發布時間：2021-10-08所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：目的針對目前廣泛應用的傳統型保溫隔熱建筑材料存在施工困難、體系過厚以及裝飾性安全性較差等不足，制備了力學性能和裝飾性優異的隔熱節能涂層。方法使用KH560對硅溶膠進行改性，與苯丙乳液進行復合制備隔熱節能涂料的成膜基料，分別加入5%、10%、15%
摘要：目的針對目前廣泛應用的傳統型保溫隔熱建筑材料存在施工困難、體系過厚以及裝飾性安全性較差等不足，制備了力學性能和裝飾性優異的隔熱節能涂層。方法使用KH560對硅溶膠進行改性，與苯丙乳液進行復合制備隔熱節能涂料的成膜基料，分別加入5%、10%、15%、20%的群青、鈷藍顏漿，制備了8種隔熱節能涂層。采用傅里葉紅外變換光譜儀、馬爾文Zeta電位儀、掃描電鏡及熱重分析儀分別對硅溶膠的接枝改性效果、粒徑分布、微觀形貌及熱穩定性進行測試。采用掃描電鏡、X射線衍射儀以及電子探針分別對兩種顏料微觀形貌、晶體特性及元素組成進行分析。采用紫外/可見/近紅外分光光度計測試兩種藍色顏料及節能涂層的太陽光反射比和近紅外反射比。采用紅外熱像儀對涂層試板隔熱性能進行測試。采用多種涂層力學測試工具及掃描電鏡分別對涂層綜合力學性能、微觀形貌進行表征。結果KH560對無機硅溶膠改性效果較好，可以顯著降低硅溶膠的團聚，提升硅溶膠的熱穩定性及其在有機乳液的分散性。群青及鈷藍顏料添加量為5%時，兩種涂層節能隔熱效果達到最優。5%群青涂層太陽光反射比、近紅外反射比分別為0.462、0.533，5%鈷藍涂層分別為0.311、0.522。紅外熱像圖顯示，5%群青涂層及5%鈷藍涂層背面熱平衡溫度分別為68.0℃、65.5℃，較空白板分別降低了4.9℃、7.4℃。5%顏料添加量時兩種涂層均具有優異的力學性能，經鹽溶液浸泡30d后兩種涂層均無明顯微觀及宏觀缺陷，能滿足實際使用需要。結論經隔熱反射性能測試驗證表明，制備的反射型隔熱節能涂層隔熱性能優異，同時兼具較好的力學性能及耐腐蝕性能，符合當下綠色環保的發展理念。
關鍵詞：硅溶膠;硅烷偶聯劑;涂層;隔熱節能;太陽光反射比
太陽熱輻射以及地表交通等人類活動都會加劇城市的熱島效應，促使建筑溫度升高。與室內升溫1℃相比，室內降溫1℃要增加30%的能源消耗，統計表明建筑能耗約占社會總能耗的三分之一[1-2]。目前應用較為廣泛的建筑隔熱節能材料，如聚苯乙烯泡沫板外墻保溫體系、聚氨酯氣霧泡沫技術以及現澆混凝土內置保溫隔熱板等，存在施工工藝繁雜、隔熱體系過厚以及裝飾性耐久性不足等問題，因此研發高性能、裝飾性優良、施工簡便的彩色建筑隔熱節能涂層具有十分重要的意義[3-4]。
Santamouris[5]認為，近紅外反射率較高的涂層可以較大程度反射太陽輻射，可以有效提升建筑的隔熱節能效果;Guo[6]研究表明，反射隔熱涂料對建筑隔熱節能效果影響顯著，使用后夏季室內溫度最大可降低約10℃，室內空間月空調能耗可降低5.8kWh/m2;楊光[7]以苯丙乳液為節能涂層成膜基料，探究了紅外輻射型、近紅外反射型及阻隔型填料對涂層節能性能的影響，結果表明，遠紅外陶瓷粉、空心玻璃微珠、金紅石型納米二氧化鈦最佳添加量分別為25%、9%、9%時，節能涂層隔熱效果最優。以往研究中，節能隔熱涂層均以白色為主。成膜基料要求具有較高的近紅外反射比，以苯丙乳液、氟碳涂料居多，選擇性較少[8]。課題組前研究成果表明，改性硅溶膠—苯丙乳液復合涂層具有較高的近紅外反射比和良好的物理力學性能[9]。本文以改性硅溶膠—苯丙乳液復合涂料為基料，分別以具有較高近紅外反射率的鈷藍及群青顏料為功能性顏填料，制備了性能優異的彩色建筑隔熱節能涂料，測試了涂層的實際隔熱性能并系統闡述了其隔熱節能機理。研究成果可以較好的為兼具裝飾性的彩色建筑節能隔熱涂層的研發提供一定參考價值。
1.試驗概況
1.1實驗原材料
群青5003，粒徑約2.5μm，英國好利得公司;鈷藍B2805，粒徑約4μm，湖南巨發科技公司;硅溶膠JN-30，固含量30%，pH值約為9，德州市晶火技術玻璃公司;硅烷偶聯劑KH560，即γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷,分析純，南京創世化工助劑有限公司生產;苯丙乳液，固含量40%，鄭州高士麗涂料公司;十二碳醇酯成膜助劑C12H25O3，濮陽宏業高新科技發展公司;多功能助劑CS-555，南京創世化工助劑公司;分散劑BYK-163,德國畢克化學品公司;有機硅消泡劑，重慶名宏化工公司;HCl,分析純，密度1.18g/ml，雄大化工有限公司;Na2SO4粉末，工業級，九重化工有限公司;馬口鐵試板及纖維增強水泥試板，規格分別為50mm×120mm×0.3mm、50mm×120mm×4mm，北京申克建儀儀器公司。去離子水為實驗室自制。
1.2節能隔熱涂層的制備
改性硅溶膠的制備[10]：硅溶膠中納米SiO2表面官能團單一，具有大量親水性羥基，容易造成團聚，且作為無機物與有機乳液相容性較差，所以需要對硅溶膠表面進行改性，提升硅溶膠在有機乳液中的分散性[11]。將質量比為1：1的無水乙醇與去離子水混合液注入三口燒瓶，然后緩慢滴入與混合液同等質量的硅溶膠,超聲分散0.5h。將燒瓶在60℃的水浴箱中加熱并電磁攪拌，緩慢滴入硅溶膠質量12.5%的KH560。插入冷凝管、溫度傳感裝置后恒溫水浴加熱5h，即得到改性硅溶膠，合成路線如下：
色漿的制備：將顏料制備成色漿能有效避免顏料團聚所造成的分散性問題。將質量比為1:1的去離子水與顏料混合，充分攪拌后加入約為混合料質量1%的分散劑，在三輥研磨機中研磨約10min后過5μm篩。
涂料的制備：在水浴加熱條件下，向苯丙乳液中加入質量為其25%的改性硅溶膠，攪拌均勻后，即得到節能隔熱涂料基料。依次向四份基料中加入質量占比為5%、10%、15%、20%的色漿，適量的成膜助劑、消泡劑及多功能助劑，攪拌均勻后即得到節能隔熱涂料。
涂層制備：噴槍噴涂壓力為0.3MPa，涂料噴涂量為0.6kg/m2，距離馬口鐵、纖維增強水泥板30cm進行噴涂，干燥后室溫養護一周。馬口鐵板涂層用于測量反射特性、力學性能及耐腐蝕性，纖維增強水泥板用于測試涂層隔熱性能。
1.3涂層隔熱節能測試裝置的設計
參照標準JG/T235-2008,涂層隔熱節能裝置設計示意圖如圖1所示。采用E27型紅外燈模擬太陽光源。實驗過程中每5min讀一次溫度傳感器的溫度讀數，試驗試件為30min(此時已達到平衡溫度)。然后關閉燈源，等裝置冷卻后，交換試板，再開始重新依照上述方法進行試驗，以排除涂層試板位置對實驗的影響。兩次測量平衡溫度溫差須在1℃以內。
1.4性能測試與表征
1.4.1硅溶膠接枝改性效果表征
采用美國生產的Nicolet-6700型傅里葉紅外光譜儀測定KH560以及改性前后硅溶膠樣品FT-IR光譜。掃描范圍為400~4000cm−1，掃描次數為32次，分辨率為4cm−1;采用英國ZETASIZERnano-ZS90型Zeta電位儀測定改性前后硅溶膠的粒徑分布;采用日本日立S3700N型掃描電子顯微鏡觀察硅溶膠改性前后微觀形貌;采用SDTQ600型熱重分析儀測定改性前后硅溶膠樣品的熱重曲線，其中升溫速率為20℃/min,采用氮氣氛圍，氮氣速率為50mL/min。
1.4.2顏料組成及性能表征
采用日本日立S-3700N型掃描電子顯微鏡觀察群青及鈷藍顏料的微觀形貌;采用電子探針以及能譜儀分析顏料的元素組成以及相對含量;采用帶積分球的Cary-5000型紫外/可見/近紅外分光光度計測試顏料的太陽光反射比及近紅外反射比。
1.4.3涂層反射特性及隔熱性能表征
采用帶積分球的Cary-5000型紫外/可見/近紅外分光光度計測試涂層的太陽光反射比及近紅外反射比;采用中科紅外測溫儀測試試板背面測試點溫度，達到平衡溫度后采用紅外熱像儀測定并分析試板的紅外熱像圖。
1.4.4涂層綜合力學性能測試
根據GB/T9286-1998測試涂層附著力等級;參照GB/T6739-2006測試涂層硬度;參照GB/T1732-1993測試涂層耐沖擊性;根據GB/T1733-1993測試涂層耐溶液腐蝕性，浸泡液為pH約為6、濃度為20%的硫酸鈉溶液,浸泡30d結束后將涂層用液氮脆斷，采用SEM觀察涂層微觀形貌。
2.結果與討論
2.1硅溶膠接枝改性效果分析
2.1.1FT-IR分析
圖2為使用KH560改性前后硅溶膠的紅外譜圖。470cm−1、795cm−1和1110cm−1處分別為Si—O—Si鍵的彎曲振動、對稱伸縮與反對稱伸縮[12]。950cm−1、2875cm−1、2938cm−1處分別為環氧基C—O—C、—CH3、—CH2吸收峰。3435cm−1處為硅溶膠表面—OH伸縮振動吸收峰。使用KH560改性后，硅溶膠796cm−1和1111cm−1處Si—O—Si吸收峰增強，3435cm−1處硅羥基吸收峰減弱，并在950cm−1、2875cm−1和2938cm−1處產生新的—CH2、C—O—C、—CH3吸收峰，這表明KH560已經和硅溶膠表面的羥基反應，成功對硅溶膠進行了接枝改性。
2.1.2改性前后硅溶膠粒徑及微觀形貌分析
由圖3可知，改性前硅溶膠平均粒徑為987.3nm,分布較寬且不均勻，說明此時硅溶膠存在較大程度的團聚。改性后，硅溶膠的平均粒徑為127.8nm,粒徑減小顯著且粒徑分布均勻。這是因為KH560水解出硅醇基與硅溶膠中納米SiO2表面的—OH縮合形成Si—O—Si鍵，促使KH560接枝到硅溶膠中納米SiO2表面后，硅烷分子鏈段相互交織，產生空間位阻，能有效提升硅溶膠的分散性，阻止硅溶膠的團聚[13-14]。硅溶膠改性前后微觀形貌圖分別如圖4a、b所示。可以看出，改性前硅溶膠粒子間相互聯結，有明顯的團聚現象，改性后硅溶膠粒子間輪廓明顯而清晰，分散性較好。這表明KH560對硅溶膠改性后確實提升了硅溶膠的分散性，且實際效果較好。
2.1.3TG分析
建筑節能涂層在太陽光和熱環境下長期服役，就要求復合涂層中硅溶膠具有較好的熱穩定性。圖5為改性前后硅溶膠的熱重曲線，可以觀察到改性前后硅溶膠的失重分為三個階段。圖5a、b中階段Ⅰ為硅溶膠粉體中殘留的自由水及溶劑蒸發造成的吸熱失重，階段Ⅱ為Si—OH之間的脫水縮聚形成的吸熱失重[16]。硅溶膠的分解溫度一般認為是開始失去結合水時的溫度[10]。對比圖5a、b中階段Ⅱ熱失重開始溫度可知，改性后硅溶膠的初始分解溫度約為210℃，比改性前的80℃高130℃左右，這表明硅溶膠經過KH560改性后熱穩定性顯著提高。這是因為KH560與硅溶膠中SiO2反應形成鍵能較高的Si—O—Si共價鍵，引入有機官能團后增加了SiO2表面官能團，提升了硅溶膠的ξ電位及空間靜電排斥力，從而增加了硅溶膠的表面活化能，促使硅溶膠具有較好的熱穩定性[17-18]。
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未改性硅溶膠階段Ⅲ階段為殘余的Si—OH的縮聚熱解失重[19-20]，改性后硅溶膠階段Ⅲ熱重損失為9.4%，較未改性硅溶膠高7.22%。這是改性硅溶膠表面亞甲基、甲基及環氧基團等有機基團分解造成的，這再次表明KH560有機鏈段成功接枝到硅溶膠粒子表面[21]。
2.2顏料組成及性能分析
2.2.1顏料微觀形貌及元素組成分析
群青及鈷藍的SEM圖和XRD譜圖如圖6所示，其電子探針定量成分檢測見表1。由圖6a、c可知兩種藍顏料均為粉末狀顆粒，粒徑為微米級。SEM圖中鈷藍及群青顆粒輪廓均較為明顯，顆粒之間界限清晰，分散性較好，團聚程度較低。
2.2.2顏料反色特性分析
圖7為群青及鈷藍顏料的反射比曲線，可以觀察到群青及鈷藍在442m波長處存在藍色光的強反射峰。兩種藍顏料在584nm波長處存在強吸收峰，說明這兩種顏料對黃色光存在較強吸收，有研究指出這是因為藍顏料在可見光波段吸收較多深藍色光導致的[21]。鈷藍在1300~1500nm存在較大波段的強吸收，這是鈷藍中Co2+的強吸收帶所造成的[23]。由反射比曲線圖可知，群青太陽光反射比和近紅外反射比分別為0.567、0.649，分別比鈷藍高8.86%、35.2%。如圖8所示，這是因為鈷藍晶體尺寸相對較小，入射光就容易在晶體間多重散射,導致吸收強度增加[24-25]。同時，群青雜質及晶體缺陷相對較少也可能是其中原因之一。
2.3涂層反射特性及隔熱性能分析
2.3.1涂層反射特性分析
太陽光波段的分區、各區波段范圍及能量占比如圖9所示。太陽光波段(簡稱TSR，下同)可分為紫外區(UV)、可見光區(VIS)以及紅外區(IR)，在太陽光能量中占比依次為5%、45%及50%[26]。太陽光在節能涂層表面存在三種路徑形式：光反射、光透射和光吸收。——論文作者：余茂林1，孫皓1，楊雨浛1，鄧安仲1，羅盛1，袁旺2
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