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反射隔热功能涂料的研制(下),本文研究了纳米二氧化钛粉体、反射太阳光红外线因子CICP-L 等材料对建筑反射隔热功能涂料反射太阳光的影响,中国建材网,cnprofit.com
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反射隔热功能涂料的研制(下),本文研究了纳米二氧化钛粉体、反射太阳光红外线因子CICP-L 等材料对建筑反射隔热功能涂料反射太阳光的影响
2020年02月04日    阅读量:619    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

1.6 纳米反射红外线材料的研究

1.6.1 纳米材料对涂层的作用

纳米材料在涂料中的应用越来越广泛,已涉及到经济建设和工程的各领域。由于其独特的小尺寸效应和表面效应,当应用到涂料中时,可产生许多常规颜料无法产生的效果。如纳米级的Ti02、Si02、Zn0、Fe203、Al2O3 等是优良的抗老化剂,可以明显提高涂料的耐老化性能中国建材网cnprofit.com。纳米Zn0等金属氧化物由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强,而成为吸波涂料研究的热点之一。纳米Ti02 具有高的光催化性,是一种光催化半导体抗菌剂,可以作为很好的抗菌剂。


几种不同晶型、不同改性的纳米Ti02 加入涂料中,PVC为30%时,观察其对太阳热反射性能的影响,如表10。

不同型号的纳米Ti02 的反射率

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在纳米粒子的反射率中,发现在可见光区的反射率比全波段区的反射率高12%~13%,而常规颜填料的反射率差别并没有这么大。

各种纳米粒子涂层的反射率图谱见图10,由图可见,1#粒子涂层在近红外区反射率最高,可考虑用其代替常规二氧化钛。

不同型号的纳米Ti02 的反射率图谱

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将反射率最高的纯纳米粒子1#加入配方中,代替一部分普通二氧化钛,检测其对反射率的影响,检测结果如表11 所示。其中,1#加入百分含量是指1#纳米粒子占颜填料粒子的体积百分含量(下同)。用1#加入量对反射率作图,可得图11。

纳米粒子加量对反射率的影响

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由图11 可见,纳米粒子的加入,会大大增加涂层的反射率,而且只需加入少量即可达到较好的效果,若加入量继续增加,反射率仍然会升高,但升高的趋势趋于平缓,考虑到经济成本问题,只需用3%的纳米粒子即可。将试样X1 和X2 做2 500 倍电镜照片,见图12、图13。

电镜照相片

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可以看出,加入纳米粒子的X2 中,颜填料粒径明显小于没有加入纳米材料的X1,分散也更加细密,尽管加入量只有3%,但是区别也很大。可见纳米材料由于其小的粒径和大的比表面积,使得太阳光在经过涂层时,可以被多次散射,热能因此被分散,使反射率升高。因此,最终确定加入3%的纳米二氧化钛,最后全波段反射率达到90.57%,可见光波段反射率达到94.29%。


1.6.2 纳米粒子对涂层性能的影响

纳米粒子作为一种超细粉末,是一种高效广谱的物理抗紫外添加剂,粒径仅为10 ~100 nm,能透过可见光及散射波长更短(200~400 nm)的紫外光。具有化学性质稳定,无刺激性,无致敏,与基料相容性好,作用时间长,全面屏蔽、吸收紫外线等优点,其对紫外线吸收效果比有机紫外吸收剂有明显提高。该产品具有透明性和很强的耐光、耐候性,自身不会分解或析出,是一种安全、稳定、长效的新型紫外屏蔽材料。它在涂层中的作用不光对反射率起到好的作用,在力学性能方面也有一定的影响。

纳米粒子的加入对力学性能的影响

注:*编号同表11 中的含量。

从表12 可以看到,加入太多纳米粒子的涂层抗冲击强度会减弱,但是耐老化性能会增强,这一点对于长期在户外阳光照射下的热反射涂料有很重要的意义。

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1.6.3 纳米反射红外线材料的研发

通过上述研究可以看到,在涂料中添加3%左右的常规纳米材料,可以提高太阳光反射率。但是这种反射主要集中在紫外线区域,对红外线的反射贡献并不大。而太阳热的能量主要集中在近红外区域。我们知道,除去被建筑表面反射的太阳光,另一部分光能则被吸收转化为热能。

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根据热辐射理论,任何物体在高于绝对零度时,都会向外辐射能量。对于一般物体,辐射度还与表面发射比ε(也称发射率)有关系,即一般物体的辐射度表达式为:


式中,M 为总辐射度;σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数[6.57×10-8 W/(m2·K4)];T 为温度,K。

在常温下,温度为300 K的黑体对热红外区2.5~15 μm具有最大的辐射度,当辐射能量大于吸收的热能,则物体就降温。由式(1)可知,增大发射率ε可使得总辐射度增加,因此在涂料中添加具有红外、高红外发射率的填料可提高辐射度。同时在热量传递过程中,使用含有中空结构的涂层将能起到绝热的作用,从而阻缓热流自外向内的传递,更好地达到降温节能的目的。因此,节能建筑涂料应从以下3个方面来考虑,即增加反射、提高热辐射以及绝热。反射型功能颜填料对可见光和红外光区的反射率高,但以往的研究主要集中于白色颜填料的开发,不能满足用户对于颜色的要求。


近年来,对近红外区反射率高的深色CICP颜填料的开发渐成热点,该种颜填料兼具颜料和填料的功能,尤其在近红外区具有极高的反射率。相比应用普通填料的同色系涂料,加入CICP 系列颜填料的涂料反射率有大幅提高。这种对红外光具有高反射率的颜填料加入建筑屋面涂料后,光谱图显示与普通涂料在可见光区域有同样的反射率,但在近红外区显示出了极大的选择吸收性,反射了近红外区的大部分太阳光能。


有研究用CICP制得10种不同颜色的节能涂料,与同色系的普通涂料对比,在夏季环境下,前者反射率最大提高了440%,温度最大降低了10.2 ℃。这类红外辐射填料主要是金属氧化物的复合物和碳化物,最大辐射波段在2.5~12 μm。常用的氧化物有Fe2O3、MnO2、NiO、CuO、CoO、Cr2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、La2O3、CeO 等。


因此,未来红外辐射颜填料的研发重点应放在对近红外区的高辐射方面。红外辐射填料的超细化也是提高发射率的一种手段。如果微观松散粒子间的间距较大,粒子间就基本上无相互作用力,从外界投射的辐射能可全部进入这层物质中,无论是在物质表面还是在物质内部基本上无反射现象发生,辐射能在传播的过程中逐渐地被物质所吸收,因此反射率与吸收率都接近于1,可以认为是黑体模型。


实际的物体基本粒子间都是有相互作用,但只要减小粒子粒径就能减小粒子间的作用力,有效提高物体的发射率和吸收率。减小粒子间距最简单最可行的方法就是将物质超细化或纳米化。对涂料来说,就是将填料超细化,以提高涂层辐射。


根据上述理论,使用价廉易得的工业Fe2O3为基本原料,添加10%~30%的Al2O3,添加5%~20%CuO,加入20%~30%的MnO2,在800~1 300 ℃之间进行煅烧,获得一种纳米反射太阳光近红外线材料,并命名为CICP-L。由于煅烧过程引起了原来固体中的金属离子和氧离子的重组,形成了一个新的热稳定体系。


CICP-L这种热稳定性使得它们更适于屋面材料的高温环境,并且由于其纳米级别的小粒径和高折光指数,能够很大程度上散射太阳光中的UV光和IR光。这种对IR光高反射率的颜填料加入建筑涂料后,光谱图显示与普通涂料在可见光区域有同样的反射率,但在近红外区显示出了极大的选择吸收性,反射了近红外区的大部分太阳光能。


用CICP-L制得10种不同颜色的节能涂料,与同色系的普通涂料作对比,在夏季环境下,两者反射率最大提高了500%,温度最大降低了11 ℃。针对不同添加量的纳米反射红外线材料加入涂料中,PVC为30%时,观察其对太阳热红外线反射性能的影响,如表13所示。

纳米反射材料对反射性能的影响

反射隔热功能涂料的研制(下),本文研究了纳米二氧化钛粉体、反射太阳光红外线因子CICP-L 等材料对建筑反射隔热功能涂料反射太阳光的影响 中国建材网,cnprofit.com

从上述研究知道,当CICP-L 添加量达4%时,太阳光全波段、红外光反射率的提高趋于平稳。

2 最终确定的配方、工艺流程

2.1 配方

经过多次正交实验,得出了比较合理、成熟的反射隔热功能涂料最终配方,见表14。

DX-3M 反射隔热功能涂料最终配方

2.2 生产工艺流程

执行一般建筑乳胶漆生产工艺见图14。

建筑乳胶漆生产工艺流程

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2.3 主要技术指标

DX-3M反射隔热功能涂料主要技术指标见表15。

DX-3M反射隔热功能涂料主要技术指标

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3 结语

研究了纳米二氧化钛对涂层太阳光反射率的影响,确定了使用3%的纳米二氧化钛材料,可以使涂层获得满意的太阳光反射率;研究了纳米反射太阳光近红外线材料CICP-L对涂层反射太阳光红外线的影响,仅使用4%的CICP-L,即可使涂层获得满意的太阳光红外线反射率。


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