薄層隔熱涂料的制備及其性能研究

1、薄層隔熱涂料的制備及其性能研究王瑾璐，蔡會(huì)武，江照洋，李建濤 (西安科技大學(xué)化工系，西安710054)摘要：以苯丙乳液為基料，用正交實(shí)驗(yàn)法對顏填料進(jìn)行了優(yōu)化，制備出一種由多種隔熱機(jī)理同時(shí)起作用的復(fù)合型隔熱涂料，探討了顏填料的配比對隔熱涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響關(guān)系，測試了產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)、粘結(jié)強(qiáng)度、附著力、耐酸堿性等性能，并比較了經(jīng)高溫處理前后涂料粘結(jié)強(qiáng)度的變化。關(guān)鍵詞：隔熱涂料；導(dǎo)熱系數(shù)；正交實(shí)驗(yàn)0.引言傳統(tǒng)的保溫隔熱材料是以提高氣相空隙率，降低導(dǎo)熱系數(shù)和傳導(dǎo)系數(shù)為主。纖維類保溫材料在使用環(huán)境中為了使對流傳熱和輻射傳熱升高，必須要有較厚的覆 層1；而型材類無機(jī)保溫材料要進(jìn)行拼裝施工，存在接縫多、防水性

2、差、使用壽命短等缺陷。為此，人們一直在尋求與研究一種能大大提高保溫隔熱性能的新型 薄層隔熱材料2-5。本實(shí)驗(yàn)擬從阻隔型保溫涂料與輻射型保溫涂料存在的不足入手，以苯丙乳液為基料，通過在以硅酸鋁纖維6為骨料的阻隔型隔熱涂料 中加入低導(dǎo)熱系數(shù)的膨脹珍珠巖和海泡石來提高涂料的隔熱性能，同時(shí)加入吸收紫外線能力較強(qiáng)的二氧化鈦和具有極高熱反射率和發(fā)射率的空心玻珠7-8，期 望得到一種由多種隔熱機(jī)理同時(shí)起作用的復(fù)合型薄層隔熱涂料9-11。1.實(shí)驗(yàn)部分1.1實(shí)驗(yàn)材料苯丙乳液：上海通洋化工有限公司；空心玻璃珠：四川天行健微珠納米材料有限公司；二氧化鈦：天津市河北區(qū)海晶精細(xì)化工廠；海泡石：西安興隆石棉制品廠；膨脹珍

3、珠巖：西安興隆石棉制品廠；硅酸鋁纖維：西安振華保溫材料廠；成膜助劑：美國伊士曼化學(xué)公司；分散劑5040；潤濕劑EC-4500；消泡劑KX2000；增稠劑ASE-60。1.2配方的設(shè)計(jì)為了有效減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，采用L16(54)正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)中不考慮各因素間的交互影響，因素-水平的設(shè)置見表1。1.3制備方法先將水、潤濕劑、分散劑、增稠劑、消泡劑混合在一起，攪拌使之均勻。然后按正交計(jì)劃表加入空心玻璃珠、二氧化鈦、海泡石粉、硅酸鋁纖維、膨脹珍珠巖 等填料和成膜助劑，高速攪拌，得到均勻料漿。再將乳液、剩余消泡劑加入混合料漿中，低速攪拌均勻后，氨水調(diào)pH值89即得產(chǎn)品。1.4測試方法將產(chǎn)品

4、倒于?？蛑懈稍铮瞥梢欢ㄒ?guī)格(200mm×200mm×15mm)的試件，用DRM-1型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀(湖南湘潭儀器儀表廠)測定其導(dǎo)熱系數(shù)。表1五因素四水平取用數(shù)據(jù)表 將試樣涂抹于除銹后的兩鐵片(3cm×10cm)間，涂抹面積為3cm×3cm，干燥后用KD-50型電子控制萬能試驗(yàn)機(jī)測試產(chǎn)品的剪切粘結(jié)強(qiáng)度： 剪切粘結(jié)強(qiáng)度=最大力F/接觸面積S，單位：kPa，精確至1kPa。高溫后剪切粘結(jié)強(qiáng)度檢測：將上述已制備的試件放入(150±5)烘箱中，恒溫 6h，取出放入干燥器中，冷卻至室溫，按上述剪切粘結(jié)強(qiáng)度的檢測方法分別檢測。2.結(jié)果與討論2.1正交實(shí)驗(yàn)結(jié)

5、果分析按照表1的五因素四水平即L16(54)正交設(shè)計(jì)表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共制備16組產(chǎn)品，現(xiàn)將各組產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果整理成表2，并進(jìn)行極差分析，將數(shù)據(jù)整理成表3。表2正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表3正交結(jié)果級(jí)差分析表 通過表3對正交結(jié)果進(jìn)行極差分析可知，各顏填料對導(dǎo)熱系數(shù)的影響權(quán)重從大到小依次為ECABD。因素E最重要，因素C次之，因素B、D對反 射率影響不大。根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合正交表中的16個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：第7組正交實(shí)驗(yàn)A2B3C4D1E2導(dǎo)熱系數(shù)為0.0462W/(m·K)，因此，可以作為 實(shí)際實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)搭配方案，即空心玻璃珠12g，海泡石9g，膨脹珍珠巖3g，二氧化鈦12g，硅酸鋁纖維7g(填料、乳

6、液、水和助劑總質(zhì)量為100g情況 下)。2.2硅酸鋁纖維的用量對涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響研究在空心玻璃珠12g，海泡石9g，膨脹珍珠巖3g，二氧化鈦12g，其他乳液、助劑、水的用量不變的條件下，僅改變硅酸鋁纖維的用量，考察其用量變化對涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果如圖1所示。圖1硅酸鋁纖維用量對隔熱涂料導(dǎo)熱系數(shù)的影響 由圖1可以看出，隨著硅酸鋁纖維的用量增加，導(dǎo)熱系數(shù)減小，當(dāng)硅酸鋁纖維用量為7g時(shí)，涂料的導(dǎo)熱系數(shù)最小，但隨著硅酸鋁纖維用量的繼續(xù)增加，導(dǎo)熱 系數(shù)變化基本不明顯。這可能是隨著硅酸鋁纖維隔熱骨料用量的增加達(dá)到一定用量后，硅酸鋁纖維起到的隔熱作用便到達(dá)某一極限，若要繼續(xù)提高其隔熱能力，應(yīng)通 過改變

7、其他條件來起作用。綜合經(jīng)濟(jì)成本角度和隔熱效果兩方面考慮，在填料、乳液、水和助劑總質(zhì)量為100g情況下，硅酸鋁纖維用量為7g時(shí)最為適宜。2.3剪切粘結(jié)強(qiáng)度及高溫后粘結(jié)強(qiáng)度的測試結(jié)果分析將未經(jīng)處理和經(jīng)過熱處理后樣品的剪切粘結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)對比整理成圖2。由圖2可以看出，經(jīng)過高溫?zé)崽幚淼臉悠?，其剪切粘結(jié)強(qiáng)度與常溫下的試樣比有很大提 高，這是由于粘結(jié)層結(jié)構(gòu)變化引起的。由于加熱過程使涂層微孔中的氣體逸出，形成一定的負(fù)壓，且聚合物乳液形成的涂膜經(jīng)過高溫后固化，從而加強(qiáng)了涂層的粘結(jié) 強(qiáng)度。同時(shí)也說明該隔熱涂料在熱環(huán)境下除具有低導(dǎo)熱性能外，其粘結(jié)強(qiáng)度不僅沒有下降反而會(huì)有明顯提高，即在應(yīng)用過程中，該隔熱涂料在起到良好

8、隔熱效果的同 時(shí)也仍然具有優(yōu)異的粘結(jié)強(qiáng)度和附著力。圖2未處理高溫處理前后粘結(jié)強(qiáng)度的測試結(jié)果對比圖 2.4涂料的其他性能測試結(jié)果按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對涂料的其他性能進(jìn)行了測試，結(jié)果經(jīng)整理統(tǒng)一列入表4。表4隔熱涂料的其他性能測試結(jié)果 對比相關(guān)國標(biāo)可知，所制得產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)行業(yè)的國家標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用在眾多領(lǐng)域。3.結(jié)語(1)顏填料和隔熱骨料中對隔熱涂料導(dǎo)熱系數(shù)影響權(quán)重最大的是硅酸鋁纖維，其次是膨脹珍珠巖。(2)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的顏填料最優(yōu)配比方案為：在填 料、乳液、水和助劑總質(zhì)量為100g情況下，空心玻璃珠12g，海泡石9g，膨脹珍珠巖3g，二氧化鈦12g，硅酸鋁纖維7g。(3)產(chǎn)品的平均導(dǎo)熱系數(shù)