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太阳热反射涂料的研制,根据涂料反射太阳热的原理, 以丙烯酸树脂为基料,360资讯网,ChinaNews360.com
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太阳热反射涂料的研制,根据涂料反射太阳热的原理, 以丙烯酸树脂为基料
2020年02月21日    阅读量:31132    新闻来源:360资讯网 ChinaNews360.com  |  投稿

太阳能是人类生存和生活的必备条件,但强烈的辐射也给人类的生活带来一些不便。比如夏季阳光照射在金属板上,其表面温度可达70~80℃,如此势必会带来诸多不便并造成物资损失。


20 世纪90 年代,美国国家航天局的科技人员开发了一种价格昂贵的太空绝热瓷层,国内也有学者借鉴前者技术思路开发了太阳热反射涂料,但价格仍然偏高,应用不广泛,所以在保持涂料隔热性能的基础上降低其成本是隔热材料的研究方向之一涂料在线coatingol.com


此外,户外用涂料的使用环境相对恶劣,因此对涂料的综合物化性能也有更高的要求。研究高耐候性的太阳热反射涂料,有效提高涂层的隔热性能和基材的使用寿命,降低被覆空间温度,可以减少物资不必要的损耗,节约大量制冷用能量,具有重要的经济意义与社会效益。

 

1 实验

1.1 实验材料

实验所用的材料分为基料、颜填料、功能性材料、助剂等4 部分。

1) 基料:965 丙烯酸树脂,N 75 固化剂。

2) 填料:玻璃微珠,二氧化钛,云母粉、氧化锌、立德粉、硫酸钡。

3) 助剂:分散润湿剂、消泡剂、流平剂等。

1.2 涂料的制备工艺

先用溶剂充分润湿颜料后,加入相应量树脂研磨适当时间,让颜料与树脂充分混合均匀,然后在低速搅拌下加入预先用硅烷偶联剂处理过的空心玻璃微珠(防止破坏微珠的空心结构),再加入适量的消泡剂、流平剂等助剂。

1.3 试验装置与测试方法

目前我国还没有制定测定隔热涂料对太阳光的反射能力的标准,一般都是参考美国军标中规定的方法进行测试。笔者也在此基础上制作了简易的太阳热反射测试装置( 如图1 所示)。试验用试板为市售钢板,经剪切、刨、磨制成试样,规格为150 m m ×70m m ×1.5 m m 。

太阳热反射测试装置

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试验的步骤如下。

1) 将刷涂了黑磁漆的试板放在聚苯乙烯泡沫板上,刷漆面朝上,置于碘钨灯的正下方;

2) 调节调压器和灯与试板间距,使黑漆试板在30m in 内达到平衡温度( 87.8±0.3℃);随即用待测的涂料试板撤换黑漆板,并记录反射漆板平衡时的温度。再对比在相同室温下其他涂料试板的测量温度值来考察涂料的隔热性能。

 

2 结果与讨论

2.1 成膜基料的选择

颜料对可见光和近红外辐射的散射能力取决于颜料和树脂的折光系数的差异。有机树脂的折光系数一般都在1.45~1.5 之间,相差不大,因此作为成膜物质的树脂的种类对太阳光的反射效果影响不大,可选择透明度高,对可见光和近红外吸收小的合成树脂 为基料。同时考虑到户外用涂料需要有较好的耐候性,经试验确定采用羟基丙烯酸树脂和固化剂,利用其可在室温下自交联的特性形成涂膜。

2.2 颜填料对隔热性能的影响

2.2.1 颜填料的折光系数对隔热性能的影响

隔热涂料要求颜填料粒子对可见光和近红外光的吸收越小越好,同时对其散射率越大越好,那么就应该选用折光系数尽量高的白色颜料。按相同的基础配方配比不同的白色颜料,进行了隔热性能对比,结果见表1。

不同白色颜料对涂膜相对平衡温度的影响

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由表1 可见,白色颜料的折射率越高,涂膜的反射率也越高,在相同的室温和光照下,试板的背面平衡温度越低。金红石型钛白粉折射率高,对可见光有强烈的反射,所以隔热效果最好。


2.2.2 颜填料粒径对隔热性能的影响

颜料选定后,颜料的粒径对涂层的热反射性起关键作用。颜料的最佳粒径d 和辐射波长λ 的关系如下:

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式中:nP 为颜料的折光系数;nR 为树脂的折光系数;

m为散射比;k 是由m和nR 决定的常量。

根据上述公式,可以通过计算得知粒径为0.2μm 的二氧化钛能有效地反射最大波长为0.4μm 的太阳光辐射。如果要有效反射最大波长为2.5μm 附近的太阳光辐射,就需要粒径约为1.1μm 的二氧化钛。


2.2.3 钛白粉与体质颜料配比的确定

由于钛白粉市售价格较高,而云母粉价格相对较低,且云母粉系层状硅酸盐单斜晶系晶体,物化性能稳定,能反射光和热,以其作体质颜料,取代部分钛白粉用于涂料中,制成钛白粉占颜料总量分别为100% 、67% 、50% 、33% 的涂料的隔热性能见表2。

钛白粉含量对涂膜相对平衡温度的影响


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由表2 可见,涂料的热反射性能随着折光率较低的云母粉的掺加比例增加而有下降趋势。由于片状的云母在涂膜中呈现平整交错的层状排列,且云母本身有较大的厚径比,可形成热传递的“ 迷宫效应”,加上钛白粉对光的反射,所以采用掺加67% 云母量的配比制得的涂料的反射效果仍优于其它白色颜料制成的涂料。以这样的配比制得的涂料,在没有明显降低涂膜热反射性能的前提下,显著地降低了涂料的成本。


2.2.4 填料的选择

功能填料的选用也是直接影响外用隔热涂料隔热性能的重要因素。为使涂料具有优异的隔热保温性能,必须选择质轻、导热系数低、球型率 高、物化性能稳定的空心材料。常规意义上的空心玻璃微珠无疑是最佳选择。涂料干燥以后,空心玻璃微珠在其中紧密排列,可以有效降低辐射传热和对流传热,从而达到降低物体表面的热平衡温度。球型填料具有比表面小、吸油量低的特点,可降低基料的用量,改善涂料的流平性和平滑性。


2.3 涂层厚度对隔热性能的影响

为使涂料达到理想的隔热保温效果,涂膜一般要达到一定的厚度,文中研究的涂层厚度检测见表3。

涂层厚度对涂膜相对平衡温度的影响

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根据以上对多个涂料样品的检测发现,当涂层达到一定厚度后,反射性能就不再变化,这是因为物体对光的反射仅在表面很薄的一层进行。


2.4 颜基比P 值与涂料综合性能的关系

在涂料配方设计中,最重要的因素之一就是选择基料与颜料间的比例关系。在低PV C 涂料中,颜料粒子分散在基料聚合物的连续相里。随着颜、填料的增加,PV C 超过一定极限时,基料聚合物就不能将颜料和填料粒子之间的空隙完全充满, 基料被空气所取代,因而涂膜的物性以该极限值为界限,表现出不同的性质,此时的PV C 称为CPV C。高性能或外用涂料配方的PV C 一般不应超过CPV C, 否则涂膜许多物性将受到不利影响。PV C 和涂膜性能的关系如图2 所示[5]。

P 值与涂料综合性能

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实验证明,当PV C 值在47% 时,漆膜呈现菲涅耳反射,大大提高了涂膜对太阳光的反射比。


2.5 涂料的隔热性能

将试验研制的外用隔热涂料与铝粉漆、市售的优质外墙隔热涂料、纯树脂涂料的试件进行了隔热性能的对比试验,结果见表4。

涂层种类对涂膜相对平衡温度的影响

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为模拟在太阳光照射下的隔热效果,制作了2个空腔尺寸为长×宽×高=250 m m ×250 m m ×300 m m 的密闭箱,箱子的5 个面由中间有60 m m厚的聚苯乙烯夹层的木板构成,上盖用2 层聚苯乙烯,中间夹200 m m ×250 m m 的试板。将涂刷了适当厚度涂料的试板与刷涂普通涂料的试板进行对比,测试在太阳照射下试板内表面及箱内空气的温度,结果见图3。

隔热效果对比

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由图3 可见,涂有隔热涂料试板的内表面温度比普通涂层试板的内表面温度低了27℃,箱内空气温度降低了8℃,表明试验研制的涂料隔热效果明显。

2.6 研制涂料的耐腐蚀性能检测

1) 机械性能测试。用划格法检测涂层的附着力,结果为一级。并用细纱布蘸水用力摩擦涂层,看其变化,未见明显擦痕;

2) 耐水性测试。把样板放在( 35±1)℃水中浸泡48h 加速检测,观察涂层的变化,发现涂层表面完整,无起泡、生锈现象;

3) 耐盐性测试。配制N aCl溶液(N aCl:3.5% ),把样板浸入其中48(h 35±1℃),观察涂层的变化,发现涂层表面完整,无起泡、生锈现象;

4) 耐碱性测试。配制N aO H 溶液(N aO H :0.5% ),把样板浸入其中48(h 35±1℃),观察涂层的变化,发现涂层表面完整,无起泡、生锈现象。

 

3 结论

用云母替代部分折射率高的钛白粉颜料所制备的涂料,具有优良的隔热性能,且产品成本较低。另外,涂料干燥后,中空微珠紧密排列,形成空心隔离层,使涂层具有优异的消音效果,使被覆空间安静舒适。


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