工业带温设备用水性隔热涂料的制备及性能研究

杨红涛 ，周如东，郭亮亮

（1.中航飞机股份有限公司，陕西西安 710089；2.中海油常州涂料化工研究院有限公司，江苏常州 213016；3.中海油常州环保涂料有限公司，江苏常州 213014）

0 引言

工业带温设备大多采用包裹型隔热系统进行隔热保温，该隔热系统通常由防腐涂层、隔热材料、打包带以及铝箔反射层组成，见图1。然而，包裹型隔热系统在实际使用过程中存在诸多问题：（1）整体导热系数偏高，达到理想的隔热效果所需隔热层厚度较厚；（2）隔热材料易吸潮，一旦吸水则失去隔热能力，同时会加速设备腐蚀；（3）隔热材料之间存在接缝，易产生热桥；（4）异形带温设备的包裹工艺复杂，隔热效果差；（5）检修繁琐，需要拆除隔热材料、打包带以及铝箔反射层；（6）隔热材料含石棉、苯等致癌物，不利于人体健康；（7）原材料与施工成本均偏高。为克服包裹型隔热系统的缺点，目前已有设备制造商采用在设备表面涂覆隔热涂料的方法来进行隔热保温。但是，涂料的环保性能、隔热性能、贮存稳定性以及施工性能等仍有待进一步提高［1-3］。

图1 传统保温隔热系统的结构示意图Figure 1 The structure scheme of the traditional thermal insulation system

本研究以水性硅丙树脂为主体树脂，以空心玻璃微珠为隔热填料，配合着色颜料、填料以及助剂，

[收稿日期] 2018-03-13

[作者简介] 周如东（1982—），男，研究生，中海油常州涂料化工研究院特种涂料实验室主任，主要从事航空、核电及特种功能性涂料的研发工作。制备了工业带温设备用水性隔热涂料。重点考察了主体树脂、隔热填料类型与添加量以及施工方式等对涂料性能的影响。

1 试验部分

1.1 原材料

水性纯丙树脂、水性苯丙树脂、水性硅丙树脂，工业级，中海油常州环保涂料有限公司；空心玻璃微珠（G-1～G-4），工业级，进口；纤维素、分散剂、消泡剂、杀菌剂、成膜助剂、增稠剂，工业级，市售。

1.2 主要仪器设备

BF-400高速分散机，安徽博进化工机械有限公司；DHG-9070A台式电热恒温鼓风干燥箱，上海笃特科学仪器有限公司；DRL-Ⅱ导热系数测定仪，武汉格莱莫检测设备有限公司；LEO 1530 VP扫描电子显微镜，日本HITACHI公司；HC-8000万能材料试验机，苏州华川检测仪器有限公司；TES-1310接触式测温仪，台湾泰仕电子工业股份有限公司。

1.3 试样的制备

1.3.1 涂料的制备

水性隔热涂料的基本配方见表1。

表1 水性隔热涂料的基本配方Table 1 The basic formulation of water-based thermal insulation coatings

制备工艺：按配方量将组分1～5加入到合适的容器中，于1 000～1 500 r/min下高速搅拌40～60 min后，加入组分6～8混合均匀，然后在300～500 r/min下慢速搅拌并逐步加入组分9，搅拌均匀，最后加入组分10，调整至合适的黏度。

1.3.2 试样的制备

将制备好的水性隔热涂料涂覆于四氟乙烯板表面，低温固化，干燥后将其取下，制成规定尺寸的薄圆片试样。测试前，将试样置于105 ℃电热恒温鼓风干燥箱处理24 h，然后放在干燥器中冷却至室温。

1.4 性能测试

导热系数：按照GB/T 10295—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》进行测试；粘结强度和伸长率：按照HG/T 4567—2013《建筑用弹性中涂漆》进行测试；热贮存稳定性：按照GB/T 6753.3—1986《涂料贮存稳定性试验方法》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 主体树脂对涂料性能的影响

主体树脂对隔热填料起粘结作用，并赋予涂层良好的整体性能和对底材的附着力，是影响涂料性能的决定因素。目前，水性隔热涂料所用的主体树脂主要有水性纯丙树脂、水性苯丙树脂和水性硅丙树脂。其中，水性纯丙树脂成膜性能好，并具有较好的耐水性、耐碱性、耐老化性能和保色性。水性苯丙树脂具有良好的耐水性、耐碱性、硬度以及抗污性，但其耐候性较差，易黄变。水性硅丙树脂具有良好的耐水性、耐碱性和耐沾污性，涂膜不泛黄，抗紫外线和抗老化性能极佳，并且，与水性纯丙树脂相比，水性硅丙树脂的导热系数更低［4］。综上所述，选择水性硅丙树脂作为隔热涂料的主体树脂。3种树脂的性能对比见表2。

2.2 隔热填料类型对涂料性能的影响

水性隔热涂料的隔热性能主要由隔热填料的性能决定。隔热填料大多为质轻、低导热、球型率高、具有较高强度且化学性能稳定的中空材料。目前，常用的隔热填料有珍珠岩、蛭石、漂珠、硅酸钙、硅酸铝纤维、空心玻璃微珠、空心陶瓷微珠以及二氧化硅气凝胶等。几种常见隔热填料的导热系数见表3。

表 2 3种树脂的性能对比Table 2 The performance comparison among three kinds of resins

表 3 几种常见隔热填料的导热系数Table 3 Thermal conductivity of several common insulation fillers

由表3可见，珍珠岩、空心玻璃微珠和二氧化硅气凝胶的导热系数相对较低，是较为理想的高效隔热填料。但是，采用珍珠岩作为隔热填料的涂料，施工性能较差；采用二氧化硅气凝胶作为隔热填料的涂料，二氧化硅气凝胶加量有限，若其加量过大，涂料成膜后易开裂，较难获得理想的隔热效果。而空心玻璃微珠具有质量轻、体积大、导热系数低、抗压强度高，分散性、流动性、稳定性好、高填充率、能够降低收缩以及抗开裂等优点。高填充率能够使空心玻璃微珠在隔热涂料中形成一层由薄壁空心珠构成的空心腔体群，从而起到良好的阻隔绝热效果；其降低收缩和抗开裂的特性，能够保证空心玻璃微珠的高填充量，同时，有效防止涂料成膜后发生开裂［5-8］。因此，本研究选用空心玻璃微珠作为隔热填料。

2.3 隔热填料添加量对涂料性能的影响

选用国外某企业生产的4种空心玻璃微珠作为隔热填料，考察了其添加量对涂料性能的影响。4种空心玻璃微珠的基本性能参数见表4。

表 4 4种空心玻璃微珠的基本性能参数Table 4 Performance parameters of four kinds of hollow glass microspheres

由表4可见，G-1的粒径最大，密度最低，壁厚最薄，导热系数最低；G-4的粒径最小，密度最大，壁厚最厚，导热系数最高。

单独使用空心玻璃微珠作为隔热填料，按照5%、10%、15%、20%以及25%添加量制备一系列涂料样品和样板，通过测试导热系数、粘结强度、伸长率和贮存稳定性等进行配方筛选，结果如表5所示。

表5 空心玻璃微珠的添加量对隔热涂料性能的影响Table 5 The effects of hollow glass microspheres amount on the performance of thermal insulation coatings

由表5可见，当空心玻璃微珠G-2添加量为15%时，涂料的导热系数最低且综合性能最佳。虽然空心玻璃微珠G-1的导热系数也较低，但相同添加量下，采用G-1制备的涂料的导热系数却高于采用G-2制备的涂料的导热系数。通过扫描电镜观察发现，这主要是由于空心玻璃微珠G-1的壁厚过薄，在外力剪切作用下，微珠出现大量破损（图2），从而直接影响涂料的隔热效果。

图2 空心玻璃微珠G-1受外力剪切后的SEM照片Figure 2 SEM photo of hollow glass microspheres G-1 sheared by external force

2.4 施工方式对涂料性能的影响

分别采用刮涂和喷涂两种方式在密闭铁罐表面涂装水性隔热涂料，涂层干膜厚度（4.0±0.4）mm，涂装完的罐体见图3。随后，在罐体内部加入沸水，分别利用水银温度计和接触式测温仪跟踪罐体内外的温度，实测数据见表6。由表6可见，采用喷涂方式施工的涂料的隔热性能要优于采用刮涂方式施工的涂料。

图3 涂装水性隔热涂料后的罐体Figure 3 Tank after coating water-based heat insulation coatings

表 6 施工方式对隔热效果的影响Table 9 Influence of construction methods on heat insulation effect

3 结语

以水性硅丙树脂为主体树脂，以空心玻璃微珠为隔热填料，配合着色颜料、填料以及助剂，制备了工业带温设备用水性隔热涂料。当空心玻璃微珠G-2添加量为配方量的15%时，涂料的综合性能最佳且其导热系数能够降低至0.041 W/（m·K）。采用喷涂方式施工的涂料的隔热性能优于采用刮涂方式施工的涂料。该涂料制备的隔热系统的环保性能、隔热性能以及性价比均优于包裹型隔热系统。

［1］ 骆琼宇，侯琳熙，胡富陶，等.隔热保温涂料的研究现状及其应用［J］.广东化工，2010，37（1）：59-60.

［2］ 陆洪彬，陈建华.隔热涂料的隔热机理及其研究进展［J］.材料导报，2005，19（4）：71-73.

［3］ 邢俊，林庆文，陈孟.新型隔热保温涂料的研制［J］.建筑涂料与涂装，2010，25（5）：40-42.

［4］ 张军科，惠学洲.一种水性隔热涂料的研制［J］.化学工程师，2013（10）：62-63.

［5］ 郭鸿霖.功能性中空微珠在工业防腐隔热涂料中的应用［J］.现代涂料与涂装，2007，10（9）：11-13.

［6］ 杨玉香，邵谦，葛圣松.玻璃微珠的应用研究进展［J］.中国粉体技术，2006（2）：45-47.

［7］ 蒋晓军，黄长庚，叶宏.空心微球对隔热涂层导热性能的影响［J］.涂料工业，2006，36（4）：8-11.

［8］ 辛志军，伍胜.陶瓷隔热保温涂料——增加外墙外保温系统隔热装饰性的理想材料［J］.砖瓦，2006（7）：64-65.