面漆对镍钛黄建筑节能涂层性能的影响

2017-10-11杨光邓安仲

电镀与涂饰 2017年18期

关键词：硅溶胶苯丙面漆

杨光，邓安仲*

（中国人民解放军陆军勤务学院，重庆 401331）

面漆对镍钛黄建筑节能涂层性能的影响

杨光，邓安仲*

（中国人民解放军陆军勤务学院，重庆 401331）

将镍钛黄颜料与苯丙乳液混合制备了建筑节能涂层，并涂覆上硅溶胶和苯丙乳液制备的面漆。采用紫外/可见/近红外分光光度计、接触角测量仪、红外辐射率测量仪、精密色差仪和氙灯老化箱探究了不同硅溶胶添加量所制面漆对建筑节能涂层性能的影响。结果表明，涂覆面漆不会改变建筑节能涂层的外观，而且硅溶胶与苯丙乳液比例适当的面漆有助于提高其性能。当硅溶胶与苯丙乳液的质量比为2∶1时，涂层体系的太阳光反射比、水接触角、附着力、铅笔硬度、柔韧性和冲击强度分别为0.7845、120.3°、6.54 MPa、3H、4 mm和65 kg·cm，耐沾污性、耐老化性和耐水性明显提高。

建筑节能涂层；面漆；太阳光反射比；水接触角；耐老化性

Abstract:An energy-efficient architectural coating was prepared by mixing styrene–acrylic emulsion with nickel titanium yellow as pigment, and then covered with a topcoat, which was prepared from silica sol and styrene–acrylic emulsion.The effects of the topcoats containing different amounts of silica sol on properties of the energy-efficient architectural coating were studied by ultraviolet/visible/near infrared spectrophotometer, contact angle meter, infrared radiometer, precision colorimeter and xenon arc lamp weatherometer.The results showed that the topcoat doesn’t change the appearance of the energy-efficient architectural coating, but helps to improve its performance when the silica sol and styrene–acrylic emulsion are mixed with a suitable proportion.The coating system with a topcoat prepared with silica sol and styrene–acrylic emulsion at a mass ratio of 2:1 features a total solar reflectance of 0.7845, water contact angle of 120.3°, adhesion strength of 6.54 MPa,pencil hardness of 3H, flexibility of 4 mm, impact resistance of 65 kg·cm, as well as enhanced resistance to stain, aging and water.

Keywords:energy-efficient architectural coating; topcoat; solar reflectance; water contact angle; aging resistance

First-author’s address:Army Logistics University of PLA, Chongqing 401331, China

建筑节能涂料主要应用在建筑外墙、屋顶等部位，它能够被动地减少外部热量向建筑内部传导，从而降低室内温度，达到降低能耗的目的[1-2]。为增强建筑节能涂层的反射、隔热等性能，研究人员做了大量试验。冯梦萍[3]通过分析太阳辐射模型和建筑外表面热作用，阐述了建筑用反射隔热涂料的隔热机理，为评估涂刷此类涂层的建筑的节能效果提供了一定的理论支持。沈航[4]通过使用特殊颜填料以及设计涂层结构来改进多彩仿石涂料体系，使其具有一定的反射隔热性能，拓宽了水性多彩涂料的应用范围，并探究了基材处理、底涂、色点、颜料等因素对涂层性能的影响。

建筑节能涂料的大规模应用受到涂层的耐沾污性和耐老化性的制约。涂层被污染或老化后，会发生粉化、脱落、色变、反射比严重下降等各种问题，极大地影响了其隔热性、装饰性及使用性。涂层的节能隔热效果受材料本身和涂层结构的影响，但目前关于面漆对涂层性能影响的报道较少。本文以镍钛黄建筑节能涂层[5]为例，在其上涂覆面漆，以期改善其耐水性、耐老化性和耐沾污性。

1 实验

1.1 原料

苯丙乳液503(固含量48%)，广州特润得化工有限公司；硅溶胶JN-30(固含量30%，平均粒径5 ～ 25 nm)，青岛海洋化工有限公司；镍钛黄B5302(平均粒径2.5 μm)，湖南巨发科技有限公司；成膜助剂Texanol，美国伊士曼；分散剂BYK-163，德国毕克；消泡剂L-1311，美国亚什兰；增稠剂SN-162，日本诺普科。以上试剂均为工业级。去离子水，自制；铝合金板，市售。

1.2 建筑节能涂料的制备

将苯丙乳液用其5倍质量的水稀释，后续使用的均为稀释后的乳液。向50 g苯丙乳液中加入5 g镍钛黄、1 g分散剂、2 g增稠剂、2 g成膜助剂和少量消泡剂，混合均匀后过滤出料。

1.3 面漆的制备

分别按质量比0∶1、1∶2、1∶1和2∶1配制硅溶胶/苯丙复合乳液，向其中加入适量成膜助剂和消泡剂，搅拌均匀即可，分别记为A、B、C和D。

1.4 涂层的制备

在干净的铝合金板表面刷涂建筑节能涂料，待其表干后再刷涂面漆，然后在标准养护条件[温度(23 ± 2) °C，相对湿度50% ± 5%]下放置168 h，控制建筑节能涂层和面漆的干膜厚度分别约为150 μm和40 μm。

1.5 表征与性能测试

采用澳大利亚安捷伦的Cary-5000型紫外/可见/近红外分光光度计测量样品的太阳光(400 ～ 2500 nm)和近红外(780 ～ 2500 nm)波段的反射比ρ(λ)。采用上海汉谱光电科技有限公司的HP-200精密色差仪测量涂层的明度L*、红绿性质a*和黄蓝性质b*。参照JG/T 235–2014《建筑反射隔热涂料》测试涂层的太阳光反射比 TSR、近红外反射比 NIR、污染后和人工气候老化后涂层的太阳光反射比变化率(分别为ΔTSRw和ΔTSRL)以及色差ΔE*，。采用上海中晨数字技术设备有限公司的JC2000C1型静态接触角测量仪测量涂层的水接触角。参照ASTM D4541–09 Standard Test Method for Pull-off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers，采用美国Defelsko公司的Positest AT-A型拉拔式全自动附着力检测仪测试涂层的附着力。按GB/T 9780–2013《建筑涂料涂层耐沾污性试验方法》中的A法对涂层进行5次污染处理以考察其耐沾污性。涂层人工气候老化按GB/T 1865–2009《色漆和清漆人工气候老化和人工辐射曝露滤过的氙弧辐射》进行氙灯照射处理。分别按GB/T 1733–1993《漆膜耐水性测定法》(甲法)、GB/T 1731–1993《漆膜柔韧性测定法》、GB/T 1732–1993《漆膜耐冲击测定法》和GB/T 6739–2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》测试涂层的耐水性、柔韧性、冲击强度和铅笔硬度。

2 结果与讨论

2.1 面漆对建筑节能涂层反射性能的影响

图1 涂覆不同面漆的建筑节能涂层的反射性能Figure 1 Reflection performance of the energy-efficient architectural coating with different topcoats

图1为覆盖以不同硅溶胶/苯丙乳液质量比的复合乳液为基料的面漆后，建筑节能涂层的反射光谱。有面漆的涂层在可见光波段的反射比曲线并没有明显变化，这是由于面漆为无色透明的薄膜，虽其组分配比不同，但未改变涂层的外观，涂层仍旧呈现淡黄色。面漆对涂层反射比的影响主要体现在近红外波段，这是因为面漆中硅溶胶的添加量不同，使得纳米二氧化硅含量也不同，所以面漆对近红外光的反射强弱也不同。随着硅溶胶用量增多，涂层的太阳光和近红外反射比均呈现先减小后增大的趋势。这是因为，向苯丙乳液中添加少量硅溶胶，固化后涂层的明度会由于纳米二氧化硅对光线的散射而略微降低，但继续增加硅溶胶添加量会增强纳米二氧化硅对光线的反射，所以反射比先减后增。图2显示了涂覆不同面漆后涂层的反射太阳能量辐射曲线。可见使用面漆基本未对涂层反射太阳能量辐射性能产生影响，进一步证实面漆的使用并未降低涂层的反射性能。当面漆中硅溶胶和苯丙乳液的质量比为2∶1时，涂层的反射比与未使用面漆的涂层基本一致，可认为此时涂层的反射性能保持最好。

图2 涂覆不同面漆的建筑节能涂层的反射太阳能量辐射曲线Figure 2 Solar radiation reflection curves for the energy-efficient architectural coating with different topcoats

2.2 面漆对建筑节能涂层老化前后性能的影响

使用不同面漆的建筑节能涂层在氙灯老化前后的性能如表1所示。在涂层老化处理前，随着面漆中硅溶胶含量增多，涂层的明度增加，这是由于硅溶胶中的纳米二氧化硅具有一定的反射可见光的能力。老化处理后，涂层的太阳光反射比均存在不同程度的降低，但使用面漆的涂层的下降幅度较小，且随着硅溶胶用量增大，涂层的太阳光反射比变化率越来越小。这是因为面漆对建筑节能涂层而言相当于一种“保护层”，被氙灯照射后，面漆中的苯丙有机高分子聚合物开始逐渐降解，涂层表面出现一定的缺陷，增加了对光线的无效散射，所以太阳光反射比下降。但纳米二氧化硅并不会因为氙灯照射而发生较大改变，所以硅溶胶用量越多，涂层太阳光反射比下降越小。当ΔE*＜0.5时，视觉感为痕迹；ΔE* = 0.5 ～ 1.5时，视觉感为轻微；ΔE* = 1.5 ～ 3.0 时，视觉感为可察觉；ΔE* = 3.0 ～ 6.0 时，视觉感为可识别；ΔE* = 6.0 ～ 12.0时，视觉感明显。无面漆的涂层老化后，色差为可识别。这是由于建筑节能涂层在氙灯照射一段时间后，所含有机高分子中的分子链氧化、分解，产生一些发色基团，致使涂层色变。使用面漆后，涂层老化后的色差减小。此外，涂层老化后的明度会略微增加，这是因为老化使涂层表面的苯丙有机聚合物发生降解而断链，短链分子向表面迁移，最终引起涂层明度增高。当面漆中硅溶胶和苯丙乳液的质量比为2∶1时，建筑节能涂层老化后太阳光反射比的变化最小，且色差较轻微，耐老化性最好。

表1 涂覆不同面漆的建筑节能涂层老化处理前后的太阳光反射比、明度和色差Table 1 Solar reflectance, luminosity and color difference of the energy-efficient architectural coating with different topcoats before and after aging treatment

2.3 面漆对建筑节能涂层耐沾污性的影响

耐沾污性直接影响了整个涂层体系的使用寿命和使用功能。测试了建筑节能涂层涂覆面漆后被污染前后的太阳光反射比变化率，对水的静态接触角，以及耐水性，结果见表 2。使用面漆可显著增大涂层的水接触角。这可能是因为未使用面漆时，在涂层表面存在较多孔隙等缺陷，容易被水渗入，导致对水的静态接触角较小。随着硅溶胶含量增多，涂层的水接触角由69.1°增至120.3°，达到疏水材料的要求。这是因为硅溶胶中的纳米二氧化硅在固化时填充进了缺陷和孔隙中，增大了涂层的致密度和交联程度。此外，它还在表层构筑了一定的微纳米结构，也有助于涂层呈现出疏水性，所以涂层的水接触角增大。水接触角增大使得污染物不易粘附在涂层表面，易随液体滚落，从而提升了涂层的耐沾污性，表现在涂层被污染后，太阳光反射比变化率由未涂覆面漆时的14.2%逐渐下降至覆有D面漆时的5.4%。面漆还能改善涂层的耐水性，这是由于面漆填充了涂层表面的缺陷和孔隙，对涂层进行“密封”的结果。当面漆中硅溶胶和苯丙乳液的质量比为2∶1时，涂层的耐沾污性和耐水性最好，水接触角最大。

表2 涂覆不同面漆的建筑节能涂层的耐沾污性Table 2 Stain resistance of the energy-efficient architectural coating with different topcoats

2.4 面漆对建筑节能涂层基本力学性能的影响

涂层的力学性能对涂层的实际应用具有重要的参考价值。涂覆不同面漆的建筑节能涂层的基本力学性能列于表3。可知使用面漆明显增强了涂层的硬度、柔韧性和抗冲击性。硅溶胶−苯丙复合涂层具有较好的交联度，其内部的有机−无机粒子形成了致密的空间网状结构(见图3)，从而增强了涂层的硬度，抗冲击性也因此增强。另外，硅溶胶中的纳米二氧化硅也能增强涂层的刚性和硬度。因为附着力代表涂层与基材间的结合强度，所以面漆的使用对附着力基本无影响。但如果硅溶胶添加量过多，过量的纳米二氧化硅会导致涂层由韧性体系向脆性体系转变，反而降低了涂层的柔韧性，因此选择硅溶胶与苯丙乳液质量比为2∶1即可，此时涂层仍具有较令人满意的力学性能。

表3 涂覆不同面漆的建筑节能涂层的力学性能Table 3 Mechanical properties of the energy-efficient architectural coating with different topcoats

图3 面漆固化后形成的空间网状结构Figure 3 Stereoscopic net structure of cured topcoat

3 结论

将硅溶胶与苯丙乳液混合制备了面漆，探究了不同硅溶胶添加量所制面漆对镍钛黄建筑节能涂层性能的影响。面漆对涂层外观基本无影响，但可以显著提升涂层的耐老化性、耐沾污性和耐水性，力学性能也略有提升。当面漆中硅溶胶与苯丙乳液的质量比为2∶1时，涂层体系的性能最好，太阳光反射比、水接触角、附着力、铅笔硬度、柔韧性和冲击强度分别为0.7845、120.3°、6.54 MPa、3H、4 mm和65 kg·cm，耐沾污性、耐老化性和耐水性均较好。

[1]ZINZI M, AGNOLI S.An energy and comfort comparison between passive cooling and mitigation urban heat island techniques for residential buildings in the Mediterranean region [J].Energy and Buildings, 2012, 55 (12): 66-76.

[2]ZAGROMOV Y A, KULIKOV V V, TOKAR B Z.Thermophysical characteristics of thermal insulation on metal backing [J].Journal of Engineering Physic,1978, 35 (1): 778-782.

[3]冯梦萍.建筑用反射隔热涂料节能效果研究[D].杭州: 浙江大学, 2015.

[4]沈航.反射隔热多彩涂料的制备及性能探讨[J].涂料工业, 2016, 46 (2): 6-12, 17.

[5]杨光, 邓安仲.3种黄色颜料对太阳热反射隔热涂层性能的影响[J].电镀与涂饰, 2017, 36 (14): 731-735.

[ 编辑：杜娟娟 ]

《电镀与涂饰》持续被Inspec数据库收录

英国工程技术学会IET（The Institution of Engineering and Technology）的网站（www.theiet.org）公布了截至2017年7月Inspec（Information Service in Physics, Electro-Technology, Computer and Control）数据库的索引期刊目录，《电镀与涂饰》（Electroplating & Finishing, ISSN 1004–227X）位列其中。

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据统计，目前Inspec总共收录4342种期刊（比2017年4月公布的数据多了3种），其中中国大陆期刊维持220种（约占5.1%）。《电镀与涂饰》是国内表面处理及涂料涂装领域唯一被收录的专业性期刊。

Effect of topcoat on properties of energy-efficient architectural coating with nickel titanium yellow as pigment

YANG Guang, DENG An-zhong*