水性建筑节能涂料的制备工艺优化

杨 光

（中国人民解放军后勤工程学院，重庆 401311）

水性建筑节能涂料的制备工艺优化

杨 光

（中国人民解放军后勤工程学院，重庆 401311）

以铬绿为颜料的水性建筑节能涂料为研究物，探究其主要制备工艺对涂层性能的影响。采用差示扫描量热仪、紫外/可见/近红外分光光度计、红外发射率测量仪、涂层光泽度测量仪和涂层测厚仪对涂料性能进行表征。结果表明，增大固化温度可明显提高涂料的固化速度。涂料固化温度、涂料体系粘度、涂层表面粗糙度和涂层厚度对涂层8～14 μm波段的红外发射率影响均较小，但对涂层太阳光和近红外反射比有一定的影响。固化温度、粘度、制备方式和厚度分别以65 ℃、370.1 mPa·s、喷涂和250 μm为宜。实际应用时应综合考虑几种制备工艺来获得较满意的涂层性能。

建筑节能；粘度；固化温度；反射比；红外发射率；涂层厚度

建筑节能涂层是一种功能型建筑涂层，由于拥有较高的近红外反射率和红外发射率，可以起到一定的隔热、降温和节能的作用，逐渐受到人们的重视。

文献[1]认为高反射率是隔热涂层隔热性能优异的必要而不充分条件。文献[2]制备了黄、灰和棕色系的建筑节能涂层，结果表明所制备的灰色系建筑节能涂层表面温度比同色系市售普通隔热涂层低6～7 ℃，隔热性能显著。文献[3] 探究普通二氧化钛和改性二氧化钛对涂层反射隔热性能的影响，从实验结果来看，使用改性二氧化钛的涂层反射隔热性能要优于普通二氧化钛涂层，改性二氧化钛掺量以20%为宜。

建筑节能涂料的主要性能受涂层本身性能和制备工艺的影响较大，然而关于水性建筑节能涂层的制备工艺对涂层光学性能的影响方面的研究却鲜有报道。本文以铬绿建筑节能涂层为研究对象，着重研究了其主要制备工艺，如固化温度、涂料体系粘度、涂层表面光泽度和涂层厚度对涂层性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要实验原料

601苯丙乳液，德国巴斯夫有限公司，GM-N铬绿，德国拜耳化工有限公司，成膜助剂，美国伊斯曼有限公司，BYK-163分散剂，德国毕克化学品有限公司，PE-100润湿剂，广州润宏化工有限公司，L-1311消泡剂，美国亚什兰有限公司，SN-612增稠剂，日本诺普科集团有限公司，以上均为工业级产品。去离子水，实验室自制。

1.2 建筑节能涂层的制备

向500 g苯丙乳液中加入100 g铬绿色浆(铬绿和去离子水质量比为1:1)、3～9 g分散剂、3～9 g润湿剂，研磨均匀后，加入5 g左右消泡剂、10g左右增稠剂机械搅拌均匀后过滤出料。为获得不同表面光泽度的涂层，在铝合金板表面分别进行刮涂、刷涂和喷涂的方式进行涂层制备。

1.3 表征仪器

差示扫描量热仪，STA-449C，德国NETZSCH；紫外/可见/近红外分光光度计Cary-5000，澳大利亚安捷伦；红外发射率测量仪，HWF-2，北方驰宏光电有限公司；粘度计，QND-4，上海魅宇仪器设备有限公司；镜向光泽度仪，XGP，天津光学仪器厂；涂层测厚仪，QNIX-4500，德国尼克斯。

2 结果与讨论

2.1 固化温度

2.1.1 固化温度对涂料固化时间的影响

本文选择五种固化温度分别为25、45、65、85和105 ℃。通常情况下多选择提高固化温度加快固化反应的进行。图 1是建筑节能涂料体系的等温DSC曲线。五种固化温度条件下涂料的固化时间分别约为3 h、1.5 h、40 min、25 min和10 min，由此可见，提高涂料体系的固化温度可明显加快涂料的固化速度。

图1 涂料体系的等温DSC曲线Fig.1 DSC curves of coating systems at different temperatures

2.1.2 固化温度对涂层反射比的影响

对不同固化温度涂层进行太阳光和近红外反射比测试，结果如图2所示。由图2可知，固化温度对涂层太阳光和近红外反射比均有一定的影响。随着固化温度的增加，涂层的太阳光和近红外反射比均呈现出先增加后减小再增加的趋势。这是因为，随着固化温度的升高，涂料中的填料与成膜基料结合更为紧密，使涂层孔隙率和缺陷减少，减少了孔隙和缺陷对光线的吸收，因此反射比增加。但固化温度过高使涂层因固化过快而重新产生较多的孔隙和缺陷，增大了孔隙和缺陷对光线的吸收，从而降低了反射比。涂料的固化温度以65 ℃为宜此时涂层的太阳光和近红外反射比分别为0.662 7和0.740 0。

图2 不同固化温度涂层的反射率Fig.2 Reflectance of coatings prepared under different curing temperatures

2.1.3 固化温度对涂层红外发射率的影响

表1为不同固化温度涂层的8～14 μm波段红外发射率。固化温度对涂层的红外发射率基本没有影响。涂料在低温固化过程中，氧化反应对填料性能的影响较小，即随着固化温度的改变，填料对涂层的红外发射率几乎没有影响，主要影响的是成膜基料，即本文中的苯丙乳液。因此，实际应用中，涂层的固化温度仍以65 ℃为宜。

表1 不同固化温度涂层的红外发射率Table 1 Infrared emissivity of coatings prepared under different curing temperatures

2.2 粘度

2.2.1 粘度对涂层反射比的影响

对不同粘度涂料体系涂层进行太阳光和近红外反射比测试，结果如图3所示。涂料体系粘度可影响涂层太阳光和近红外反射比，随着涂料体系粘度的增大，涂层太阳光和近红外反射比均表现出先增加后减小的趋势。当涂料体系的粘度小于 370.1 mPa·s时，涂层太阳光和近红外反射比随涂料体系粘度的增加而逐渐增加；当涂料体系的粘度大于370.1 mPa·s后，涂层太阳光和近红外反射比开始略微减小。

结合涂料的固化过程分析涂料体系的粘度影响涂层反射比的原因。涂层固化过程中，其中的颜料会发生不同程度的沉降，而颜料的沉降速率会直接影响其在涂层中的分布状态，而在不同涂料粘度体系中，颜料的沉降速率相差较大，其沉降速率和涂料粘度可由Stokes定律[4]得出：

图3 不同粘度涂层的反射率Fig.3 Reflectance spectra of coatings with different viscosity

式（1）中，U0为颜料的沉降速率，Rc为颜料的平均粒径，ρc和ρs分别为颜料和基料的密度，ηs为涂料粘度。由此可知随着涂料粘度的增大，颜料的沉降速率降低，相对于低粘度涂料，高粘度涂料固化后，颜料可以较为均匀的分布在涂层表面，不至于沉积在涂层底部，减少了基料对光线的吸收，也可增大颜料对其的反射。综上，涂料体系的粘度为370.1 mPa·s时，涂层太阳光和近红外反射比最大分别为0.6645和0.7424。

2.2.2 粘度对涂层红外发射率的影响

测试了不同粘度涂料体系涂层的8～14 μm波段红外发射率，结果如表2所示。随着涂料体系粘度的逐渐增大，涂层的红外发射率逐渐升高，但升高幅度很小，主要原因是涂层中的颜料和苯丙乳液的8～14 μm波段红外发射率均较高，进而使涂层的红外发射率较高，基本不会对涂层的红外发射率产生影响。

表2 不同粘度涂层的红外发射率Table 2 Infrared emissivity of coatings with different viscosity

2.3 表面光泽度

2.3.1 表面光泽度对涂层反射率的影响

测试了不同光泽度涂层的太阳光和近红外反射比，结果如图4所示。涂层的光泽度也对涂层的太阳光和近红外反射比产生一定的影响，随着涂层光泽度的增大，涂层的太阳光反射比呈现出接近线性的增加，当涂层光泽度为37时，涂层的全波段和近红外反射率分别为0.664 8和0.743 0。

物体表面光泽度与红外反射率存在以下关系[5]:

图4 不同光泽度涂层的反射率Fig.4 Reflectance of coatings with different coating glossiness

式（2）中：ρr为相对粗糙表面的反射率，ρp为相对光滑表面的反射率，Ra为表面光泽度，λ为对应波段的波长。

2.3.2 表面光泽度对涂层红外发射率的影响

测量了不同光泽度涂层8～14 μm波段的红外发射率，结果如表3所示。涂层红外发射率随着表面光泽度的增大而略微减小，减小幅度十分有限，因此并非影响涂层红外发射率的主要因素，与文献[6]结论一致。这是因为光线照射在凹凸不平的表面，发生多次反射，涂层就会多次吸收红外线，这就增加了涂层对红外线的吸收，根据基尔霍夫定律和能量守恒定律，对于热平衡条件下，吸收率高的物体必然有高的发射率，即物体的发射率会随着光泽度降低而升高。

表3 不同光泽度涂层的红外发射率Table 3 Infrared emissivity of coatings with different coating surface glossiness

2.4 涂层厚度

2.4.1 涂层厚度对涂层反射比的影响

为排除基材的影响，分别在铝合金板、不锈钢板和铁板表面采用喷涂的方式制备建筑节能涂层，并控制涂层厚度为150、200、250、300和350 μm，对其进行太阳光反射比测试，结果如图5所示。随着涂层厚度的增加，涂层太阳光反射比呈现先增加后基本不变的趋势。当涂层厚度小于250 μm时，随着涂层厚度的增大，涂层太阳光反射比也随之增加；当涂层厚度超过250 μm后，涂层太阳光反射比变化很小。综合考虑经济性和应用性，涂层厚度以250 μm为宜。

图5 涂层厚度对太阳光反射比影响Fig.5 Influence of coating thickness on solar reflectance

2.4.2 涂层厚度对涂层红外发射率的影响

测试了不同厚度涂层 8～14μm 波段的红外发射率，结果如表4所示。由表4可知，涂层厚度对涂层8～14μm波段的红外发射率影响较小，但厚度超过150 μm后，涂层发射率略微增加。原因可以由下式解释：

式中：ρe——涂层的反射率;

ρs——基材的反射率;

d ——涂层厚度;

A ——吸收系数。

由此可知，涂层厚度逐渐增大时，发射率会略微增加，而当涂层厚度趋于无穷大时，涂层的发射率与基材无关，实际应用时，涂层厚度以250 μm为宜。

表4 不同厚度涂层的红外发射率Table 4 Infrared emissivity of coatings with different coating thickness

4 结 论

1） 固化温度对涂层红外发射率基本无影响，但可明显提高涂层的固化速度，缩短固化时间，固化温度以65 ℃为宜。

2） 增加涂料体系粘度可增加涂层的太阳光和近红外反射比，但对涂层的红外发射率影响不大，涂料体系粘度以370.1 mPa·s为宜。

3） 随着涂层光泽度的增大，涂层的太阳光反射比增强，红外发射率略微降低，但并非影响红外发射率的主要因素，实际应用时，涂层制备以喷涂的方式为宜。

4） 适宜增大涂层的厚度可增加涂层的太阳光和近红外反射比，实际应用时，涂层厚度以250 μm为宜。

［1］王文弟. 光谱选择性散热涂层的制备及性能研究[J]. 红外技术,2015, 37(12): 1063-1066.

［2］曹延鑫, 王晓燕 , 喆冯 , 等. 热反射颜料对彩色反射隔热涂料的影响[D]. 涂料工业, 2014, 44(4): 11-16.

［3］林美. 硅溶胶-纯丙复合乳液反射隔热涂料的制备及性能[J]. 高分子材料科学与工程, 2017, (33)3: 168-173.

［4］刘登良. 涂料工艺[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010.

［5］张建奇. 红外物理[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2013.

［6］POULSEN P, Ault S K. New Method of High-precision Thermometry[J].Review of Scientific Instruments, 2006, 77(9):094901-094901-6.

Optimization of Preparation Process of Water-based Building Energy Saving Coatings

YANG Guang
(Logistic Engineering University of PLA, Chongqing 401311, China)

Effect of major preparation process on performance of water-based building energy saving coating with chrome green pigment was investigated. Properties of building energy saving coatings were characterized by using differential scanning calormimetry (DSC), ultraviolet/visible/near infrared spectrophotometer, infrared emissivity measurement device, coating glossiness measurement device, coating thickness measurement device. The results indicate that curing speed of paint can be accelerated by increasing curing temperature. Effect of curing temperature,viscosity, coating surface glossiness and coating thickness on infrared emissivity in 8～14 μm is inapparent. Whereas,their influences on total solar reflentance and near infrared reflectance are apparent. Suitable curing temperature,viscosity, preparation method and coating thickness are 65 ℃, 370.1 mPa•s, spraying and 250 μm,respectively. All preparation processes should comprehensively be considered to prepare the coating with good properties.

Building energy saving; viscosity; Curing temperature; reflectance;Infrared emissivity; Coating thickness

TQ 637.6

A

1671-0460（2017）11-2239-04

2017-06-01

杨光（1990-），男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，研究方向：建筑节能涂料。E-mail：262567429@qq.com。