0 引言
目前,我国建筑能耗已占社会总能耗的1/3,单位面积能耗比气候条件接近的发达国家高2~3倍,建筑供暖造成的空气污染比发达水平高2~5倍,供热采暖能耗占社会总能耗的10%,高达约1. 3亿t标准煤。
我国既有建筑面积达400亿m2,每年新增建筑面积30亿m2, 其中高能耗建筑占95%以上,为此国家将建筑节能指标由50%提高到70%,并开始对既有建筑逐步进行节能改造,要求兼顾冬季采暖与夏季空调的能源平衡。在建筑节能措施中,目前我国推行的聚苯板/挤塑板(EPS/XPS)板薄抹灰外保温系统存在着防火性能低、易开裂渗水甚至空鼓、脱落现象,并且为将来严重白色垃圾污染埋下了隐患;聚氨酯硬泡喷涂系统防火性能差,存在着安全隐患;
聚苯颗粒保温浆料和玻化微珠保温砂浆因涂层厚、施工周期长、保温效果差等原因正在淡出市场中国建材网cnprofit.com。市场急需一种防火安全、保温隔热性能优异、施工方便、性价比优良的保温隔热涂料。
本研究以自交联丙烯酸乳液为成膜物、以SiO2气凝胶、空心玻璃微珠、硅酸铝纤维和高岭土等为填料,在多种助剂的配合下制备而成了隔热涂料。该涂料具有薄层施工、纳米孔隔热、安全防火、环保节能、性价比优等优点。
1实验部分
1.1原料
自交联丙烯酸乳液,陶氏;SiO2气凝胶,盟创;硅酸铝短切纤维棉,济南火龙;空心玻璃微珠,马钢;高岭土,市售;功能助剂,市售。
1.2 参考配方
薄层外墙纳米隔热涂料的参考配方见表1。
薄层外墙纳米隔热涂料参考配方
1.3 制备工艺
(1)Si02气凝胶浆的制备:85%的去离子水中,加入适量润湿分散剂、消泡剂、稳定剂,再加入15%的二氧化硅气凝胶,高速分散1 h,最后移入超声波分散机分散0. 5 h后研磨成浆料。
(2)保温隔热涂料的制备:将去离子水、助剂搅拌均匀,加入硅酸铝纤维、高岭土、二氧化硅气凝胶浆,研磨分散;加入弹性丙烯酸乳液,再加入空心玻璃微珠,低速搅拌分散0. 5 h成稠厚浆料。
1.4 性能检测
常规指标按GB/T 17371—2008《硅酸盐复合隔热涂料》标准和JG 158—2004进行检测。
隔热性能及节能效果的测试:采用工程实测方法,见本文“2. 3纳米隔热涂料的节能效果”。
2 结果与讨论
2.1 基料树脂用量的选择
本文选择了自交联弹性丙烯酸乳液为成膜物,这是一款固含量高、成膜温度低、表面紫外光固化、在很宽的温度下具有优异的弹性、高粘结强度、高耐候性、高耐沾污性和机械稳定性等特点的乳液。并且涂膜还具有高透明性、透气“呼吸”功能、低吸热性能。
其玻璃化温度(Tg)为-35 ℃、最低成膜温度(MFT)为0 ℃,涂膜具有较低的导热系数[0. 06 W/m·K)]、优异的防水抗渗性、附着力高等优点。在配方中其他因素不变的条件下,只改变弹性丙烯酸乳液的质量百分数,检测其对涂膜性能的影响,见表2。
乳液用量对涂膜性能的影响
由表2可知,随着弹性丙烯酸乳液的增加,涂层的抗拉强度、粘结强度、抗压强度、延伸率、耐低温性相应提高,导热系数逐渐升高,保温隔热性降低。这是因为当成膜物较少时,不足以完全包覆纳米级气凝胶粒子及填料粒子,致使部分粒子裸露,涂层龟裂或粗糙,粘结强度、抗拉强度、抗压强度较低,延伸率较小、耐低温性差,并因成膜物少而体积密度低,致使导热系数较小。
当成膜物用量过多时,虽然涂层机械强度好,但因体积密度升高而导热系数上升、隔热性降低。当成膜物用量为30%~35%时,涂膜综合性能较好。
2.2 颜填料的选择
对于轻质、薄层、绝热保温涂料而言,固体热传导主要由隔热材料中的固体部分来完成;热对流主要由隔热材料中的空气来完成;热辐射的传递则不需要任何介质。因此,高效绝热材料必须具备以下3个条件:(1)在保证材料足够机械强度的条件下,其体积密度要尽量小(;2)要将材料中的空气对流减弱到最小极限(;3)要通过近无穷多的界面和通过材料的改性,使热辐射经发射、散射和吸收而降到最低。为此,本研究选择了SiO2气凝胶、硅酸铝短切纤维、空心玻璃微珠及高岭土为填料。
2.2.1 SiO2气凝胶的特性及用量
气凝胶是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络结构,并在网络结构孔隙中充满气态分散介质的轻质固态材料。SiO2气凝胶是一种结构可控的纳米多孔轻质材料,是以气体为介质的纳米孔网络结构,孔洞率达到 99. 8%,孔径 2~50 nm)、比表面积大(最高可达 600~1 000 m2/g)等特点。其主要特点如下:
(1)优异的隔热性能:常温常压下SiO2气凝胶粉体总导热系数0. 008~0. 018 W/(m·K),粉体总导热系数<0. 013 W/(m·K);远低于常温下空气的导热系数[0. 023 W/(m·K)],是目前高温隔热领域导热系数最低的材料之一。
(2)独特的耐火焰烧穿性能:SiO2气凝胶自身不燃,可长时间承受火焰直接灼烧,且不释放有害物质。
(3)良好的热稳定性:SiO2气凝胶热稳定温度高达600 ℃,30 ℃以下使用时具有超级疏水性。
(4)优异的隔声性:SiO2气凝胶有极低的声传播速度、极低的介电常数、极高的比表面积和保温隔声性等优异性能。
(5)较好的透光性和对红外光的辐射阻隔性。
(6)很好的化学稳定性和环保性。
正是因为这些特点使气凝胶材料在热学、声学、光学等方面有广阔的应用潜力。在配方中其他因素不变的条件下,SiO2气凝胶的用量对保温隔热涂料主要性能的影响,见表3。
SiO 2 气凝胶用量对涂料性能的影响
由表3可知,在隔热涂料配方中,随着SiO2气凝胶用量的增加,涂膜的抗拉强度、粘结强度、抗压强度、导热系数均逐渐下降,机械性能下降、隔热性能提高。当SiO2气凝胶浆添加量超过4. 0%时,抗拉强度、粘结强度和抗压强度均达不到相关标准规定的指标,选取气凝胶浆3. 5%~4. 0%的添加量综合性能较好。
这是因为SiO2气凝胶密度低、比表面积大,当添加量过多时,配方中的粘结剂不足以完全包覆气凝胶纳米粒子,致使粘结强度下降,并影响抗拉强度;气凝胶粒子表面的疏水性,也会影响涂料体系的融合性和粘结性。随着气凝胶用量的增加,涂料干密度降低、相同体积下纳米微孔增加、导热系数降低,保温隔热性能提高。
SiO2气凝胶保温隔热原理:
(1)固体热传导:SiO2气凝胶是由若干Si-O-Si基团相互连接聚集形成的纳米三维网络骨架结构,由于近无穷多纳米孔的存在,固体热传递只能沿着孔壁传递,近无穷多气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应,使得固体热导率降到几乎最低极限。
(2)对流热传导:SiO2气凝胶的孔径为2~50 nm,小于常温常压下气体分子的平均自由程(约70 nm),当材料中的气孔直径小于70 nm时,孔内的气体分子就失去了自由流动的能力,相对地附着在气孔壁上,极大地降低了气体分子的热传导能力。此时,纳米孔处于近似真空状态,材料中的空气对流减弱到最小极限。由于空气的主要成分是氮气和氧气,局域热激发无法通过空气分子跨越凝胶表面进行对流作用,从而对热对流传热产生隔绝作用。
(3)辐射热传导:辐射传导热是一种非接触式的热量传递。由于气凝胶为均匀的纳米气孔,且具有极低的体积质量(3 kg/m2),使材料内部气孔壁数目趋于“无穷多”,而每个气孔壁都有遮阳板的作用,从而产生近于“无穷多遮阳板”效应,使辐射传热下降到最低极限。
2.2.2 硅酸铝短切纤维的作用
硅酸铝短切纤维,纤维长度0. 15~2. 5 μm,纤维直径2~4 μm,压缩状态下密度为0. 13~0. 20 g/cm3, 导热系数为0. 036~0. 060 W/(m·K);具有优异的柔韧性、化学稳定性、抗腐蚀性、耐高温性、吸音性,具有抗拉强度大、低导热率、低热容量、低密度等特点。
保温涂料中加入适量的硅酸铝纤维,利用其在涂层中的乱向分布,构立体网络结构,不但提高了涂层的孔隙率,同时也增强了涂层的粘结强度、抗拉强度和柔韧抗裂性。在配方中其他因素不变的条件下,只改变硅酸铝短切纤维的添加量,检测其对涂层主要性能的影响,见表4。
硅酸铝短切纤维用量对涂层性能的影响
由表4可知,随着硅酸铝短切纤维用量的增加,涂层的抗拉强度、粘结强度、抗压强度、耐低温性相应提高,导热系数逐渐提高,保温隔热性降低。当硅酸铝短切纤维用量为5%~6%时,涂膜综合性能较好。
2.2.3 空心玻璃微珠用量对涂料性能的影响
为了提高隔热涂料的力学性能,同时又不会大幅度提高涂膜的导热系数,选择了空心玻璃微珠作填料。空心玻璃微珠是由特殊工艺制成的中空薄壁圆球粉状、性能优异的新型轻质材料,具有密度低、体积大、导热系数低、抗压强度高、吸油率低、自流动性好、耐高低温、耐腐蚀、隔音、防辐射、吸水率低、电绝缘性强等优点。
在基础试验配方中,当其他因素不变的条件下时,空心玻璃微珠的添加量对隔热涂料主要性能的影响,见表5。
空心玻璃微珠用量对涂膜性能的影响
由表5可知,随着空心玻璃微珠用量的增加,涂膜的抗拉强度、粘结强度、抗压强度、干密度、导热系数均有不同程度地提高,当添加量达到25%时,力学性能下降,而干密度、导热系数继续提高。当空心玻璃微珠添加量为20%左右时,综合性能较好。
2.3 纳米隔热涂料的节能效果
自制两个相同的钢板试验箱1#和2#,钢板厚度1mm,外形尺寸为:长×宽×高=1. 2 m ×0. 6 m ×1. 2 m, 1#箱外面包覆一层8 cm厚的聚苯泡沫板,2#箱外面涂刷1 mm厚的纳米隔热涂料,养护干燥。在夏季晴天最高温度为38 ℃的条件下,将2个箱架空在室外阳光下曝晒,至下午3点同时检测2个箱内部温度。
结果如下:1#箱的内部温度为27. 5 ℃,2#箱内温度为27 ℃。在冬季负温条件下,将上述2箱内部加热至40 ℃,封闭后同时移至室外冷冻,经2 h后,测试2箱内部温度,结果如下:1#箱的内部温度为16. 5 ℃,2#箱内温度为18 ℃。
由以上测试结果证明,1 mm厚的纳米保温隔热涂料与8 cm厚的聚苯泡沫板保温隔热性能相比,夏季隔热效率高3%,冬季保温隔热效率高9%。
2.4 纳米隔热涂料的性能
纳米隔热涂料检测结果,见表6。
纳米隔热涂料的性能
3 结语
薄层外墙纳米隔热涂料以自交联丙烯酸乳液为成膜物,以SiO2气凝胶、空心玻璃微珠、硅酸铝纤维和高岭土等为填料,在多种助剂的配合下制备而成。
(1) 自交联丙烯酸乳液为成膜物用量为30%~35%时,涂膜综合性能较好。
(2) SiO2气凝胶用量在3. 5%~4. 0%、硅酸铝短切纤维用量为5%~6%、空心玻璃微珠添加量为20%左右、高岭土用量为5%时,常规指标均优于GB/T 17371—2008《硅酸盐复合隔热涂料》标准和JG 158—2004标准。导热系数为0. 027 W/(m·K)的1 mm厚涂层节能率比8 cm厚聚苯泡沫板高5%, 达到70%。
(3)纳米隔热涂料具有施工薄层、安全防火、环保节能、性价比优等优点, 可广泛应用于建筑物内外墙、仓储、冷库等保温隔热涂层。
刘成楼,曹永久,郭立群,刘昊天(北京鑫元永立集成房屋有限公司,北京102300)