新型高分子聚合物在彩色反射隔熱涂料中的應(yīng)用

王永良，金友軍?。频蔓惢た萍加邢薰?，廣東佛山　510860）

新型高分子聚合物在彩色反射隔熱涂料中的應(yīng)用

王永良，金友軍（科德麗化工科技有限公司，廣東佛山510860）

研究了一種新型高分子聚合物在彩色反射隔熱涂料中的應(yīng)用及性能，解決了普通建筑涂料反射隔熱率低下、色彩單一的問題。

舒熱盾功能聚合物；彩色反射隔熱涂料；建筑涂料

0　引言

建筑能耗是指建筑使用過程中的能耗，包括采暖、空調(diào)等家用電器能耗，約占全國能源總消耗量的27%，居我國各類能耗之首。采暖和空調(diào)的能耗占建筑總能耗的55%，而且以每年1%的速度增加。除了采用控制空調(diào)溫度，以及采用太陽能熱水器、節(jié)能燈等普通方式，還應(yīng)從根本上解決建筑能耗問題［1］。

傳統(tǒng)隔熱建材只能延緩熱的傳入，但由于其本身吸熱，讓整個建筑如烤爐般酷熱難耐，尤其晚上還會持續(xù)釋放熱能，容易形成都市熱島效應(yīng)。反射隔熱涂料是近幾年發(fā)展起來的一種新型節(jié)能材料。它是一種通過低導(dǎo)熱系數(shù)和高導(dǎo)熱阻來實現(xiàn)隔熱保溫的材料，能主動反射太陽光的能量，有效降低涂層表面和基材的溫度，進而降低室內(nèi)溫度，從而達到改善工作環(huán)境、降低能耗的目的，從根本上減少空調(diào)的使用率，大大降低電能消耗。目前反射隔熱涂料已成功應(yīng)用于航天、建筑、石化、軍工等領(lǐng)域，其顯著的節(jié)能效果得到廣泛的認(rèn)可［2-6］。

本研究主要介紹一種能反射熱能的新型高分子材料——Solarproof舒熱盾反射隔熱聚合物在建筑反射隔熱涂料中的應(yīng)用。該聚合物不含甲醛，無APEO（烷基酚聚氧乙烯醚），黏度低，無需使用特殊反射隔熱顏料，配用普通顏料即可，即使零配比鈦白也可通過低明度標(biāo)準(zhǔn)。將Solarproof聚合物加入涂料體系中，能使涂料對可見光與紅外光具有優(yōu)異的反射能力，此兩段波長正是太陽主要的熱能來源，占總太陽熱能約94%。Solarproof聚合物反射率高達90%以上，其中可見光反射率最高達到98.8%，與不同無樹脂色漿配用，可以實現(xiàn)高性能反射隔熱建筑涂料的顏色多樣化，其推廣應(yīng)用將成為未來建筑節(jié)能減排的新趨勢。

1　試驗部分

1.1反射隔熱涂料的制備

在低速攪拌下，依次將水、乙二醇（或丙二醇）、分散劑、潤濕劑、pH調(diào)節(jié)劑、適量消泡劑以及顏填料等加入混料罐中混合均勻，再高速分散30 min，使粉體顆粒在高速剪切作用下分散成原級粒子，并達到穩(wěn)定狀態(tài)后，投入Solarproof聚合物，中速攪拌均勻。轉(zhuǎn)移至調(diào)漆罐中，慢速攪拌下，加入乳液樹脂、成膜助劑、消泡劑、流平劑、防霉劑和防腐劑，并攪拌均勻。此外，還可以根據(jù)涂料的黏度狀況，使用適量的有機類增稠劑調(diào)整涂料的黏度，最后過濾，出料，即得建筑反射隔熱涂料，參考配方見表1。

表1　建筑反射隔熱涂料參考配方Table 1　The reference formula of architectural reflection and thermal insulation coatings

續(xù)表1

1.2性能測試

涂料隔熱性能：在遮蓋力測試紙板上刮涂厚度為（150±10）μm的涂膜，在25℃，50%相對濕度條件下養(yǎng)護7 d。按照J(rèn)G/T 235—2014《建筑反射隔熱涂料》標(biāo)準(zhǔn)（表2），采用Jasco V-570分光光譜儀測試隔熱性能。

表2　建筑反射隔熱涂料熱反射性能要求Table 2　The requirements of heat reflection performance of architectural reflection and thermal insulation coatings

2　結(jié)果與討論

2.1Solarproof反射隔熱聚合物

Solarproof反射隔熱聚合物是一類能反射熱能的高分子聚合物，與一般中空隔熱材料相比，Solarproof聚合物粒徑小（平均粒徑<0.5 μm），與涂料體系相容性好，制得的反射隔熱涂料貯存穩(wěn)定性好，生產(chǎn)過程中不漂粉，無需改變生產(chǎn)流程，制作簡單不增添困擾。將Solarproof聚合物添加到反射隔熱涂料中，能延長涂層壽命。涂膜表面光滑、細(xì)膩，具有優(yōu)良的耐沾污性、耐磨性、耐擦洗性、耐候性與表面觸感，如表3所示。

表3　Solarproof聚合物與中空隔熱材料的性能對比Table 3　The performance comparison between Solarproof polymer and hollow thermal insulation material

通過Jasco V-570分光光譜儀對Solarproof聚合物與中空隔熱材料的涂膜反射率光譜分析結(jié)果（如圖1所示）可知，使用Solarproof的隔熱涂料，涂膜的反射率明顯高于使用中空隔熱材料的涂膜，隔熱效果更優(yōu)異。

圖1　Solarproof聚合物與中空隔熱材料的反射率光譜Figure 1　The reflectance spectra of Solarproof polymer and hollow thermal insulation material

2.2Solarproof聚合物的作用機理

Solarproof聚合物的反射隔熱方式是通過聚合物自身的特殊結(jié)構(gòu)將熱量阻擋在涂層的外側(cè)。它自身的絕對體積比例大，導(dǎo)熱系數(shù)極小，進而影響涂層的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠阻止熱量在物體內(nèi)部的傳遞，伴隨著反射的進行也具有一定的阻隔作用。同時，由于存在大氣窗口，在該區(qū)間內(nèi)，Solarproof聚合物具有較高的反射率，可直接將物體所接收的太陽光熱量通過此窗口發(fā)射到大氣層的外部空間，使得物體溫度明顯下降。

當(dāng)Solarproof聚合物含量較少（5%）時，雖然已經(jīng)具有一定的反射隔熱效果，但是由于其含量較低，在涂膜中的排列比較稀疏，不能形成致密的反射隔熱層，部分光線還是能夠通過縫隙穿透涂膜，因而其反射隔熱效果有限。隨著涂膜中Solarproof聚合物含量的增加，其在涂膜中的排列逐漸緊密，涂膜的反射隔熱效果顯著增加。當(dāng)Solarproof聚合物的含量達到10%時，對太陽光的反射效果最為顯著（圖2）。

圖2　不同含量Solarproof聚合物在涂膜中排列的示意圖Figure 2　The arrangement schematic diagram of Solarproof polymer with different content in the coating

2.3成膜樹脂

目前，建筑反射隔熱涂料使用的成膜物主要是丙烯酸類以及丙烯酸共聚物類合成乳液。因為建筑反射隔熱涂料主要應(yīng)用于外墻，根據(jù)室外氣候和溫度變化大等特點，需要選擇耐候性好、耐水性強、耐沾污性好，又具有強黏結(jié)效果的乳液來制備涂料。目前用于外墻涂料的乳液多以純丙乳液和苯丙乳液為主，通常純丙乳液具有更好的抗紫外線性，吸水率低，而苯丙乳液對顏填料的黏結(jié)力較好，吸水率低，抗皂化性好。本試驗將Solarproof SP-150C添加到乳液中，并通過改變?nèi)橐河昧縼碛^察涂膜總太陽反射比（TSR）的變化，結(jié)果如圖3所示。

圖3　成膜樹脂對總太陽反射比的影響Figure 3　The influence of film forming resin on the TSR

由圖3可見：純丙乳液和苯丙乳液在固含量相同的情況下，添加Solarproof SP-150C后，其涂膜的總太陽反射比均較高，達到90%以上，但隨著體系中乳液含量的增加，涂膜的總太陽反射比逐漸下降。這說明Solarproof聚合物與乳液體系的相容性較好，在不同種類的乳液體系中均呈現(xiàn)出較高的反射隔熱效果。但是隨著乳液含量的增加，過多的乳膠粒子會在Solarproof聚合物粒子周圍形成一定的包覆層，屏蔽其反射隔熱功能，使得涂膜的反射隔熱性能下降。結(jié)合外墻建筑涂料要求涂膜具備優(yōu)異的耐水性、耐沾污性、抗老化性等特點，本試驗選用玻璃化溫度低、具有自交聯(lián)性的純丙乳液作為反射隔熱涂料的主要成膜物質(zhì)。

2.4顏料和填料

反射隔熱涂料的隔熱機理有阻隔性隔熱、反射性隔熱以及輻射性隔熱3種。在反射隔熱涂料中，除了添加Solarproof聚合物外，還要根據(jù)涂料性能的需要添加一定量的顏填料，以此達到上述一種或幾種隔熱機理的復(fù)合隔熱效果，從而進一步提高涂層的隔熱反射率。顏填料的選用主要著眼于其反射性能和對涂膜導(dǎo)熱系數(shù)的影響。本試驗選用煅燒高嶺土、滑石粉、硫酸鋇、重鈣、云母粉、硅灰石、氧化鐵黑、炭黑、氧化鐵系顏料、氧化鉻綠、有機顏料以及鈦白等顏填料進行反射隔熱效果的對比分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同顏料和填料的明度Figure 4　The brightness of different pigments and fillers

一般來說，明度（L值）越小，顏料和填料對應(yīng)的總太陽反射比（TSR）越低，其反射隔熱效果越不顯著。選用顏填料時須注意，由于要保證Solarproof聚合物在涂膜中的反射性能，涂料組成中應(yīng)盡量少用對光吸收率高的普通填料，但可以使用對光、熱反射性能較好的功能填料。此外，還應(yīng)根據(jù)顏料折光率與涂膜反射率的關(guān)系選用折光率高、吸收率小的顏料。由圖4可見：大部分顏填料均具有較高的反射率，可以在一定程度上提高涂層的反射隔熱性能，其中，以煅燒高嶺土、滑石粉、鈦白、氧化鉻綠等的反射效果最為明顯，可以在配方設(shè)計時，適當(dāng)選擇加入這些顏填料。炭黑和氧化鐵黑的反射率很低，即使配用很多近紅外反射顏料，涂層的近紅外反射比也不會很高，達不到標(biāo)準(zhǔn)要求，所以在配方中不宜采用。此外，單獨使用云母粉和硅灰石時，其反射隔熱效果不明顯，只能作為體質(zhì)填料在配方中少量添加，并配用其他反射顏填料一起使用。

2.5彩色反射隔熱涂料的制備

目前建筑反射隔熱涂料的顏色單一，90%以上為白色。雖然白色涂料具有優(yōu)異的太陽熱反射性能，但是很難滿足現(xiàn)代建筑對色彩多樣性的要求。彩色顏料色漿受到不同彩色顏料的可見光反射率的限制，必須盡可能選擇紅外反射顏料，以增加涂膜在紅外部分的反射率。本研究將Solarproof SP-105C與TiO2，及某公司的功能性反射隔熱材料H5XX、H8XX進行比較分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5　Solarproof SP-150C與其他反射隔熱材料的比較Figure 5　The comparison among Solarproof SP-150C and other reflective insulation materials

彩色反射隔熱涂料的反射性能同顏色的明度關(guān)系密切，明度值越大，涂層的太陽光反射比和近紅外反射比值越高，隔熱溫差值越大。在反射隔熱涂料中添加色漿后，涂膜顏色明度值L均下降，所以在配方設(shè)計時，在涂膜顏色符合要求的前提下，必須盡可能控制色漿的用量。圖5結(jié)果表明：與其他三款反射隔熱材料相比，在相同配比情況下，Solarproof SP-105C的明度更低，在添加該聚合物的反射隔熱涂料中，只須更少的色漿即可達到所需色彩明度，能夠最大限度地降低顏料色漿對涂膜反射隔熱性能的影響。

在乳液體系的反射隔熱涂料中，選用無樹脂色漿體系具有通用性強、性價比高和生產(chǎn)調(diào)色方便等優(yōu)勢。本研究選用科萊恩和廣州科迪的高明度和中明度無樹脂顏料色漿制備彩色反射隔熱涂料，其性能指標(biāo)分別見表4和表5。低明度彩色反射隔熱涂料的制備數(shù)據(jù)及性能指標(biāo)見表6。

表4　高明度彩色反射隔熱涂料的制備數(shù)據(jù)及性能指標(biāo)Table 4　The preparation data and performance index of high lightness color reflection and thermal insulation coatings

表5　中明度彩色反射隔熱涂料的制備數(shù)據(jù)及性能指標(biāo)Table 5　The preparation data and performance index of middle lightness color reflection and thermal insulation coatings

表6　低明度彩色反射隔熱涂料的制備數(shù)據(jù)及性能指標(biāo)Table 6　The preparation data and performance index of low lightness color reflection and thermal insulation coatings

由表4、表5的試驗結(jié)果可見：試驗配制的彩色建筑反射隔熱涂料對應(yīng)的顏色基本一致；按照色系可分為藍色、紅色、黃色、綠色和灰色5種顏色；按照漆膜明度值可分為中明度和高明度。在白色反射隔熱基礎(chǔ)漆中添加色漿，隨著顏料色漿添加量的增加，漆膜顏色明度L值下降，其中在相同L值時，黃色色漿的添加量較大。一方面，說明黃色顏料對明度的影響相對最小，而藍色顏料的影響相對最大；另一方面也說明了黃色顏料的著色力相對較差。黃色顏料紅外反射率最高，紅色、綠色、藍色次之，灰色最低。列出對應(yīng)的總太陽光反射比和近紅外反射率數(shù)據(jù)，均達到JG/T 235—2014標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.6Solarproof彩色反射隔熱涂料與其他反射隔熱涂料的性能比較

本研究將Solarproof聚合物添加到彩色反射隔熱涂料中，并與某公司生產(chǎn)的彩色反射隔熱涂料產(chǎn)品作性能比較，其結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見：試樣A的TSR為83.19%；試樣B在可見光區(qū)和近紅外區(qū)（380~1 500 nm）的TSR高于試樣A，為87.26%，這說明目標(biāo)涂料的反射隔熱效果優(yōu)于某公司生產(chǎn)的彩色反射隔熱涂料。

圖6　不同反射隔熱涂料的總太陽反射比Figure 6　The TSR of different reflection heat insulation coatings

3　結(jié)語

（1） 舒熱盾Solarproof聚合物是一類能反射熱能的高分子聚合物，產(chǎn)品不含甲醛，無APEO，黏度低，可直接添加配用普通顏料，無需使用特殊顏料，零配比鈦白也可通過低明度標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 采用舒熱盾Solarproof聚合物制備的涂料施工面積是普通無機中空隔熱材料的2倍，無需再罩面處理即可解決耐沾污性問題，提供優(yōu)異的耐候性和耐水性等性能。

（3） 舒熱盾Solarproof聚合物添加量在10%左右，即可滿足白色漆和彩色漆的隔熱性能要求，總太陽光反射比和半球發(fā)射率均能達到JG/T 235—2014標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（4） 舒熱盾Solarproof聚合物讓彩色建筑外墻反射隔熱涂料色彩多樣化成為現(xiàn)實，解決了紅外反射顏料價格昂貴造成的配色成本較高的問題，同時也解決了紅外反射顏料品種有限造成配色受限的問題，徹底達到了簡單配色、隔熱效果優(yōu)異、簡化制備工藝等效果。

1任曉琳，謝德龍，張心亞.建筑外墻反射隔熱涂料研究展望［J］.現(xiàn)代化工，2014，34（5）：35-38.

2孫順杰，楊文頤，馮曉杰，等.彩色熱反射隔熱涂料的制備及其性能研究［J］.涂料工業(yè)，2013，43（4）：17-22.

3趙石林. 建筑外墻節(jié)能隔熱涂料的制備和應(yīng)用［J］.上海涂料，2014，52（9）：24-27.

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5黎力，韋延年. 建筑反射隔熱涂料的研發(fā)和應(yīng)用［J］.四川建筑科學(xué)研究，2014，40（6）：281-284.

6李運德，張惠英，毛方桂，等.太陽熱反射涂料顏填料選擇關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.涂料工業(yè)，2013，43（4）：1-4.

The Application of a Novel Macromolecular Polymer in the Color Reflection and Thermal Insulation Coatings

Wang Yongliang，Jin Youjun
（KeDeli Chemical Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan Guangdong，510860，China）

The application and performance of a novel macromolecular polymer in the color reflection and thermal insulation coatings were studied. The problems of low reflection and heat insulation efficiency，and colour monotone of common architectural coatings were solved.

Solarproof functional polymer；color reflection and thermal insulation coatings；architectural coatings

專論綜述

TQ 630.7

A

1009-1696（2016）02-0022-06

2015-12-27

王永良（1987—），男，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事水性涂料產(chǎn)品應(yīng)用與售后服務(wù)工作。