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反射隔热多彩涂料的制备及性能探讨
2018年10月02日    阅读量:1401     新闻来源:沈航( 福建建筑科学研究院,福州350002; 福建省绿色建筑技术重点实验室,福州350002; 福建建工建材科技开发有限公司,福建闽侯350100)    |  投稿

随着现代建筑装饰水平的不断提高,花岗岩干挂体系以其豪华的修饰性与浑厚庄重的装饰效果日益受到设计与施工单位的追捧,以其为基础的砂壁状建筑涂料( 真石漆) 也随之被大规模地开发与使用。但花岗岩作为重质材料会增加建筑主体载荷,存在一定的安全隐患,相较之下,真石漆具有轻质、色彩质感可控的优点,但其使用的彩砂是不可再生的,随开采储量减少必将影响其可持续使用性,且其色差是迄今为止较难解决的问题,对施工的严格要求与材料批次的一致性限制了其装饰效果的发挥。此外,花岗岩片材和真石漆用彩砂的生产、使用期间产生的废弃物处理过程都是高能耗过程,并会产生大量粉尘,污染环境; 为顺应低碳环保宏观政策的整体调控,新型仿花岗石类装饰材料———水性多彩涂料应需而生中国建材网cnprofit.com

水性多彩涂料是以胶体与表面化学为理论,根据物理/化学反应的转变,将水性乳胶漆经离子包覆与凝胶化,分散至以清漆或乳液为连续相的体系中而获得的一种色彩多样、粒子大小可随意调节的喷涂饰面材料。由于不采用石料和彩砂,具有自质量轻、色彩可调、重复性好的优点,在环境友好的同时,兼具很好的装饰效果,近十年来受到了充分的重视和研究。如果结合建筑低碳节能的政策潮流,使用具有反射隔热性能的功能性材料来制备涂层体系,既可维持其高档装饰作用,又能达到节能减排的双重效果。此类涂料的研发和运用在国内外尚无文献报道,相应的最新节能涂料类标准也未对其做出明确规定,故具有良好的发展前景和研究价值。本研究在之前工作的基础上选用了国内已工业化量产、可大量采购用于生产的混相无机颜料或有机颜料及功能性填料进行漆品调配,并对成品漆的太阳光反射率/近红外反射率进行了测试与讨论,以期能完善反射隔热多彩涂料的研究和运用。

 

1 实验部分

1. 1 实验原料

镉红( JF - 40 ) 、钛锰棕( YB606 ) 、镍钛黄( YE609) : 湖南巨发科技有限公司; 铁铬棕( BR402) 、钛锰棕( YB606) 、铁铬黑( A2091) : 南京培蒙特科技有限公司; 金红石型二氧化钛( R219) : 中核华原钛白股份有限公司; 改性二氧化钛( Altiris 800) : HUNTSMAN;高岭土、重质碳酸钙、云母粉: 均为1 200目,福州新勇顺贸易有限公司; 纯丙乳液( BA201) : 北京东联化工有限公司; 硅丙乳液( 555) : 江苏李文甲化工有限公司; 有机硅树脂( 1306) : Wacker Chemie AG; 多彩保护胶体系( G30 - Q25 - A4) : 上海毅有实业有限公司; 消泡、增稠及流变助剂: 市售。

1. 2 实验及测试仪器

高速分散机: SDF400,上海众托实业有限公司;多彩漆喷枪: W77、871,ANEST - 岩田; 紫外/可见/近红外分光光度计: Lambda 950,Perkin Elmer; 红外光谱仪: Tensor 27,BRUKER; 涂层耐沾污试验机: QWX,天津精科材料试验机有限公司; 反射率仪: C84 - III,广州德满亿仪器有限公司。

1. 3 涂层制备与性能测试

1. 3. 1 彩色反射隔热涂料的制备

按表1 分别配置色浆、底漆、多彩漆及罩面漆。按GSB16 -1629 -2003 漆膜颜色标准样卡进行底漆的调色,调色完毕后加入流变助剂完善涂料的流变性能。

反射隔热涂料配方

注: 多彩面漆按m( 保护胶液) ∶ m( 基础漆) ∶ m( 连续相) =3. 5∶ 3. 5∶ 3配制,熟化,造粒后备用。

1. 3. 2 反射隔热多彩涂层样品制备

分别以铝合金板、PVC 板或硅酸钙板为被涂布基材,喷涂砂壁状质感层。待其完全干燥后,间隔6 h分2 次刷涂衬色底漆,用量为0. 35 kg /m2 ; 间隔6 h后,使用多彩面漆喷点,控制喷涂距离30 ~ 40 cm,压力0. 4 ~ 0. 6 MPa,用量0. 2 ~ 0. 5 kg /m2,喷点间隔6h 后滚涂罩面清漆,试件养护7 d 后待测。

1. 3. 3 太阳光/近红外反射率测试

从完成试件中每样抽取5 份样品,按GB /T235—2014《建筑反射隔热涂料》测定太阳光/近红外反射率、半球发射率及污染后太阳光反射比变化率,舍去与平均值偏差最大的2 组后,剩余的3 组数据求取平均值。

1. 3. 4 隔热温差测试

测温装置如图1 所示,照射端安装红外灯2 支( 型号GE 275R/IR/CL /E27,功率275 W) ,灯头中心与样板中心一一对应,灯底端距样板30 cm。样板2块均为铁制,分别涂刷普通多彩涂料与自制的反射隔热涂料。测试时,以室温为初始状态,用红外灯对2块样板同时进行辐照,每间隔30 s 对涂覆涂料的铁板背表面进行温度测试20 min,记录温度- 时间变化数据。

反射隔热性能测试设备

2 结果与讨论

2. 1 基材及底涂对涂层体系反射性能的影响

涂层体系的性能不仅取决于其本身的组成和结构,还与涂层所附基材及施工工艺相关。本研究使用同种反射隔热多彩涂料,在不同环境下进行涂层体系的制备并测试反射性能,结果如表2 所示。

基材性质对涂层反射性能影响

注: 多彩色漆,所选底色按色卡GSB16 - 1629 - 2003 中SM1 - 1473 色板调色,色点按质量构成为黑5%、白35%、浅灰60%,下同; 涂层涂装顺序自基材往面层依次为质感层、底漆、多彩色点,无罩面; NIR—近红外反射率; TSR—全谱反射率。

对比表2 中样品1、样品3、样品4 数据可以看出,相同的涂层体系在不同的基材上显示出不同的反射性能,按效果排序为PVC 板材> 铝合金板> 硅酸钙板,与基材本身的反射性能是一致的; 进一步对相同基材施以不同的前处理,亦能影响涂层的反射性能: 对比样品1 与样品2,在硅酸钙板上涂布白色底漆,可大幅提高涂层的反射性能,与之前的研究结果一致; 反之,涂布黑色底漆,即使在PVC 板上亦可观察到涂层反射性能下降,甚至低于硅酸钙板; 此外,基材的平整度也影响涂层体系的反射性能,对比样品4 与样品6 可以看出,在涂布沙壁状质感层后,由于表面的不平整使光线发生漫反射,将导致分光光度计采集的反射光波减少,从而体现出表观总反射率的下降。所以,产品与最终施工上墙成品的反射率差异,与施工工艺及环境密切相关。


2. 2 衬色底层对涂层体系反射性能的影响

底漆对纯色反射涂层体系性能的重要性已有较为细致的研究,证明了其对纯色系反射隔热涂层反射率的增效作用; 而其作为多彩涂料的衬色底层,亦可成为光波的反射介质而起到隔热作用。本研究分别以镉红、钛铬棕、铁铬黑( 以相同质量倍数钛白冲淡,与钛白的质量比均为1∶ 16) 所调色漆作为底漆,配以相同多彩色点体系,制备了多彩涂层并测试其反射性能,结果如图2 及表3 所示。

不同底漆对多彩涂层的反射率的影响

多彩涂料衬色底层对涂层反射性能的影响

注: 所有底色按照建筑涂料色卡GSB16 - 1629 - 2003 进行调色并对应编号,下同。

由图2 及表3 可见,在使用相同的多彩点层时,不同的衬色底层对涂层体系的影响是相当可观的: 含有镉红底漆的样品9 在可见光( 400 ~ 700 nm,占光谱总能45%) 尤其是近红外短波谱域( 700 ~ 1 200 nm,占光谱总能25%) 具有最高的近红外反射率( NIR)和全谱反射率( TSR) ,其数值与灰底的样品8 相比,分别高出13. 67%与16. 37%; 而铁铬黑作为具有高反射率的相变颜料,在使用4 倍质量的钛白冲淡的情况下,仍可使多彩涂层体系的TSR 达到59. 3%,NIR 达71. 5%,满足JGJ /T 359—2015 对反射隔热涂层所规定的最低要求; 反观以炭黑作为着色颜料,样式大致相同的普通多彩涂层Ref 1 与Ref 2,太阳光反射比与近红外反射比数值均低于50% ( 见表3) 。可见使用相变颜料作为底漆的调色颜料,可大幅提升其反射性能,在深色调时尤为突出。

2. 3 混相颜料对涂层体系反射性能的影响

经市场调研,目前市面上的反射隔热涂料一般以2 种方法来提升涂层体系的反射性能: 使用无机混相颜料代替普通色浆着色,利用其在近红外的高反射效果来实现反射性能; 或是不改变着色颜料,而使用经过改性的具有近红外高反射效果的二氧化钛来代替普通二氧化钛。本研究分别使用以上2 种方法,调制颜色相同的纯色底漆涂刷于铝合金板上,测试了其反射性能,结果如图3 及表4 所示。

无机混相颜料对涂层反射性能的影响

无机混相颜料对涂层反射性能的影响

注: 因为是测试不同的颜料的调色方案,故此组实验全部为纯色样品。


如图3 及表4 所示,样品10 和11 按SM3 -0407 色板调色其全谱反射效果优于其余的黑色样品,体现了色相对涂层反射隔热性能的决定性作用; 对样品10 和11而言,改性钛白对普通色漆的影响则体现于其在近红外区域的反射效率: 使用改性二氧化钛的涂层在可见光区域的谱图与反射强度与使用普通二氧化钛的参比样基本相同,但在近红外区能高出参比样5% ~10%,并按其权重为TSR 带来2% ~ 5%的提升。

黑色样品组均按色板SM3 - 1497 调色,由图3及表4 可见,在使用炭黑做为着色颜料的情况下,改性二氧化钛对涂层反射性能的提升是非常可观的( 对比样品13 与14) ,然而使用“炭黑+ 改性钛白”体系( 样品13) 的反射性能仍不及“铁铬黑+ 普通钛白”体系( 样品12) 。

为进一步研究反射隔热多彩涂料的反射隔热性能,本研究分别选取了色调与样式基本相同的2 组国内普通多彩涂料产品样板( Ref 1 与Ref 2) ,并参照其色调、样式在相同材质的白卡纸喷涂自制的反射隔热涂料8'( 构成列于表3,样品8 与样品8'的区别在于,样品8 的基材为硅酸钙板,而样品8' 的基材为白卡纸) ,养护后对三者进行全谱反射率测试,如图4所示。

反射隔热多彩涂料与普通多彩涂料反射谱图对比

进行测试的3 个样品色调相同,均以灰色为底,喷涂以黑、白色点,点径与分布密度大致相当。由图4 可见,普通多彩涂料样品Ref 1 与Ref 2 的可见光-近红外反射谱图相似,均表现出对全谱的无选择性吸收,致使涂层的太阳光与近红外反射率都在40% 以下,而自制样品的TSR 可达到59. 3%,究其原因在于黑色颜料的不同: 普通多彩颜料一般使用炭黑作为着色颜料,其对全谱的强吸收( 在白色衬底下反射率仅为5% ~ 6%,而铬铁黑可高达48% 严重降低了涂层的反射性能。而铁铬黑在近红外的选择性反射则是提升涂层反射率的主要原因。

2. 4 多彩色点对涂层体系反射性能的影响

为讨论相同底色下不同色点对涂装体系的影响,分别制备了白色及淡灰色[按m( 铁铬黑) ∶ m( 钛白)= 1∶ 32 调色]底漆,并分别以其为基础,喷涂不同的多彩色点制备多彩涂层,测得其反射性能如图5、图6及表5 所示。由图5、6 及表5 数据可见,无论是对于高明度还是中低明度的涂层体系,多彩点层对涂层体系的反射性亦有不可忽略的影响。

色点组合对白色底漆反射隔热涂层反射率的影响

色点组合对灰色底漆反射隔热涂层反射率的影响

色点组合对涂层反射性能的影响

从图5 可以看出,对于高明度的白色底漆,色点的涂覆均使涂层的可见光/近红外反射率下降,使用以暖色调、高明度为主的色点喷点制备的样品15,其反射比下降率小于使用深色点喷涂所制备的样品16。这是由于钛白的高散射力和折光指数使涂层在可见光,近红外区域具有最高的折光指数,任何色点的加入均会使涂层的整体反射率下降,而在使用低明度、强吸收的颜料制备色点时,反射性能的下降尤为明显: 使用“钛锰棕- 钼铬红- 铁铬棕”体系制备的涂层( 样品16) ,在400 ~ 700 nm 的可见光区域( 占全谱能量的43%) ,其反射率较仅喷涂白色底漆的参比样P - w,降低了30%,为近红外- 可见光区域反射率下降的主要因素; 而近红外谱域的反射率也有18. 12%的降低。

相对地,低明度的灰底多彩涂层,钛白色点的加入可使可见光乃至近红外区域的反射率得到一定的提高( 对比图6 样品P - g 与17) ; 在此基础上增加反射程度更低的色点,在一定范围内亦可保持一定的反射性能( 对比图6 样品P - g 与8) 。由此可见,在对反射隔热多彩涂层的反射性能进行优化时,其颜料的选用与色彩调配也是非常重要的。


2. 5 罩面体系对多彩涂层的保护

外墙的耐沾污及耐水性一直是影响外立面装饰效果的关键因素,同时也是影响外墙装饰效果耐久性的决定因素。本研究分别使用纯丙乳液+ 硅助剂、硅丙乳液,硅丙乳液—硅树脂乳液混合物作为涂层体系的保护层制备样板,并测试了这些样板的太阳光反射比( TSR) 及耐沾污后太阳光反射比下降率( △TSR) ,以考察其对涂层的保护效果,并与空白试样进行对比,结果如表6 所示。

保护涂层对涂装体系性能的影响

注: * —基础涂层体系选用表2 中样品6 进行制备,使用Wacker 化学的1306 憎水硅助剂。

由表6 数据可见,对多彩涂层体系使用不同的聚合物乳液进行罩面,涂层体系的反射性能( TSR) 并无明显的影响,但是会明显影响涂层的沾污后太阳光反射比下降率( △TSR) : 使用硅树脂部分代替有机硅改性丙烯酸酯聚合物作为成膜物质时,涂层的全谱反射率及近红外反射比( NIR) 可得到轻微改善,但罩面与否不是涂层反射性能优劣的直接原因,其对涂层耐沾污性能的提升而使反射性能得以维持,才是采用罩面工艺的主要因素: 硅树脂———硅丙聚合物复合保护层的使用,使样品在耐沾污试验中获得最为洁净的表面,故其太阳光反射比的变化率是最小的; 然而当涂层体系被施以质感底层时,则可观察到反射率严重下降,源于粉煤灰在质感层凹陷孔洞中的积累在冲洗过程中无法去除,这与表2 得到的结论一致。此外,漆膜的耐水性直接影响到整个涂装体系的使用寿命。较于真石漆体系,本研究制备的多彩涂层的耐水白有明显的改善,可解释为无机颜料中含有的高价金属离子与聚合物链段中的羧基等负离子基团产生离子络合,从而提高了聚合物与颜填料间的结合强度,而真石漆主要成分为乳液和彩砂,缺乏此类键合方式,结合强度低于多彩涂层。此外,多彩保护胶体及基础漆絮凝体系多由亲水性的硅酸镁锂、锂皂石、钠基膨润土、偏磷酸钠、纤维素等亲水性物质构成,其在多彩点层中的大量使用致使多彩点层耐水性降低,而罩面漆的使用可对多彩点层进行封闭,这才是罩面提高漆膜耐水性的根本原因。使用纯丙乳液的涂层体系,即使添加了有机硅憎水助剂,长期浸泡后还是存在后轻微发白的现象,而使用硅丙聚合物胶乳罩面保护的涂装体系,耐水白则有了明显的改善,此基础上添加硅树脂水分散体,可进一步提升涂层的耐水性能,保证涂层在长时间的浸水状态下未有水分渗入,对涂层色点、底漆、腻子层起到有效的保护。

2. 6 反射隔热多彩涂料实际运用测试

为测试反射隔热多彩涂料与市售普通多彩涂料的反射性能差距,本研究分别调制了底色、色点、密度均一致的2 组样品。两组对比样,底色按SM1 - 1472及SM1 - 0223 分别进行调色; 普通组使用铁黄、铁红、碳黑做为着色颜料,反射组使用钛铬棕、钼铬红、钛锰棕、铁铬黑做为着色颜料; 色点的调制,两组分别使用上述颜料,颜色与比例按黑( SM3 - 1497) 60%、棕( SM3 - 0797) 20%、白20%调制,熟化30 min,使用6 cm 的分散盘以500 r /min 的转速切割2 min 造粒后制漆。2 组对比样所使用的多彩配方,除颜料使用不同外,其余均一致,如表1 所示,并按喷涂压力0. 7

MPa,色点用量为0. 25 kg /m2,控制色点点径、密度一致制备样板。两组样品按1. 3. 4 测试方法对反射隔热多彩涂料性能进行评估,测试时间- 温度曲线如图7 所示。

普通多彩涂料与反射隔热多彩涂料隔热温差对比

如图7 所示,使用反射隔热材料对涂层所带来的反射性能的影响是十分可观的: 对比相同底色、样式的多彩样板,使用反射隔热涂料的样板升温速率要明显低于普通样板,这使得两者的温差随照射时间逐渐拉大: 对比同组灰底色涂层,20 min 内可获得10. 6 ℃的温差,即使是高明度的同组黄底色涂层,亦有6. 7 ℃的良好表现。使用反射隔热材料的灰底涂层,表观上无论明度及色相都不及普通的黄底色多彩涂料,性能上甚至略优于对方,表现了反射隔热多彩涂料较于普通多彩涂料优异的隔热抑温性能。


3 结语

对水性多彩涂料进行了改性并赋予其反射隔热效果,实验结果表明,基材的材质、表面粗糙程度和色相直接影响被涂覆基材的反射性能: 光滑而具有高反射性能的基材、涂布以白色底漆能获得最好的反射效果; 同理,具有高反射性能的颜料制备的色点,相对于使用不具备反射能力的颜料,对涂层体系的整体反射效果亦能得到明显改善,反之,反射率较低的颜料分布于底涂或色点都会影响涂层的反射性能; 对多彩涂层施以有机硅改性丙烯酸酯胶乳罩面,在添加有机硅树脂的情况下,能够显著提高涂层的耐沾污性能,从而维持沾污后的太阳光反射比变化率不至于下降,但具有凹凸粗糙质感层的涂层,相对平涂涂层其耐沾污性能受到严重影响,罩面与否在沾污试验后均会使涂层的反射性能得到较大程度的降低,故应选择平涂体系为宜。


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