一种高效外墙保温涂料的合成研究

2021-03-12张强国沪宝新材料科技上海股份有限公司上海201821

上海涂料 2021年1期

张强国，孟运（沪宝新材料科技（上海）股份有限公司，上海 201821）

0 引言

随着我国经济的快速发展，能源消耗越来越快，污染越来越严重。为响应国家的节能环保政策，涂料行业正逐步实现由油性涂料向水性涂料的转化，在普通装饰的基础上增加保温功效，以节约降温能耗，减少发电污染。目前市场上常用的建筑反射隔热涂料可以有效地将85%以上的太阳光反射到大气中，以阻止热量的传递。然而这种材料存在2个不足：一是应用地域适合阳光充足且照射周期长的南方，并不适合四季分明的北方；二是经过一年的风吹日晒，涂料的反射隔热性能会大幅下降，甚至沦为普通外墙涂料。有文献［1-3］报道，采用玻化微珠、海泡石等研制的外墙保温涂料具有持续保温功效，解决了以往反射隔热涂料保温周期短、应用地域有限的弊端，但其导热系数在0.06～0.10 W/（m·K），防火功能低，不属于高效保温材料。本研究采用低导热系数混合填料、混合树脂及憎水剂等制备了一种导热系数小于0.04 W/（m·K），防火性能为A级，耐候性和憎水性高的高效外墙保温涂料。

1 试验部分

1.1 原料及配方

高效外墙保温涂料所用的原料和配方见表1。

表1 高效外墙保温涂料所用的原料和配方Table 1 Raw materials and formulas used in high-efficiency exterior wall thermal insulation coatings

1.2 制备工艺

基料制备：在分散缸内按配方加入一定量的水，调节转速600 r/min，依次加入纤维素、发泡剂、分散剂、多功能助剂、乙二醇等助剂，加完后分散约10 min至混合均匀；加入乳液、无机树脂，继续分散约10 min，至混合均匀；

填料分散：向基料中缓慢加入空心油脂、气凝胶，分散约20 min至均匀；然后加入憎水剂、杀菌剂，分散约20 min，至体系混合均匀；

调漆阶段：按比例加入一定量的钛白浆、色浆，搅拌均匀即可。

1.3 分析仪器

BSM-2204分析天平，上海卓精电子科技有限公司；CU-420电热恒温水槽、QTX漆膜柔韧性测试仪、带刻度的球形分液漏斗，上海标格达仪器有限公司；DRPL-2B导热系数测试仪，湘潭市仪器仪表有限公司；JTX-II建筑涂料耐洗刷仪，普申检测仪器（上海）有限公司；JCY-1水接触角测试仪，深圳市三莉科技有限公司；HG-1692C万能拉力机，江苏恒广精密仪器有限公司； CZF-5防火性能测试仪，北京北广精仪仪器设备有限公司。

2 结果与讨论

2.1 低导热系数填料的选择及其配比和用量对涂膜性能的影响

2.1.1 低导热系数填料的选择

目前市场上常用的低导热系数材料有蛭石、海泡石、玻珠、空心微珠、EPS（膨胀聚苯乙烯）粉末、空心油脂及气凝胶等，不同的材料有着不同的性能特点［4-5］。其中，由于蛭石、海泡石、空心玻化微珠、膨胀珍珠岩、无机高分子粉等材料的导热系数已超过0.04 W/（m·K），所以不适用于制备高效保温涂料。EPS粉末颗粒虽然导热系数较低，但其防火性能低，也不适用。相比较而言，空心油脂和气凝胶的导热系数在0.02～0.03W/（m·K），防火性均为A级，和水性涂料的相容性也比较好，可以应用。

2.1.2 低导热系数填料的配比对涂膜性能的影响

空心油脂的市场价低于100元/kg，但易亲水；气凝的胶导热系数较空心油脂低，憎水性好，但其市场价高于200元/kg。要得到高性价比，需要将两者按一定的比例进行搭配使用，空心油脂和气凝胶的配比对涂膜性能的影响见表2。

表2 空心油脂和气凝胶的配比对涂膜性能的影响Table 2 The influence of the proportion of hollow grease and aerogel on the properties of the coating film

由表2可以看出，如果气凝胶在混合填料中的比例过大，虽然有利于降低涂膜的导热系数，提高涂膜的憎水性，但会导致生产时难分散，同时增加成本；如果气凝胶的比例过小，虽然有利于降低成本，但会导致涂膜的导热系数增加，易亲水。试验表明，空心油脂和气凝胶的质量比在3～2∶1时，涂膜的性价比较高。

2.1.3 低导热系数混合填料的用量对涂膜性能的影响

在助剂和树脂用量一定的条件下，低导热系数混合填料的用量对涂膜性能的影响见表3。

表3 低导热系数混合填料的用量对涂膜性能的影响Table 3 The influence of the amount of mixed filler with low thermal conductivity on the performances of the coating film

由表3可见，随着低导热系数混合填料用量的增加，涂膜的导热系数不断降低，吸水量不断增加，粘结强度和柔韧性不断降低。试验表明，当低导热系数混合填料的用量控制在12.0 %～14.0 %时，涂膜的综合性能最佳。

2.2 树脂的配比和用量对涂膜性能的影响

2.2.1 树脂的选择

水性丙烯酸乳液具有耐候性突出，耐水、耐碱性优异，粘结力强的特点，但容易着火。无机树脂防火性能可达到A级，但粘结力和耐水、耐碱性较差。为兼顾涂膜的耐候性、柔韧性、耐水、耐碱性、粘接力和防火性能，采用有机和无机树脂复配的方式。其中有机树脂采用最低成膜温度（MFT）0 ℃，固含量为48.0 %的纯丙乳液RS-6733，无机树脂选用模数为3.5～4.0，固含量为30.0 %的硅酸钾K-100。

2.2.2 树脂的配比对涂膜性能的影响

两种树脂的配比对涂膜性能的影响见表4。

表4 有机和无机树脂的配比对涂膜性能的影响Table 4 The influence of the ratio between organic and inorganic resin on the performances of the coating film

由表4结果可以看出，随着无机树脂用量的增加，涂膜的防火性能逐步增强，耐擦洗性和耐水性逐步降低。这是因为无机树脂防火性能虽高，但易水解导致涂膜的耐水性和耐擦洗性下降。试验表明，当有机树脂和无机树脂的质量比在1∶3时，涂膜的综合性能最佳。

2.2.3 水性混合树脂的用量对涂膜性能的影响

表5 混合树脂的用量对涂膜综合性能的影响Table 5 The influence of the amount of mixed resin on the comprehensive performances of the coating film

在混合树脂的配比确定后，考察了其用量对涂膜综合性能的影响，结果见表5。

由表5可以看出，随着混合树脂用量的增加，涂膜的柔韧性和耐候性提高，透水性和保温性能下降。当混合树脂的用量控制在30.0 %～40.0 %时，涂膜的综合性能较好。

2.3 发泡剂的选择和用量对涂膜性能的影响

要做到高效保温材料，涂膜的导热系数必须控制在0.04 W/（m·K）以下，故还需要进一步降低涂膜的导热系数。由于空气的导热系数为0.024 W/（m·K），极易获得。在树脂和填料已确定的情况下，在水性介质里加入发泡剂，通过机械搅拌的方式将空气引入到涂料中，待涂膜干燥后将空气微泡封锁在干膜里，可以达到进一步降低涂膜导热系数的目的。

为提高发泡效率，增加填料润湿分散性，便于后期生产，选用了非离子型液体发泡剂，发泡剂的用量对涂膜性能的影响见表6。

表6 发泡剂的用量对涂膜性能的影响Table 6 The influence of the amount of foaming agent on the performances of the coating film

由表6可以看出，随着发泡剂用量的增加，涂膜的导热系数降低，保温性能提高，但涂膜的透水性、粘结强度和柔韧性降低。这是因为随着发泡剂用量的增加，涂膜中的微孔结构越来越多，导致涂膜易储水，脆性增加。当发泡剂的添加量较低时，虽有利于提高涂膜的粘结强度和柔韧性，但不利于降低涂膜的导热系数，无法发挥高效保温作用。试验表明，当发泡剂的用量控制在0.2 %～0.3 %较为合适。