廢棄紅磚制備保溫隔熱水性涂料及優(yōu)化

鄭 毅，李 天，武舒婭，周 濤，趙由才

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

我國(guó)正處于快速城市化的進(jìn)程中，建筑行業(yè)貢獻(xiàn)全國(guó)26.7%的GDP[1]。與此同時(shí)，大量建筑廢物帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題，如占用土地資源、造成空氣污染、消耗原材料等，也是世界環(huán)境問題的難點(diǎn)[2]。目前建筑廢物處理的方式主要包括分揀利用、填埋、道路建設(shè)等[3-4]，但由于再生材料的成本、性能與天然產(chǎn)品存在差距[5-6]，資源化利用效率低，因此需探索新的建筑廢棄物的資源化利用方向。

建筑保溫隔熱水性涂料是一種新型多功能涂料，能夠通過反射隔熱、阻隔隔熱、輻射隔熱等方式有效減少建筑物能量損失[7-8]。建筑廢棄物中的混凝土、廢磚塊等硅酸鹽質(zhì)物料可用來制備建筑保溫隔熱水性涂料，為建筑廢棄物資源化利用提供新思路[9]?？娬10]等利用建筑廢物制備保溫隔熱砌塊，余江[11]等利用建筑廢物和污泥等固體廢棄物燒制保溫隔熱發(fā)泡陶瓷材料，均表明產(chǎn)品具有較好的性能。

本研究以廢棄紅磚作為典型建筑廢物,選擇阻隔型和反射型作為研究方向探究涂層厚度和顏料體積濃度對(duì)磚粉水性涂料保溫隔熱性能的影響。在此基礎(chǔ)上，選擇空心玻璃微珠、粉煤灰漂珠、膨脹珍珠巖、木質(zhì)纖維、海泡石和硅酸鋁[12-14]作為功能填料，分析不同功能填料對(duì)磚粉水性涂料的適配性，實(shí)現(xiàn)磚粉水性涂料的功能化應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

紅磚塊取自同濟(jì)大學(xué)校內(nèi)建筑物拆除過程，經(jīng)過鄂式破碎和電磁粉碎兩級(jí)破碎后,過80目篩。其余實(shí)驗(yàn)材料如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)中使用的藥品

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 基本配方

保溫隔熱涂料的試驗(yàn)配方如表2所示。

表2 保溫隔熱磚粉水性涂料配方

1.2.2 保溫隔熱涂料的制備方法

試驗(yàn)基本配方與表2相同，僅將功能填料對(duì)磚粉填料進(jìn)行部分替代，但不參與球磨過程。制備工藝如圖1所示。

圖1 保溫隔熱磚粉水性涂料制備工藝

1.2.3 涂料性能測(cè)試

1.2.3.1 反射隔熱

以無石棉纖維增強(qiáng)水泥板板為空白試板，試板尺寸為350 mm×350 mm×5 mm，利用滾筒刷在試板表面進(jìn)行多次涂裝，保持涂層表面均勻平整，待表面干燥后測(cè)定涂層厚度，直至涂層厚度與測(cè)試要求相符，然后將試板放在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7 d。試板養(yǎng)護(hù)完成后按照?qǐng)D2進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)涂層面向紅外燈泡，根據(jù)數(shù)顯溫度計(jì)記錄下腔體溫度變化。

圖2 涂層反射隔熱測(cè)試裝置

1.2.3.2 阻隔隔熱

水性涂料阻隔隔熱根據(jù)圖3測(cè)試，在鐵罐側(cè)表面利用滾筒刷進(jìn)行涂裝，干燥涂層厚度根據(jù)測(cè)試要求需要。同一批次測(cè)試時(shí)，向罐內(nèi)倒入等體積相同溫度的熱水，每隔一段時(shí)間測(cè)試水溫，記錄其變化情況。

圖3 涂層阻隔隔熱測(cè)試裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層厚度對(duì)保溫隔熱性能的影響

圖4為磚粉水性涂料進(jìn)行快速厚涂后的涂層情況，可以觀察到涂層表面出現(xiàn)大量較大的裂紋，嚴(yán)重影響外觀及使用性能，表明在此配方體系下，涂層表層與底層的干燥速率差異過大。表層干燥成型后，底層仍處于濕粘狀態(tài)，所以當(dāng)?shù)讓永^續(xù)干燥收縮，引起表層龜裂。因此，磚粉水性涂料無法進(jìn)行一次性厚涂涂裝，應(yīng)采取多次薄涂的方式進(jìn)行測(cè)試。

圖4 厚涂磚粉水性涂層外觀

磚粉水性涂料阻隔型隔熱效果實(shí)驗(yàn)設(shè)置厚度0～13 mm 8個(gè)涂層組別，將100℃沸水倒入容器中，觀察水溫隨時(shí)間的變化情況，表3為測(cè)試結(jié)果。涂層厚度小于5 mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)始末溫差由43.8℃降低至43.3℃，變化幅度較小，僅為0.5℃；當(dāng)大于5 mm時(shí)，溫差由43.0℃降低至41.1℃，減小了1.9℃，隔熱效果變化較為明顯。當(dāng)涂層較薄時(shí)(<5 mm)，無法對(duì)熱量起到很好的阻礙作用，涂層尚未發(fā)揮阻隔隔熱；隨著涂層的增厚，一方面涂層熱阻增大，降溫速率減小，另一方面發(fā)熱體損失的熱量越多的被涂層吸收儲(chǔ)存，涂層可更好的維持發(fā)熱體的溫度。因此，磚粉水性涂料涂層發(fā)揮阻隔隔熱效果需要大于7 mm，且厚度增加對(duì)隔熱效果影響顯著。

表3 磚粉涂層厚度對(duì)阻隔隔熱的影響

由于反射型涂料在隔熱過程中不需要提供特別大的熱阻，因此涂裝厚度較薄，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了0.1～1 mm 7個(gè)組別及一個(gè)空白對(duì)照組，磚粉水性涂料反射型隔熱效果如表4所示。實(shí)驗(yàn)各組升溫速率在加熱過程中呈現(xiàn)由小及大，最終變小且溫度保持相對(duì)恒定。紅外輻射前期主要對(duì)空腔體進(jìn)行加熱，而后期則整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置與外界達(dá)到熱平衡，因此這兩個(gè)階段升溫均較慢。在實(shí)驗(yàn)厚度范圍內(nèi)，隔熱效果受涂層厚度影響不明顯，不同厚度組別的溫度變化相似，最大溫差值47.3℃，最小溫差值46.8℃。

表4 磚粉涂層厚度對(duì)反射隔熱的影響

一些研究[15-16]發(fā)現(xiàn)，涂層的熱反射不僅僅發(fā)生在涂層的表面，也發(fā)生在距涂層表面的一定厚度范圍內(nèi)。光線照在涂層表面時(shí)，一部分直接發(fā)生反射，另一部分則在涂層淺表面發(fā)生類似折射的透射作用，淺表面的填料仍會(huì)起到反射作用。當(dāng)涂層較薄時(shí)，光線可以直接透射到基材表面，涂層的隔熱效果減弱，而當(dāng)涂層厚度增加到一定程度之后，光線透射已無法達(dá)到基材，而剛好達(dá)到基材的厚度可視為臨界厚度。但是在本研究的相鄰試驗(yàn)組別中，并未觀察到明顯溫差變化，可能是因?yàn)榕R界涂層厚度較小，或磚粉水性涂料不具有反射隔熱的功能?？偟膩碚f，薄層磚粉水性涂料反射隔熱不足，而厚度相對(duì)于阻隔隔熱又較小，因此整體的保溫隔熱增強(qiáng)效果不明顯。

2.2 顏料體積濃度對(duì)保溫隔熱性能的影響

顏料體積濃度是配方設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的參數(shù)，會(huì)對(duì)涂料的隔熱性能產(chǎn)生潛在影響。表5為磚粉水性涂料的阻隔隔熱效果與顏料體積濃度之間的關(guān)系，試驗(yàn)涂層厚度均為7 mm。溫差隨顏料體積濃度的增加先減小后增加，即隔熱效果先提高后降低。當(dāng)顏料體積濃度=51.1%時(shí)，隔熱效果最好，溫差ΔT5僅為41.1℃，由于磚粉填料的導(dǎo)熱系數(shù)要低于聚合物乳液，因此隨著磚粉含量的增加，涂層的隔熱效果也逐漸升高；當(dāng)顏料體積濃度>51.1%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低的磚粉填料也無法彌補(bǔ)空隙帶來的不利影響，最終顏料體積濃度=67.7%時(shí)，隔熱效果最差，甚至ΔT8>ΔT1，溫差為44.4℃。

表5 顏料體積濃度對(duì)磚粉水性涂料阻隔隔熱的影響

磚粉水性涂料的反射隔熱與顏料體積濃度的關(guān)系如表6所示，試驗(yàn)涂層厚度為0.4 mm。一方面，內(nèi)部空隙相當(dāng)于在涂層內(nèi)部增加靜態(tài)空氣，靜態(tài)空氣可增加涂層整體的熱阻，但當(dāng)顏料體積濃度過高時(shí)，填料顆粒裸露的機(jī)率增加，內(nèi)部空隙易于彼此串通，甚至在涂層中形成不易觀察到的裂紋，隔熱效果反而不增反降。因此，磚粉水性涂料的阻隔隔熱的最佳顏料體積濃度處于47.2%～55.6%之間。

表6 顏料體積濃度對(duì)磚粉水性涂料反射隔熱的影響

2.3 功能填料種類對(duì)保溫隔熱效果的影響

由于磚粉水性涂料本身的隔熱效果并不突出，因此添加功能填料來提升其保溫隔熱性能。圖5為空白對(duì)照、膨脹珍珠巖和海泡石三種水性涂料的涂層厚度與保溫隔熱性能的關(guān)系，其中T30與T60分別指在第30 min和第60 min時(shí)的水溫，試驗(yàn)初始水溫為90℃。從圖5中可觀察到，當(dāng)涂層厚度為3 mm時(shí)，膨脹珍珠巖-磚粉(膨-磚)水性涂料與空白對(duì)照組之間的T30和T60溫差出現(xiàn)明顯差異，分別由2 mm時(shí)的0.2℃和0.3℃增加至0.6℃和0.7℃，當(dāng)涂層厚度為7 mm時(shí)，溫差可達(dá)1.8℃和1.3℃。海泡石-磚粉(海-磚)水性涂料與空白對(duì)照組的溫差值沒有膨-磚水性涂料的大，但也相對(duì)明顯，涂層3 mm時(shí)T30與空白組溫差為0.4℃。因此添加功能填料后，磚粉水性涂料隔熱性能會(huì)顯著提高，涂層相對(duì)較薄時(shí)也可表現(xiàn)出阻隔隔熱的效果。雖然厚涂層的效果更顯著，但綜合考慮試驗(yàn)的涂裝和樣品的制備，最終選擇3 mm為接下來功能填料隔熱性能探究的涂層厚度。

圖5 功能填料-磚粉涂層厚度對(duì)保溫隔熱性能的影響

Fig.5 Effect of the thickness of functional filler-brick powder coating on heat insulation

圖6為添加不同功能填料后，磚粉水性涂料的隔熱情況，初始水溫為90℃。由圖易得，6種功能填料的添加均可改善磚粉水性涂料的隔熱性能。其中，空心玻璃微珠-磚粉(空-磚)水性涂料和粉煤灰漂珠-磚粉(粉-磚)水性涂料的隔熱效果較好，T30溫度分別為66.3℃和65.6℃，膨-磚水性涂料和海-磚水性涂料次之，T30溫度分別為65.2℃和65.0℃，木質(zhì)纖維-磚粉(木-磚)水性涂料和硅酸鋁-磚粉(硅-磚)水性涂料的隔熱效果較差，與空白組的64.2℃相比，兩者T30僅為64.7℃和64.8℃。第60 min后，木-磚、硅-磚和海-磚水性涂料的溫度與空白組溫差為0.3～0.4℃，此時(shí)保溫隔熱效果已經(jīng)不明顯；空-磚、粉-磚和膨-磚水性涂料涂層仍表現(xiàn)出一定的隔熱效果，與空白組T60溫差分別為2.0℃、1.7℃和0.9℃。

圖6 功能填料-磚粉水性涂料隔熱效果

3 結(jié)論

(1)磚粉水性涂料厚涂時(shí)應(yīng)采取多次薄涂的方式進(jìn)行測(cè)試。涂料層大于7 mm時(shí)磚粉水性涂料涂層發(fā)揮阻隔隔熱效果，且厚度增加對(duì)隔熱效果影響顯著。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，反射隔熱效果受涂層厚度影響不明顯。

(2)磚粉填料中添加功能填料有利于提高阻隔隔熱效果，降低隔熱所需涂層厚度，其中空心玻璃微珠和粉煤灰漂珠效果最好，膨脹珍珠巖和海泡石效果次之，而木質(zhì)纖維和硅酸鋁的效果較差，與空白對(duì)照組差異不大。