和丙烯酸树脂的比率。然后把这些涂料涂覆在AA3003基材的涂铬铝板上,并作烘烤得到不同漆膜厚度的样板。图5显示了漆膜厚度及PVDF含量的变化对涂层的TSR值的影响。从图中可以明显看到PVDF树脂含量增加,TSR值就升高,另外涂膜厚度的增加有利于TSR升高。

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为了更好地理解树脂对TSR值的影响,我们用UV-VIS-NIR分光光谱仪来测试干膜厚度为36μm的涂层的光谱反射率。图6显示了测试结果。可以看到,不同配方的漆膜在可见光区域的反射率没有太大的差别,但在近红外光区域(700μm到2500μm),PVDF含量高的树脂具有更高的反射率。

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近期的很多研究发现,当涂料用70%PVDF和不同颜色的丙烯酸树脂组成时,它们的TSR值是相似的。对于一些边缘颜色,只要TSR值有稍许的增加,就可以满足各个地方凉爽屋顶的标准,包括加州第24条款。由此增加了修护用屋顶涂料的颜色。


通过使用最新开发的防尘技术,即便在很脏的城市环境里,涂料在长时间内仍可以保持较高的TSR值。

通过提高抗污性来保持高反射值


要达到相关法规的要求,并保证节能的有效性,淡色的高TSR值的屋顶必须能长期保持它的反射率。因而屋顶涂层必须可以防尘。在相对干净的环境里,如南佛罗里达,PVDF涂覆的样板在许多年之后仍然保持很高的反射率。但是在很多亚洲城市里,积尘是一个很严重的问题。幸运的是,一些新的防尘技术发展旨在提高PVDF涂料的防尘性能,从而有效地保持TSR值。


为了获得“自清洁”和“防尘”的性能,最常用的技术是在涂层表面生成一亲水层11。亲水层可以降低灰尘颗粒和漆膜间的黏附力,从而很容易被露珠和雨水湿润。亲水层的这一性能使雨水可以冲走漆膜表面的灰尘而不留水渍。


由于乳胶漆的树脂通常都是疏水的,防尘组分通常作为添加剂使用。这一添加剂必须可以在油漆干燥后集中在漆膜表面,即它和涂料树脂是不相容的,具有低表面能和易动性。一些硅产品通常用作这一亲水添加剂,典型的有硅氧烷,或者甲基、乙基硅烷。这些组分在油漆烘干时会积聚在漆膜表面,烷氧基会水解,从而形成亲水表面。


为了使这些添加剂有效地工作,达到除尘性能,控制亲水组分的析出量及水解率是非常重要的。由于添加剂的易水解性,在涂料烘干前任何的水解反应和交联反应都会阻止烘烤时添加剂析出到漆膜表面,从而减少表面的水解反应。如果添加剂的水解速度过快,涂料防尘性能的寿命会减少;


相反如果水解速度太慢,涂料生成亲水表面的速度就慢,从而影响防尘性能。实际使用中,由于水解速度的要求,一些市场上的防尘涂料通常在加入防尘剂后只有24小时的有效防尘性能,之后,防尘性和光泽度都会有所降低。


研究机构近期通过在配方里添加水驱逐剂显著地改进这一问题12。这些水驱逐剂可以有效地阻止烘烤前早期的水解和化学反应,从而使得防尘剂在烘烤中可以析出到漆膜表面形成亲水层。

使用这一技术生产的PVDF防尘涂料,已经演示了一个多月的户外测试。图7和表4显示了使用这一技术方案的白色漆板于新加坡曝晒后(45°C斜面朝南)的明显效果。经过5个月曝晒后,标准的70%PVDF涂料积了大量灰尘(ΔE=10),使用防尘配方的PVDF涂料积灰很少(ΔE〈2),且没有光泽降低。


不管涂料是在加入防尘剂一天后涂覆的,还是在加入防尘剂30天后涂覆的,涂料的防尘性是一样的。经过5 个月曝晒测试后,标准配方的PVDF涂料反射率下降很大(最大到15%),而防尘配方的PVDF涂料,在新加坡苛刻的城市环境下,只损失了1%反射率。

保持凉爽

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含有70%PVDF的建筑涂料,经过几十年的曝晒显示了其卓越的性能—包括佛罗里达曝晒测试中通过保持涂料TSR值( 总日光反射值)而优化凉爽屋顶的性能。增加PVDF含量有助于适量提高涂料的TSR值。使用最新的防尘技术,涂料可以在长时间内保持高TSR值,即使在污染严重的城市环境里。


PVDF涂料—凉爽屋顶的解决方案


郑敏, Kurt A. Wood, 朱立宁

法国阿科玛有限公司



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