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纳米水性太阳能热反射涂料的研究

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-->>纳米水性太阳能热反射涂料的研究

0 前言
太阳能是人类赖以生存的必要能源,强烈的太阳热辐射也会给人们的生产和生活带来诸多不便。炎热夏季,直接暴露在太阳光照射下的建筑屋顶、海上钻井平台、油罐、汽车等表面温度不断升高,不但增加能耗,还会给正常的生产作业带来重大安全隐患。“十二五”规划提出了“绿色发展建设资源节约型、环境友好型社会”,因此非常有必要开发和研究环保友好型的太阳能热反射涂料,减少金属表面热量的积累。减少能耗的同时,降低VOC有害物质的排放,符合“十二五”规划提出的发展“绿色”防腐涂料的新要求。
太阳能根据波长的长短,分为紫外光区、可见光区和近红外光区。紫外光区域,波长300~400 nm,约占太阳总能量的5%,可见光区域(即红、橙、黄、绿、蓝、紫),波长400~700 nm,约占太阳总能量的46%,近红外光区域,波长700~2 500 nm,约占太阳总能量的49%。可见,太阳能主要集中在可见光区域和近红外光区域。太阳能热反射涂料主要反射可见光区域和近红外光区域的太阳能。二氧化钛白色颜料的折光指数是2.71,在颜料中折光指数最高,用二氧化钛白色颜料制成的白色或浅色太阳能热反射涂料,太阳能反射率高,能有效降低物体表面温度的升高。随着人们生活水平的提高,单一颜色很难满足人们对颜色丰富多彩的需求。本试验通过选用合适颜料,配合耐候性好的水性羟基丙烯酸树脂,并对其进行纳米浓缩浆改性,制备一种纳米水性太阳能热反射涂料。该太阳能热反射涂料具有优异的太阳能反射能力,耐候性好、硬度高且水性环保。
 
1 试验部分
1.1 主要原材料(见表1)
纳米水性太阳能热反射涂料主要原材料
1.2 仪器设备(见表2)
试验用主要仪器设备
1.3 样品的制备
先将配方量的水性羟基树脂、纳米氧化硅浓缩浆、消泡剂、防腐防霉剂、腐蚀抑制剂和去离子水搅拌均匀,依次加入分散剂、颜料、填料,经砂磨机研磨至细度合格,加入流平剂、触变剂,过滤包装制得本试验组分一,组分二为固化剂。通过理论计算,使其n(—NCO)∶n(—OH)=1.5∶1。样品基础配方见表3。
纳米水性太阳能热反射涂料基础配方
2 结果与讨论
2.1 不同黑色颜料对太阳能反射率的影响
配方中其他因素不变,分别选用国产普通色素炭黑、进口高色素炭黑和薛特公司颜料黑制备水性太阳能热反射涂料。试验结果见表4。
不同黑色颜料对太阳能反射率的影响
从表4中可见,不同的黑色颜料制备的水性太阳能热反射涂料的太阳能反射率不同,用薛特公司黑色颜料制备的太阳能热反射涂料的反射率最高。这是因为普通色素炭黑具有很高的太阳光吸收能力,几乎吸收全部的太阳能,用普通色素炭黑制备的涂料,太阳能反射率低,且黑度越好,反射率越低;而薛特公司的黑色颜料是一种新的功能性复合无机颜料,具有无机颜料高折光指数的特性,太阳能反射率高达28%[2]。本试验最终确定选用薛特公司的无机复合黑色颜料为着色颜料。
2.2 不同填料对太阳能反射率的影响
配方中其他因素不变,分别选用沉淀硫酸钡、陶瓷微珠、空心微珠和碳酸钙作填料制备水性太阳能热反射涂料。试验结果见表5。
不同填料对太阳能反射率的影响
从表5中可见,不同填料制备的太阳能热反射涂料的太阳能反射率几乎相当,可见填料对太阳能热反射率影响较小,原因可能是因为填料的折光指数在1.5~1.8,与树脂的折光指数1.4~1.5相近。且用陶瓷微珠和空心微珠制备的太阳能热反射涂料表面粗糙,严重影响涂膜外观。本试验最终选用沉淀硫酸钡为填料。
2.3 不同颜料体积浓度对太阳能反射率的影响
本试验以水性羟基树脂Antkote®2033和亲水改性HDI三聚体Aquolin®161为基料,选用日本石原R930钛白粉和薛特公司颜料黑为着色颜料,沉淀硫酸钡为填料,制备水性太阳能热反射涂料,研究不同颜料体积浓度对太阳能反射率的影响。试验结果见表6。
不同颜料体积浓度对太阳能反射率的影响
从表6中可见,颜料体积浓度影响涂料的太阳能反射率。太阳能反射率随颜料体积浓度升高而升高;当颜料体积浓度升高到一定数值时,太阳能反射率随着颜料体积浓度的升高出现降低的趋势。其机理是树脂的折光指数低,涂料反射太阳光的能力取决于颜填料的折光指数,随着颜料体积浓度的升高,涂料反射太阳光的能力就会越强,当颜料体积浓度继续升高,过多的颜料和填料不能被树脂包裹,涂膜表面留下过多孔隙,不能很好反射太阳能,太阳能反射率就会降低。本试验最终确定颜料体积浓度为25%。
2.4 纳米氧化硅浓缩浆添加量对太阳能反射率的影响
配方中其他因素不变,分别添加0、2%、4%、6%、8%的纳米氧化硅浓缩浆。研究纳米氧化硅浓缩浆对太阳能反射率的影响。试验结果见表7。
纳米氧化硅浓缩浆对太阳能反射率的影响
从表7中可见,随着纳米氧化硅浓缩浆用量的增加,涂膜的太阳能反射率升高,这是因为纳米氧化硅具有很强的反射紫外线、可见光和红外线的能力。但纳米氧化硅浓缩浆用量超过6%时,太阳能反射率出现下降趋势。原因是纳米浓缩浆用量过多,导致部分纳米粒子团聚,达不到纳米改性的效果。本试验最终确定纳米氧化硅浓缩浆的用量为4%。经过多次试验,确定配方后对相关性能进行了测试,结果见表8。
纳米水性太阳能热反射涂料的主要技术指标
从表8中可见,纳米水性太阳能热反射涂料涂膜平整光滑,高光泽、高硬度,具有优异的耐水性、耐酸、碱性和耐老化性。
 
3 结语
(1)用无机复合黑颜料制备的涂料具有优异的太阳能反射率;
(2)填料对涂料的太阳能反射率影响较小。
(3)合适添加量的纳米氧化硅浓缩浆能显著提高涂料的太阳能反射率。
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