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建筑外墙隔热保温涂料的实验研究,研究了建筑外墙隔热保温涂料的制备及隔热性能的测试
2020年02月24日    阅读量:3148     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

建筑节能对于我国的能源安全尤为重要,在社会能源消耗中,建筑能耗较高,建筑节能势在必行。一般建筑物的外墙结构在整个建筑物的隔热保温中起主要作用,是因为墙体在传热过程中引起的热量损失是影响墙体是否保温的主要因素。


目前建筑保温主要体现在外墙的外保温,也就是将保温系统构建在外墙的外侧,从而使建筑物达到隔热保温的方法中国建材网cnprofit.com。隔热保温涂料是近年来发展起来的新型的功能涂料,这种涂料采用具有隔热和反射功能的材料将热量阻隔或反射出去,阻止了热量的传递,降低了建筑物表面的温度,从而实现了建筑节能的目的,将它们用于建筑物的表面可降低建筑物内部温度,还可以使建筑物内部热量不易快速散失,在建筑物的外墙或屋顶涂覆一层保温涂料可以有效控制内外温度的变化,起到保温作用。


其中阻隔型隔热保温涂料中的功能填料具有较低的导热系数,或者将涂料中引入一定量的空气来降低导热系数,这都是通过阻隔热量来达到隔热效果的。事实证明导热系数的大小是影响涂料隔热性能的重要因素,导热系数的大小与隔热性能成反比。


吴邦俊等选用3种具有低导热系数的功能填料(空心玻璃微珠、硅藻土、漂珠)进行实验,结果表明,以硅藻土或者空心微珠作为功能填料,可以提高涂料的隔热保温性能。


沸石分子筛是结晶铝硅酸金属盐的水合物,晶体中有许多一定大小的空穴,空穴中充满空气,导热系数较低。本文除选择粉煤灰漂珠、硅藻土外,还选择了沸石分子筛作为功能填料,来制备一种建筑外墙隔热涂料,通过对其隔热性能的比较,选择出隔热性能较好的功能填料(粉煤灰漂珠、硅藻土和沸石分子筛),同时通过对功能填料进行扫描电镜(SEM)表征及导热系数的测定,分析比较了三种功能填料的隔热效果;此外还研究了涂层厚度对涂料隔热性能的影响。

 

1 实验原材料及设备

1.1 实验原材料

苯丙乳液:阴离子型,巴斯夫公司;钛白粉:金红石型,河北廊坊蓝科化工有限公司;粉煤灰漂珠:东营万家轻质材料厂;沸石分子筛:分析纯,天津市大茂化学试剂厂;硅藻土:宜兴市君联公司;聚丙烯酸钠(P-19,阴离子型聚合物分散剂):国药集团化学试剂有限公司;2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP-95,多功能助剂):95%,北京百灵威化学技术有限公司;OP乳化剂(非离子型润湿剂):分析纯,天力化学试剂有限公司;消泡剂:磷酸三丁酯,天津市恒兴化学试剂有限公司;pH 调节剂:质量分数0.5%氢氧化钠溶液。

1.2 实验设备

HZT-600-A型普通天平(福州闽衡电子仪器有限公司);自制太阳热反射模拟试验装置;CHF100-1R5G-S2型砂礳分散搅拌多用机(上海现代环境工程技术有限公司);HCC-18型磁阻法测厚仪(乐清市柳市立创计量设备商行);JSM-7001F型热场发射扫描电子显微镜(日本电子);DRL-Ⅱ型导热系数测定仪(湘潭市双喜仪器有限公司)。

 

2 试样制备及测试方法

2.1 隔热涂料的制备方法

参考其他涂料配制工艺,总结出制备建筑隔热涂料的方法。将钛白粉、功能填料(粉煤灰漂珠、硅藻土和沸石分子筛)及固体分散剂分别称量后混合震荡分散均匀,然后将一定量的苯丙乳液及液体润湿剂加入水中搅拌均匀,低速搅拌一定时间后加入固体粉料,高速搅拌,同时加入磷酸三丁酯以减少搅拌过程中出现的泡沫,一定时间后转为低速搅拌,同时再加入适量的磷酸三丁酯和pH 调节剂,搅拌混合均匀后,得到隔热涂料。

2.2 试板制备方法

实验按GB9271处理试验试板(水泥石棉板150mm×75mm×5mm),按GB9125进行隔热性能试板的制备,然后将试板放置在自然通风的环境下,24h后使用。

2.3 性能测试方法

2.3.1 隔热性能测试方法

隔热性能的试验装置是将美国军标中的设计改进后制成的。实验装置如图1所示,通过测定涂层平衡时的温度来评价涂料的隔热性能。

隔热试验装置示意图

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实验步骤如下:

(1)制备涂料试板;

(2)在如图1的2号位置上放上所测试板,没有涂料的一面朝下放置,将红外灯放在试板的正上方;

(3)调节好灯与试板的距离后,打开数据采集仪的电源,隔一段时间记录一次温度,直到温度达到稳定状态时,关闭电源;

(4)将试板取下,过一段时间后,将试板重新放置于2上,循环步骤(3)两次;

(5)进行数据分析。

2.3.2 涂料基本性能测试方法

(1)施工性(容器中状态及涂膜外观):测试方法按GB/T 9755-2001《合成树脂乳液外墙涂料》中对施工性的规定进行;

(2)干燥时间:测试方法参照GB/T 1728-1979《涂膜、腻子膜干燥时间测定法》进行;

(3)耐碱性:测定方法按GB 9265-1988《建筑涂料涂层耐碱性的测定法》进行;

(4)耐水性:测定方法按GB/T1733-93《建筑涂料涂膜耐水性测定法》进行;

(5)耐温变性:测定方法按JG/T 25-1999《建筑涂料涂层耐冻融循环性测定法》进行。

2.3.3 导热系数的测定方法

将粉状填料放入DRL-Ⅱ型导热系数测定仪的样品槽中,厚度为2mm。按GB/T 17371-2008标准测量涂层的热扩散系数、比热及密度,通过分析软件计算出涂层的导热系数。

2.4 数据处理

数据采用SPSS 11.5进行统计分析,差异显著性采用单因素(One-Way ANOVA)检验,并用LSD多重比较法检验差异显著性(P<0.05)。用Origin 8统计软件对所得数据进行分析并作图。

 

3 实验结果与讨论

3.1 PVC的确定

颜料的浓度(PVC)又叫颜料的体积浓度,用如下公式表示:

颜料的体积浓度

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式中:Vp———颜填料的体积,Vb———各种基料聚合物的体积。

本实验选择一种无色且隔热效果较好的颜填料(金红石型钛白粉),调节不同的颜料浓度制备样品,然后通过比较其温度差,从而获得一个最佳的PVC,以此作为后续实验的参考依据。

图2表明,随着PVC的增大,涂层的绝对温升下降,相应的隔热效果越好。通过回归分析,发现此变化规律呈对数变化,回归系数达到0.997 6。实验结果表明,不同PVC在10%-40%之间绝对温升差异显著(P<0.05),而40%与45%之间没有显著性差异(P>0.05),而且考虑到涂层综合性能的前提下,选定PVC为40%,以此作为后期试验的参照依据。

PVC对涂层绝对温升的影响

注:图中字母不同表示不同PVC间绝对温升有显著性差异(P<0.05)

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3.2 涂料的制备

参考涂料的基本配方,改良配方工艺,选择较好的实验配方。本实验以粉煤灰漂珠作为功能填料进行涂料配方确定实验,之后的实验均是在此基础上进行调配的。实验结果如表1。

不同配方的涂料样本

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由表1可以看出,1号与2号比较,1号含水量较少,导致涂料黏度较大,不能搅拌均匀,使得涂层表面凹凸不平;3、4、5、6号比较,4号样不加OP的涂层黏度适中,表面比较光滑,涂层效果比较好;7、8、9号比较,可以看出添加0.3g纤维较适宜,不添加纤维的涂料施工性不好,而添加0.5g纤维的涂料容易龟裂。通过涂料的制备,选择出最佳的基础配方:苯丙乳液30g,水25g,纤维素0.3g,钛白粉25g,分散剂0.1mL,润湿剂0.1mL,功能填料10g。


3.3 涂层厚度对涂料隔热性能的影响

此部分实验配方均采用3.2中的最佳涂料配方。

在第一道刷板的基础上,48h后用相同质量涂料再涂刷第二道,依次类推,待涂层实干后进行隔热效果测试。实验结果见表2。

涂层厚度对涂料隔热效果的影响

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 实验结果表明:不同厚度间平衡温度没有显著性差异(P>0.05),即通过再次涂刷,增加涂层厚度后隔热效果基本不变,第二道、第三道的结果与第一道的结果是相一致的。由于涂一道时,隔热性能已经达到最佳,因此其经济效益较好,所以之后的实验选择涂一道,较为合理。


3.4 不同功能填料添加量对涂料隔热性能的影响

为了保证外墙涂料具有隔热保温的性能,涂料配方中需要加入具有隔热保温性能的功能填料,本实验选用粉煤灰漂珠、硅藻土及沸石分子筛作为功能填料,考察其添加量对涂料隔热性能的影响,本实验根据3.2中的最佳配方,只改变填料的添加量,制备涂膜性能优良的涂料,待涂膜实干后测其隔热性能,实验结果见图3-图5。

不同漂珠添加量对隔热性能的影响

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图3对空白样品及粉煤灰漂珠不同添加量的样品进行关于温度与时间的回归分析,发现随着时间的延长,不同添加量下温度增长的趋势基本相同,都呈二次函数。而且从图中可以明显地看出在涂料中掺入粉煤灰漂珠,能显著改善涂层的隔热效果,当掺量为9%时,与空白相比平衡温度下降了5℃,此时隔热效果最佳。


通过显著性差异分析,此添加量下的平衡温度与其他添加量比均有显著性差异(P<0.05)。当漂珠添加量达到一定值后,漂珠在涂料内的分散达到极致,继续添加漂珠,涂料不能均匀分散,从而在体系内降低了涂料的隔热效果,因此漂珠的添加量不能过多。

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硅藻土不同添加量对隔热性能的影响

实验对空白样品和硅藻土不同添加量的样品进行关于温度与时间的回归分析,发现随着时间的延长,不同添加量下温度增长的趋势基本相同,都呈二次函数(图4)。从图4中可以看出,硅藻土对涂料的隔热性能有一定的影响,并随着硅藻土添加量的增加,涂层的隔热效果越好,添加量为9%时隔热效果最好,此掺量下的平衡温度降低了7℃,是由于硅藻土为多孔结构材料,比表面积较大,导热系数较低,但因为硅藻土的吸水能力较强。


因此当添加过量的硅藻土时,样品会发生团聚现象,难以分散均匀,成膜效果较差。通过显著性差异分析,此掺量下的平衡温度与其他掺量下以及空白样品的平衡温度均有显著性差异(P<0.05)。因此,建议在涂料中掺入硅藻土时,其最佳掺量为9%。


实验对空白样品和沸石分子筛不同添加量的样品进行关于温度与时间的回归分析,发现随着时间的延长,不同添加量下温度增长的趋势基本相同,都呈二次函数(图5)。

沸石分子筛不同添加量对隔热性能的影响

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从图5可以看出,在涂料中掺入沸石分子筛对提高涂层的隔热性能起着非常显著的作用,添加量越大隔热效果越好,当添加量为9%时,涂层平衡温度降低了12℃,比2%和4%的沸石分子筛添加量降低将近3℃。原因是沸石分子筛内部有空隙,充满空气,使得沸石分子筛的导热系数很小。


当沸石分子筛添加量越大,结块现象严重,在体系中极难分散。通过显著性差异分析添加量为9%时的平衡温度与其他实验组的平衡温度均有显著性差异(P<0.05)。所以,添加量为9%的沸石分子筛隔热效果最好。从表3中可以看出,不同填料在不同添加量间的平衡温度有显著性差异(P<0.05),进一步证明了实验结果的准确性。

不同填料在不同添加量下对平衡温度的影响(℃)

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3.5 不同填料对隔热性能影响的比较

为了比较三种功能填料对涂料隔热性能影响,对三种填料进行了表面结构分析以及导热系数的测定,分析三种填料具有隔热性能的原因。

该实验对三种功能填料的涂料样品进行关于温度与时间的回归分析,发现随着时间的延长,不同填料的温度增长的趋势基本相同,都呈二次函数(图6),而且回归系数相近,说明三种填料对涂层隔热性能的影响过程相似。

不同功能填料对隔热性能的影响

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从图6可以看出,随着时间变化,温度逐渐上升,当上升到一定温度时就不再升高达到稳定状态,此时三种涂料(粉煤灰漂珠、硅藻土和沸石分子筛)温度分别稳定在:39℃、37℃和34℃,且三种涂料间平衡温度均有显著性差异(P<0.05),因此以上三种功能填料均有较好的隔热效果,其隔热效果依次为:沸石分子筛>硅藻土>粉煤灰漂珠。沸石分子筛、硅藻土及粉煤灰漂珠均为阻隔型隔热填料,且填料的导热系数的差异是造成涂料隔热性能差异的主要因素。通过分析得到,由于三种填料表面结构不同导致其导热系数有一定的差异,因此隔热效果也不同。

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不同功能填料的SEM(a.粉煤灰漂珠b.硅藻土c.沸石分子筛)

图7(a)为粉煤灰漂珠,可以看出漂珠表面光滑均匀,但其内部是空心结构,充满空气,由于空气的导热系数很低,为0.023W/(m·K),因此粉煤灰漂珠的导热系数也较小;图7(b)为硅藻土,其表面有很多小孔结构,使其具有较大的比表面积,其中也充满大量的空气,因此也具有较小的导热系数;图7(c)为沸石分子筛,可以看出其粒径较小,比表面积较大。


对这三种功能填料的导热系数进行测定,大小依次为:0.176W/(m·K)、0.154W/(m·K)和0.132W/(m·K)。结果表明,以这三种功能填料制成的涂料的隔热性能优劣与其导热系数大小相对应。因此,低导热系数的沸石分子筛制成的隔热保温涂料,其隔热性能最好。


3.6 隔热涂料基本性能的测试

通过对隔热涂料进行基本性能测试,指标参照国家标准,测试结果如表4所示。以粉煤灰漂珠、硅藻土及沸石分子筛为填料制备的涂料均符合相关行业的国家标准。

隔热涂料基本性能测试结果

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4 结论

通过以上实验可以看出,制备的涂料均符合相关行业国家标准。当PVC为40%时,涂料各方面性能均较好。粉煤灰漂珠的物理结构(中空腔体)能够在一定程度上降低热量的传导,而且具有一定的反射太阳光的能力,因此其隔热性能较好,当漂珠的添加量为9%时,平衡温度可以降低5℃;


硅藻土的多孔结构使得其导热系数较低,隔热性能较好,但是当其添加量较大时,涂料将会很难分散均匀,施工性能较差,因此,硅藻土的最佳添加量为9%,此时平衡温度可降低7℃;


沸石分子筛对涂料的隔热性能有一定的影响,其中添加量越大隔热效果越好,当添加量为9%时,涂层平衡温度降低了12℃,比添加2%和4%沸石分子筛降低将近3℃,原因是沸石分子筛的比表面积较大,使得沸石分子筛的导热系数很小。


此外,本研究还表明涂层厚度对涂料的隔热性能影响相对较小。粉煤灰漂珠、硅藻土及沸石分子筛对涂料的隔热性能均有一定的影响,而沸石分子筛的隔热性能最好,其在建筑节能方面有很好的作用,同时对粉煤灰的综合利用也有一定的应用前景,在今后的实验中,我们会尝试用粉煤灰制成的沸石分子筛进行试验。


郑楠,宋慧平*,薛芳斌,程芳琴

(山西大学资源与环境工程研究所,国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室,山西太原030006)


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