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改性硅溶胶的制备及其在反射隔热节能涂层上的应用

作者:李博士日期:2021-08-05浏览:226
导读:采用硅烷偶联剂KH560 对硅溶胶进行接枝改性,然后与苯丙乳液复合制备涂层成膜基料,加入红外反射型功能颜料色浆,制备出性能较好的隔热节能涂层。

近期邓安仲等人采用硅烷偶联剂KH560 对硅溶胶进行接枝改性,然后与苯丙乳液复合制备涂层成膜基料,加入红外反射型功能颜料色浆,制备出性能较好的隔热节能涂层。

邓教授发现,KH560 改性后硅溶胶的平均粒径明显降低,Zeta 电位显著提高,其在苯丙乳液中分散性也得到极大的提高。

反射隔热节能涂层材料应用背景

太阳辐射会使建筑、油罐及机械装备等产生温度过高等问题。建筑室内空调降温1 ℃较取暖升温1 ℃相比,要额外增加30%的能耗,而此类建筑能耗占社会总能耗的32%。传统隔热节能材料,如聚苯乙烯泡沫、碳化软木板、EPS 板薄抹灰保温系统以及保温砂浆等存在体系过厚、装饰性较差以及施工程序繁琐等缺点,逐渐不能满足实际工程需要。

建筑隔热节能涂料也称为光谱选择性散热涂料,根据隔热机理的不同,分为阻隔型、辐射型以及反射型。该涂料通过较高的太阳光反射比及辐射散热能力或较低的导热系数,来减少外界热量向室内的传导,并可用于油罐运输及机械装备上,因此具有广阔的应用前景。

隔热节能涂层材料研究进展

GUO 等研究表明,建筑维护结构的太阳光反射比及红外发射率是影响建筑能耗的主要因素,使用反射隔热涂料可使夏季室内温度最高降低约10 ℃;杨光等采用苯丙乳液分别与纳米TiO2、近红外陶瓷粉以及空心玻璃微珠复掺,制备了3 种具有较好隔热效果的节能涂层。隔热节能涂层的成膜基料应具备较好的近红外反射特性。

目前,选材主要以苯丙乳液及氟碳树脂为主,选材较为受限。邓教授课题组前研究成果表明,改性硅溶胶苯丙乳液复合涂层具有较高的近红外反射比,将是良好的隔热节能涂层的成膜基料。目前,采用白色金红石型TiO2 制备节能涂层报道较多,但色彩单一且易产生光污染。

邓教授采用高温煅烧形成离子掺杂的金红石型钛铬黄以及刚玉型铬绿为反射型颜料来制备彩色隔热节能涂层,在具有较好的装饰性的同时也可拓展其在装备及油罐等的环境伪装防护上的应用。对功能颜料的晶体特性、反射特性、节能涂层的反射特性及红外发射率进行测试及分析,进而阐述反射型节能隔热涂层的隔热机理,并测试复合涂层的实际隔热效果及力学性能,旨在为彩色隔热涂层的应用及研究提供一定的理论支撑。

改性硅溶胶及反射隔热涂层制备方法

KH560 改性硅溶胶的制备:将50 g 去离子水、50 g 无水乙醇加入三口烧瓶中,混合均匀后加入氨水调节pH 至9 左右;缓慢滴入100 g JN-30 型硅溶胶,接着滴入3 g KH560,超声分散10 min;然后该体系在60 ℃下反应8 h,即可得到KH560 改性硅溶胶。

硅溶胶改性前后的FTIR 谱图和粒径分布

颜浆的制备:将颜料与去离子水按质量比为1∶1 混合,然后加入质量分数1%的分散剂,在三辊研磨机中研磨均匀并过5 μm 筛。

隔热节能涂料的制备:将100 g 苯丙乳液和30 g KH560 改性硅溶胶搅拌均匀,作为建筑隔热节能涂层的成膜基料。依次向4 份(每份130 g)成膜基料中分别加入掺入量为5%、10%、15%及20%)(以成膜基料的质量计,下同)的颜浆,然后依次加入多功能助剂、消泡剂及成膜助剂(质量均为2g),机械搅拌均匀。

隔热节能涂层的制备:采用喷涂方式进行涂装,压力控制为0.3 MPa,喷涂量为0.6 kg/m2,喷涂垂直距离约为30 cm。马口铁试板成膜涂层用于测试涂层吸收反射特性、红外发射率以及力学性能,水泥板涂层则用于测试涂层隔热性能及耐腐蚀性能。

酸性盐溶液的制备:采用硫酸钠与重庆本地自来水配制质量分数为20%的盐溶液,滴入浓盐酸调节pH 至6 左右,用于测试涂层的耐腐蚀性。

改性硅溶胶制备的隔热涂层实验结果

采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)对碱性纳米硅溶胶进行接枝改性,其与苯丙乳液复合制备了节能涂层成膜基料,再分别向成膜基料中加入金红石型钛铬黄及刚玉型铬绿颜浆,制备了两类彩色隔热节能涂层。

(1)使用KH560 对硅溶胶进行改性,显著降低了硅溶胶的团聚,提升了硅溶胶体系的稳定性。同时,较改性前相比,硅溶胶改性后在苯丙乳液中的分散性更好。

(2)钛铬黄功能颜料为金红石晶型微米级粉末,主晶相为CrTiSbO6,结晶程度高,杂质相对较少,因此,NIR 反射比比铬绿颜料要高,具有更好的隔热节能效果。

(3)钛铬黄、铬绿掺入量分别为20%、10%时,涂层TSR 及NIR 反射比最大,最大时TSR 反射比分别为0.633、0.484,此时红外发射率分别为0.91、0.89,平衡温度分别为66.3、68.1 ℃,较空板板分别降低6.6、4.8 ℃。

单一的反射型隔热节能建筑涂层的隔热效果是有限的,下一步的研究重点是采用阻隔型为底涂,辐射型或反射型涂层为面层,设计并制备复合型隔热节能建筑涂层,增强涂层的隔热性能。

硅溶胶改性前后的SEM 图

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