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彩色隔热节能卷材功能涂料的开发与研制

　　论文摘要：彩板卷材，在建筑市场上越来越受到欢迎。然而，由于传统彩色涂层吸受、传导阳光的辐射热，使建筑彩板卷材在推广应用中遇到尴尬的难题。设计部门与建筑商不得不采取各种隔热措施加以解决，既增加建筑成本，又费工费力费时，增大工程造价。本文就是针对这一技术难题，采用复合纳米材料改性传统聚合物和传统颜料，开发研制出彩色隔热节能新型建筑彩板卷材功能涂料，为建筑材料市场添增了新型高效节能产品。
　　1前言
　　目前，市场上已有人研制出自干修补漆类隔热涂料，例如日本专利号为JP98-120946公开的一种外观深色的红外光反射涂料、德国专利号为DE19501114公开的红外反射涂料、中国专利申请公开号为CN1434063A介绍的热反射隔热涂料等[1-4]，都是以白色为主的涂料产品，一旦赋予涂层以颜色，就会改变太阳光反射隔热功能的作用。这是因为传统的彩色涂料涂层，置于阳光下吸热、导热、放热，是由于涂层中的颜料(尤其是深色颜料)带有发色基团，而这些发色基团一般都具有吸光蓄能的作用，即吸收红外线能量并转化为热能的结果。
　　本研究制备了一种在工艺温度下可以快速干燥的适用于工厂涂装的彩色隔热节能卷材功能涂料。通过采用稀土纳米材料改性传统聚合物树脂，赋予了透明成膜物吸收红外及紫外线的特异功能；用半导体纳米材料改性传统的着色颜料，赋予了彩色涂层具有强烈的反射红外线与紫外线的功能；涂料组分中添加功能性隔热填料，赋予了涂层“保温瓶式”的隔热效应；同时也赋予了彩色与透明涂层其它多种功能特性，如阻燃性、耐高温、超耐侯、高效防腐蚀、军事伪装性等功能。
　　2实验部分
　　功能性树脂的制备
　　实验材料
　　Z-390聚酯树脂(无锡阿克力化工有限公司)；稀土纳米Ce-ATO复合改性剂(北京科技大学广东研究院提供)。
　　聚醚二元醇(相对分子质量2000)、二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)均为国产工业品，丁酮、丁二酮肟均为分析纯试剂。
　　制备方法
　　(1)稀土纳米改性聚酯的制备
　　用稀土纳米Ce-ATO复合改性剂对Z-390聚酯树脂进行物理改性。按一定配比将纳米复合改性剂和聚酯树脂混合均匀后，加入到LBM-T2实验室篮式砂磨机中研磨，用200目筛网过滤备用。混配比例为：纳米改性剂∶聚酯树脂＝8~12∶92~88(wt)。
　　(2)封闭型聚氨酯潜固化剂的合成
　　①聚醚二元醇与MDI预聚体的合成：准确称取经过脱水处理的聚醚二元醇30g装入配有温度计、搅拌器、冷凝器、已加入MDI的250mL的四口烧瓶中，加入适量丁酮溶剂。升温到80℃持续反应，得到透明聚醚型异氰酸酯预聚体。
　　②潜固化剂的合成：称取25g自制的预聚体，加入装有温度计、搅拌器和冷凝器的250mL的四口烧瓶中，按照封闭剂中活泼H与预聚体中-NCO的摩尔比为，计算出要加入的封闭剂丁二酮肟的量，以适量丁酮溶剂将其溶解后转入到50mL滴液漏斗中，在搅拌下滴加封闭剂，同时控制体系温度不超过40℃，滴加速度为1mL/min，持续时间20min。封闭剂滴加完毕后保温反应30min，再升温到80℃持续反应2~，得到封闭型聚氨酯潜固化剂。
　　功能性复合色浆的配制(以蓝色为例)
　　实验设备
　　2000mL烧杯；电子秤；LBM-T1型可调速变频搅拌分散机、LBM-T2实验室篮式砂磨机(广东东莞郎力机械有限公司)。
　　实验材料
　　稀土纳米Y-ITO复合改性剂(北京科技大学广东研究院提供)；酞青蓝(市售)；酞青绿(市售)；R-960钛白粉(杜邦)；颜料大红(市售)；氧化铁红(市售)；氧化铁黑(市售)；耐晒黄(市售)；聚乙烯醇(PVA)/(市售)；NK-1超分散剂(浙江德清宝维纳米材料有限公司)；JF-134阳离子氟表面活性剂和F-006两性氟表面活性剂(武汉市金富科技发展有限公司出品)；NDZ-311(油性)钛酸酯偶联剂(南京曙光化工集团出品)；丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)/(化学纯试剂)；AC1261丙烯酸树脂(佛山市高明同德化工有限公司出品)。
　　制备过程
　　用带刻度的2000mL玻璃烧杯量取635mL去离子水，加入100gAC1261树脂，在搅拌分散机上分散均匀后，移至电加热炉上边搅拌边缓慢加入，控制温度不超过90℃，直至全部溶解后冷却至常温，向内加入NK-1超分散剂和JF-134阳离子氟表面活性剂各、10gNDZ-311W钛酸酯偶联剂，再称量200g酞青蓝色粉加入烧杯中，然后再移至LBM-T1型高速分散机上分散至肉眼不见颗粒为止，使用LBM-T2实验室篮式砂磨机，开启冷却水阀，将机速调到10~16m/s，反复循环研磨至浆料粒径细度达到5µm左右，再加入250g稀土纳米Y-ITO复合改性剂分散液，分散均匀后在砂磨机上混合研磨15min出料，过滤、包装，即得到固含量约40%的纳米稀土改性复合功能蓝色浆，备用。
　　彩色隔热功能涂料的制造(以灰色为例)
　　材料与设备
　　(Al2O2)nx-NMP纳米改性剂(北京科技大学广东研究院提供)；S-150芳烃溶剂、涂料助剂、PMA/DBE等(市售)；电子秤、2000mL塑料烧杯；LBM-T1型可调速变频搅拌分散机、LBM-T2实验室篮式砂磨机(东莞郎力机械有限公司)；200目滤筛。
　　配方设计
　　本隔热彩色卷材涂料是由稀土纳米改性聚酯(自制)、纳米改性复合色浆、纳米改性剂和其他涂料助剂等材料组成的。配方设计见表1所示。
　　表1纳米材料改性彩色卷材涂料基础配方
原 材 料重量份，wt驼灰海蓝
S-150芳烃溶剂
稀土纳米改性聚酯
封闭型聚氨酯潜固化剂
涂料助剂*
(Al2O2)nx-NMP纳米改性剂**
PMA/DBE(混合比=4∶1)~~--~~~~~~~~~
　　*涂料助剂包括:分散剂、防沉剂、消泡剂、流变剂等；**无需与其它组分一起研磨，后添加分散均匀即可。
　　制备工艺
　　用电子秤按配方配比(树脂、溶剂、助剂及其他功能性隔热填料等组份)称量，置于LBM-T1型可调速变频搅拌分散机，先在低剪切速度下边投料边搅拌，投料完毕后再分散20min，上LBM-T2实验室篮式砂磨机上研磨至要求细度，用200目筛网过滤，包装成品。
　　3结果与讨论
　　性能测试
　　参照彩色涂料的行业标准HG/T3830-2006《卷材涂料》中的技术指标，采用BK06-3型电脑监控多点温度在线自动记录测试系统测试涂层隔热效果。
　　涂层的太阳光红外线反射实验
　　(1)检测依据：参照GB/T2680-94建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定。
　　(2)检测设备：U-4100紫外、可见、近红外分光光度计(BEELC01)；AE型辐射率测定仪(BEELC02)。
　　(3)检测条件：光源类别——紫外区，氘灯；可见光和近红外光区，50W卤钨灯。
　　光谱透射比测定中，采用垂直照明和垂直探测的几何条件，表示为垂直/垂直；光谱反射比测定中，采用5°角照明和5°角探测的几何条件，表示为5°/5°。
　　(4)实验结果：做反射率对光波长的曲线，详见图1。

图1涂层对太阳光反射率曲线
Paintonsolarreflectancecurve
　　从图1中可以看出，无论是何种光源，彩色隔热涂料都有一定的隔热作用，条件不同，隔热作用也有差别；对涂层做半球辐射率测试，结果见表2。
　　表2光直接反射比和半球辐射率测试
检测项目检测结果备 注
半球辐射率(%)大气质量为2
太阳光直接反射率(%)
　　涂层隔热降温效果试验
　　采用对比试验方法，采用BK06-3型电脑监控多点温度在线自动记录测试系统采集数据，结果如图2、图3所示：

图2灰色样板室外日光测试温度曲线
Testcurveofthegraymodelforoutdoordaylight

图3灰色样板室内模拟日光测试温度曲线
Testcurveofthegraymodelforindoordaylight
　　从图2、图3中可以看出，彩色涂料的隔热降温的节能效果十分显着，户外日光测试中，温度最大降低℃；室内模拟日光测试，温度平均可降低20℃。
　　涂层隔热机理
　　解析隔热涂层的隔热机理，在彩色隔热涂料研究设计上，我们设置了三道屏蔽阳光热辐射的防线：
　　第一道防线在漆膜表面。由于传统的高分子聚合物成膜材料经纳米稀土复合改性剂(Ce-ATO)改性后，表面漆膜对阳光中波长为~400μm远红外线具有强烈的吸收效应，吸收率达到了80%左右。被吸收的红外线能量激发了稀土纳米粒子的荧光态效应，致使红外线能量低耗，无法转化为热能。同时，在研究中发现了另一种现象，即受激发态的纳米稀土复合材料的荧光强度受纳米粒径的影响，随着粒径的减小而下降，吸收强度却更加强烈。这种效应正是我们所希望和需要的。
　　第二道防线在发出色彩的颜料表面。用纳米稀土复合改性剂(Y-ITO)改性传统的有机或无机颜料，其改性机理是通过化学-机械制程法利用机械能先将纳米稀土复合粉体材料研磨分散恢复至纳米尺度，然后通过小分子型超分散剂的吸附作用将纳米粒子包覆起来，起到阻隔团聚的作用。当将制备好的纳米稀土复合改性剂(Y-ITO分散液)加入到颜料色浆中对颜料粒子进行改性时，在范德华力的作用下，纳米微粒子被紧密地吸附在颜料粒子表面，形成了对颜料粒子的包膜态势。而包覆在颜料粒子表面的纳米稀土复合(Y-ITO)粒子对阳光中波长为~μm之间的红外线具有极强的反射效应，因此也就屏蔽了传统颜料粒子对红外线吸收和放热作用。这一道防线的屏蔽率大约可以阻挡80%左右的近、中红外线。
　　第三道防线则是利用了“暖水瓶隔热原理”，在填料中选用了中空玻璃微珠功能材料。即使前两道防线不能完全屏蔽阳光的热辐射，第三道防线则隔绝了热对流和热传导作用。因此，使本研究的彩色或透明隔热涂层具有及其优异的屏蔽阳光热辐射，阻隔热传导效应。
　　彩色隔热卷材涂料物理机械性能测试
　　(1)检测依据：参照行业标准HB/T3830-2006《卷材涂料》中的面漆产品技术要求。
　　(2)检测设备：ISO6#流出杯，刮板细度计，漆膜冲击器，漆膜划格器，杯突试验机，摆杆硬度计，60°镜面光泽度计，QUV/Basic加速老化试验机，全自动测色色差计，烘箱等。
　　纳米改性彩色卷材涂料的物理机械性能详见表3。试验结果表明，本彩色隔热涂料达到了行业标准HB/T3830-2006《卷材涂料》中的面漆产品技术要求。这些功效是由于材料内部纳米改性聚合物的作用，同时能明显的改善材料耐候性而达到预期效果。
　　表3纳米材料改性彩色卷材涂料物理机械性能
项 目测试结果检 验 方 法
密度,g/cm3
细度,µm
粘度(涂-4杯),s
涂膜外观
涂层厚度,µm
光泽(60º),%
T弯试验
杯突试验,mm
耐MEK擦拭,次
反向冲击性,J
铅笔硬度
耐湿热性(50℃,相
对湿度95%,500h)
人工加速老化
试验(2000h)~15~2080~120平整光滑25~35302810096H1级失光一级变色二级GB/T 1725-89GB/T 1724-89GB/T 1723-93GB/T 9761-88GB/T 9754-88GB/T12754-91GB/T 9753-88NCCA Ⅱ-18ASTM D1794-93GB/T 6739-96GB/T 1740-79GB/T 1965-97
　　注：#与涂膜的光泽有关；试验钢板厚度。
　　4结语
　　彩色隔热卷材涂料与普通卷材涂料比较，有以下特点：
　　(1)通过热反射和热屏蔽的阻隔作用，达到最佳隔热效果。经试验证明，在炎热的夏季，用彩色隔热节能卷材功能涂料制作的钢结构墙体与未涂覆或普通涂料涂覆的钢结构墙体相比，可使室内温度降低4~12℃，隔热节能效果极其显着。
　　(2)综合机械性能优良，漆膜附着力、抗冲击性、抗划伤性等指标均超过普通卷材涂料的技术水平。
　　(3)装饰性好，质地细腻，外观平滑，保光保色，由于增强了对红外光和紫外光的反射作用，有效防止了涂膜的光解反应，延长了漆膜的使用寿命。
　　(4)为建筑市场提供了一种高效节能的新型建材，对创建节能减排环境友好型社会具有深远的现实意义。
　　参考文献
　　[1]张驰,发明专利:隔热防腐卷材涂料().
　　张驰等,发明专利:彩色与透明隔热节能防护功能涂料及其制备方法.受理号:
　　张驰,纳米改性隔热防腐卷材涂料的研究与应用.第四届上海国际彩板及涂料涂装技术交流研讨会获奖优秀论文集,2005,05(上海).
　　陈中华等,复合型建筑隔热涂料的研制.太阳能学报.2008,29(3):257-262.
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　　殷燕子等,太阳热反射涂料的反射率检测方法研究及其数学模型.材料保护,2004,37(5):8-10.