TiO2包覆空心微珠建筑涂料保温隔热性能的研究

2020-04-14刘可为沈哲骁邵荣标

山西建筑 2020年6期

何理陈喆刘可为沈哲骁邵荣标杨莹花蕾

(同济大学浙江学院土木工程系，浙江嘉兴 314051)

空心玻璃微珠(下称微珠)是一种直径分布于几十微米范围内的空心玻璃球体，密度低且导热系数小[1]。由于微珠反射率较低，当被太阳光长时间照射时其表面的热量会不断地积累导致表面温度上升，限制了它在建筑保温隔热涂料领域的进一步应用[2]。TiO2对太阳光能量尤其是近红外线有很强的反射能力，如果在微珠表面包覆一层TiO2薄膜，使其表面具备TiO2高反射率的功能可有效地提高微珠对太阳光的反射效果。常见的TiO2包覆空心微珠有两种方法，一种是溶胶凝胶法[3]、另一种为非均相沉淀法[4]。前期大量的研究表明两种方法制备的TiO2包覆微珠均有良好的保温隔热效果，但研究者们尚未对比这两种方法制备TiO2包覆微珠涂料在保温隔热效果上的差异。因此本研究的主要内容为对比两种不同方法制备的TiO2包覆微珠涂料在保温隔热性能的差异，旨在拓展其在建筑功能涂料领域的应用。

1 实验

1.1 实验试剂和仪器设备

本实验所用试剂及原料有：硫酸钛(≥96%)、钛酸四丁酯(≥99.0%)、冰乙酸(≥99.8%)、无水乙醇(≥99.8%)、纳米二氧化钛(钛白粉，99.8%，100 nm)、苯丙乳液、碳酸钙(99.5%，≤30 μm)、轻质碳酸钙(1 250目)及滑石粉(800目)，2，4-三甲基-1，3-戊二醇单异丁酸酯(97%)、消泡剂、分散剂、润湿剂以及微珠(粒径30 μm)。实验用的仪器有：电动搅拌机、电热恒温鼓风干燥箱、分析天平、恒温磁力搅拌器、箱式电阻炉、集热式磁力搅拌油浴锅。测试设备有：扫描电子显微镜；X-射线衍射仪；导热系数仪；激光粒度分析仪等。

1.2 样品的制备

1.2.1TiO2包覆微珠

本研究中溶胶凝胶法包覆空心微珠主要采用钛酸四丁酯为前驱体[5]，而非均相沉淀法中则采用硫酸钛为前驱体[3]。两种方法制备TiO2包覆微珠均置于马弗炉中600 ℃煅烧2 h后冷却备用。

1.2.2涂料的制备

涂料样品的制备：粒径为30 μm的微珠按一定的量配制成涂料均匀地涂刷于马口铁上，自然风干后置于30 ℃烘箱内烘干直到样片质量不再发生变化，取出待测。样品名称为C-30-1,C-30-2,C-30-3，其配方信息如表1所示。涂料配方中主要含有微珠、苯丙乳液、润湿剂、消泡剂、成膜剂、滑石粉、碳酸钙、钛白粉等。TiO2包覆微珠涂料的制备：将两种方法制备得到TiO2包覆微珠以一定的量配成涂料样品C-FBG-30(非均相沉淀法制备的样品)及C-RBG-30(溶胶凝胶法制备的样品)，配方信息同样记入在表1中。

表1 涂料配方信息 g

1.3 保温隔热性能测试

1.3.1隔热性测试

将制备好的涂料涂覆于330×300×0.3 mm马口铁板上烘干后形成涂层。将表面涂有涂层的马口铁板竖直地封在300 ℃的马弗炉开口处，涂层面向外，利用红外测温计对马口铁表面涂层进行温度测试。实验开始后每隔3 min读取一次数据，记录10个点数据并计算平均值，测试时间总长为15 min。图1为本次实验中涂膜隔热性测试的装置图，测试结果记录在表2。

1.3.2导热系数测试

在本实验中准备3块300×300 mm2大小的水泥板，在30 ℃烘箱干燥一周直到水泥板质量不再发生变化，测试水泥板的导热系数记录在表3中。称取90 g涂料均匀地涂覆于干燥的水泥板表面，将此水泥板放到30 ℃烘箱干燥一周直到此水泥板的重量不再变化，对此水泥板再次进行导热系数测定，数据同样记录在表3。

2 实验测试结果分析

2.1 SEM分析

图2是不同方法制备TiO2包覆微珠的SEM图。图2a)是未经过包覆过的微珠，其表面圆润有光泽；图2b)和图2c)是非均相以及溶胶凝胶法包覆的微珠，其表面看上去非常粗糙，明显地被包覆了一层膜层。

2.2 粒径分析

利用激光粒度仪对微珠直径分布进行了研究。结果发现未包覆微珠D50=30.08 μm，非均相沉淀法包覆的微珠D50=31.02 μm，溶胶凝胶法包覆微珠D50=40.50 μm。经过TiO2包覆微珠的平均粒径明显大于未包覆微珠的平均粒径。此结果验证了通过两种方法均能在微珠表面包覆一层膜层，且溶胶凝胶法包覆微珠的效果更为优异。

2.3 XRD分析

3 涂料保温隔热性能研究

3.1 隔热性能测试

C-30-1,C-30-2及C-30-3样品隔热性能测试结果如图5所示，数据对比结果如表2所示。在0 min时C-30-1,C-30-2,C-30-3的温度分别为50 ℃,53 ℃,39 ℃，说明涂料中加入微珠可以明显的起到隔热效果，且玻璃微珠掺入量越多，隔热性能越好。对于C-30-1,C-30-2,C-30-3在15 min内样板表面温差分别为ΔT1=23 ℃,ΔT2=13 ℃,ΔT3=26 ℃。从上述数据可以发现C-30-2样板的温差最小，说明该样板涂层隔热的稳定性最好。

表2 0 min,15 min样品表面涂层的温度及温度差 ℃

C-30-2,C-FBG-30,C-RBG-30隔热性能如图6所示。在0～15 min测试时间内，C-FBG-30和C-RBG-30样品表面温度均低于C-30-2表面温度，说明当掺入同样含量的微珠时，表面包覆TiO2涂料的隔热性能比没有包覆TiO2涂料的隔热性能更为优异。例如经过9 min后C-FBG-30及C-RBG-30表面测得温度比C-30-2涂层表面温度分别降低了11 ℃和12 ℃。随着测试时间的延长，C-FBG-30及C-RBG-30涂层依旧保持良好的隔热性能，这是由于在微珠表面附上一层锐钛型的TiO2薄膜，增强了反射光辐射和阻隔热传导的能力，使其隔热性能得到了提升。在15 min内，对于C-FBG-30及C-RBG-30样品表面温度差分别为ΔT4=23 ℃及ΔT5=10 ℃，该结果说明C-RBG-30涂层隔热的稳定性最好，其原因可归结为溶胶凝胶法制得微珠表面TiO2包覆效果更好，使得C-RBG-30具有良好的隔热稳定性能。

3.2 导热系数测试

表3为C-30-2,C-FBG-30,C-RBG-30样品的导热系数数值。第1组中，空白水泥板的导热系数0.647 W/(m·K)，在表面涂覆一定量的C-30-2后，其导热系数下降为0.418 W/(m·K)，下降幅度为25.66%；第2组样品中，空白水泥板的导热系数0.609 W/(m·K)，在表面涂上一定量的C-FBG-30后，其导热系数下降为0.385 W/(m·K)，下降幅度达到36.78%；第3组样品，空白水泥板的导热系数为0.623 W/(m·K)，在表面涂上一定量的C-RBG-30涂料后，其导热系数下降为0.325 W/(m·K)，下降幅度达到47.83%。此结果表明，涂覆保温隔热涂料均能降低水泥板的导热系数，但是利用溶胶凝胶法包覆的微珠制备涂料的导热系数下降幅度最大，说明该涂料配方的保温隔热效果最优。此结果与隔热性测试的结果相一致，说明溶胶凝胶法表面包覆效率更高，涂料的保温隔热性能最好。其原因在于溶胶凝胶法包覆过程中微珠在前驱体液体中的静置时间对微珠表面纳米级TiO2包覆效果有很大影响。前期研究表明静置时间为8 h～12 h所得到微珠的包覆效果较好[3]。在本实验中溶胶凝胶法制备TiO2包覆微珠时，选择的静置时间为10 h，因此可以得到包覆率较高的TiO2包覆微珠。