摘要 : 介绍了硅酮树脂热反射涂料的制备、热反射率与颜填料的折光指数、选择及热反射涂
料的发展方向。关键词 : 环保 ; 热反射涂料 ; 发展前景
1 引 言
环境与健康是 21 世纪人类关注的最重要主题之一。随着人们环保意识的不断提高 , 环保标志正成为涂料市场上最有效的 “ 通行证 ” ; 随着世界气候变暖 , 气温逐年上升 , 建筑业、石油工业、运输业、兵器工业等迅速发展 , 要求使用反射绝热的新型涂料 , 以降低暴露在阳光辐射下装备的表面温度 , 阻止热传导 , 改善工作环境 , 提高安全性 [1] 。目前 , 国外在热反射涂料的理论研究方面较完善 [2] , 已广泛应用于各领域。例如建筑物的屋顶和玻璃幕墙用反射绝热涂料 , 海上钻井平台、油罐、石油管道 , 运输业的汽车、火车、飞机表面 , 造船工业的船壳、甲板 ; 以及坦克、军舰、火箭、宇宙飞船等。硅酮树脂热反射涂料的使用可达到节约能源的效果 , 也可有效的保护被涂物体 , 而且安全无毒 , 对环境友好。由此可见 , 硅酮树脂热反射涂料具有广阔的市场前景。
2 热反射涂料的新技术
常见的隔热方法有采用隔热层、金属镀膜和热反射涂料等途径。热反射涂料有氧化铝粉反射涂料 , 但铝粉在太阳热波长区域内反射效率低 , 因为铝粉本身可传热 , 夏天在阳光的照射下 , 涂膜表面的温度可达 60 ℃ 以上 [3] ; 在相关专利技术文献报告中 , 中国专利公告 CN1030142 和 CN1204672 公开的白色隔热涂料配方 , 是以聚乙烯醇酸树脂、醇酸树脂和丙烯酸改性醇酸树脂为成膜物质 , 虽具有一定的隔热降温功效 , 但这三种树脂涂料需采用二甲苯等溶剂溶解 , 是环境的不友好涂料。若在物体表面镀一层 SiO 2 / Me 、 SnO 2 / Me 或 ZnS/ Me 等金属膜 [4] , 其隔热效果显著 , 但工艺复杂 , 容易受到工作环境和基材的局限 , 进而影响其效用和耐久性。近年来广大科研工作者在环保材料方面开展了大量研究工作 , 硅酮树脂材料因其具有抗渗、保色、耐高温、耐久、透气、耐老化、对紫外线和大气有良好的稳定性 , 等特点 , 已引起国内外广大科研工作者的特别关注 [5] , 太阳热反射涂料以硅酮树脂作基料 , 不污染环境 , 是一种生态环境材料。所以这种涂料愈来愈受到重视。
2 . 1 原料的选择
2 . 1 . 1 基料树脂的选择
用于绝热反射涂层的树脂对可见光和近红外光的吸收越小越好 , 通常要求树脂的透明度高 , 对光热的吸收率低。基料树脂一般选择水溶性化学反应树脂 , 水溶性化学反应树脂有 : 不含尿烷键的导热系数为 (17 ～ 25) × 10 -4 J/ (cm · s ·℃ ) 、比热是 0 . 2 ～ 0 . 4 的硅酮树脂 [5] ; 导热系数是 (13 ～ 25) × 10 -4 J/ (cm · s ·℃ ) 、比热是 0 . 2 ～ 0 . 4 的丙烯硅酮树脂 ; 导热系数是 (13 ～ 21) × 10 -4 J/ (cm · s ·℃ ) 、比热是 0 . 2 ～ 0 . 3 的丙烯酸树脂。总之 , 一般常用的涂料树脂都可以用。因此 , 硅酮树脂 [3] 、氨基甲酸乙酯树脂 ( 尿烷树脂 ) 、聚酯树脂、醇酸树脂、有机硅改性聚酯树脂、有机硅改性醇酸树脂、含氟树脂、丙烯酸树脂、丙烯硅酮树脂等都可用作热反射涂料的基料 , 只是要求树脂的透明度高 , 透光率在 80 % 以上 [2] 、对阳光能量的吸收率低 , 且尽量使树脂中少含 — C — O — C 、 >C = O 、 — OH 等吸能基团 [4] 。
近年来广大科技工作者在环保材料方面开展了大量工作 , 因硅酮树脂涂覆材料具有优良的抗水性、耐高温性、耐潮湿性 , 以及对臭氧、紫外线和大气的良好稳定性 , 而且具有溶于水、防锈性优良、无气味、无污染、防降解等优良性能。该类树 脂制作的涂料不含任何有机溶剂 , 对生态环境没有危害 , 对人类健康不产生负面影响 , 所以有人称该类涂料为 “ 环境友好涂料 ” 。该类树脂的触变性可以调节 , 有利于防止涂料的储存沉降 , 这种树脂的分子链结构中有特殊的结构单元 , 涂层在户外雨淋日晒的过程中 , 这种高分子树脂发生局部分子链断链 , 使涂层表面微粉化 , 经雨水冲刷后 , 又得到新鲜的涂层表面 , 使涂层总处于崭新状态 , 能保证涂层的高太阳热反射能力。
2 . 1 . 2 颜填料的选择
防锈底漆颜料的选择 : 一般热反射涂料选用铝粉底漆 , 考虑铝粉底漆的贮存稳定性不好 , 采用铁红、三聚磷酸铝、丹宁酸体系。
太阳光反射面漆颜料的选择 : 热反射涂层的主要指标 
热反射率取决于颜料与树脂的折光指数以及涂层厚度。参照美国军标 [2] , 一般浅色涂料的反射率标准定在 75 % 以上 , 而深色涂料的反射率标准定在 50 % 以上。目前太阳光反射涂料在国内处于研制开发阶段 , 没有形成批量产品 [6] , 因此 , 查到的所有资料中显示 , 我国还没有建立相应的企标或国标。当树脂的折光指数以及涂层厚度一定的条件下 , 反射率取决于颜料的折光指数和纯度。
大家都知道太阳光线是由紫外线、可见光、近红外线组成 , 其能量合计是 2 926kJ/ m 2 。太阳光放射能量的分布 : 紫外线放射能量占总能量的 2 . 5%, 可见光占 44 . 3%, 近红外线占 53 % [3] ; 包含紫外线、可见光、近红外线的太阳能量波长区域是 (0 . 2 ～ 2 . 5) μ m [3] 。太阳热反射效率在波长为 (0 . 2 ～ 2 . 5) μ m 区域内最好 , 所以选择陶瓷作填料。
2 . 2 热反射率的影响因素
热反射率取决于颜料与树脂折光指数的比值、涂层厚度、颜料粒径、纯度以及涂料的颜料体积浓度 (PVC) 值。树脂的折光指数范围一般 1 . 45 ～ 1 . 50 [2] , 其中常用的醇酸树脂和环氧树脂的折光指数接近 1 . 48 ; 而含氟聚合物具有相对较低的折光指数 1 . 34 ～ 1 . 42 。可见选择不同的有机树脂 , 涂层的热反射效果不会发生显著的改变。热反射的强弱主要是用物质的折光指数来表征的 , 折光指数越大 , 对阳光的反射能力越强。热反射涂料的反射率还取决于涂料中颜填料的光学属性 ( 全反射和散射 ), 涂料中的颜填料主要以散射为主。颜填料的折光指数 n p 比树脂的折光指数 n r 可计算出颜填料对白光的散射能力 m, 即
m = n p / n r (1)
由式 (1) 可知 , 颜填料的折光指数与树脂的折光指数相差越大 , 对太阳光的反射能力越强。颜填料与树脂的这种折光指数的关系 , 与颜填料的遮盖力有一定的关联。显然 , 颜填料的遮盖力越强 , 散射热的能力越强。二氧化钛是遮盖力最好的颜填料 , 对白光的散射能力值达到 1 . 9 [7] ; 重晶石、滑石粉等是白色颜填料 , 散射能力值为 1 . 10 , 它们的散射光线能力弱 , 且不改变反射曲线的形状 , 但改变光线总量。因此可以将遮盖力作为选择热反射涂料用颜填料的依据。一旦颜填料选定后 , 颜填料的粒径对涂层的热反射性能起关键作用。
颜填料的折光指数 [3] : 二氧化钛为 2 . 80 ; 氧化锌为 2 . 20 ; 二氧化硅为 1 . 54 ; 氧化铝为 1 . 70 。
为了提高热反射效率 , 日本研制出了一种粒径在 1 μ m [3] 以下的陶瓷填料 ( 由二氧化钛、氧化锌、氧化镁、二氧化硅、氧化铝组成 ), 这种填料具有导热系数以及比热小的特点 , 将它使用于具有散热性、平滑性优良的面漆涂料树脂中 ; 使用于粘着性优良的底漆涂料树脂中 , 挥发溶剂非常少 , 可制成不容易污染、与环境友好、保持涂膜光滑的反射涂料。这种涂料可保持涂膜表面温度与室外温度大体接近的温度 , 将这种遮光隔热涂料涂刷在建筑物的屋顶上、外墙表面 , 可防止内部温度上升 , 降低了空调消耗费用。另外 , 因为涂膜表面光滑 , 不容易污染 , 可长期维持遮光隔热的效果。再就是底漆涂料具有太阳光反射性能 , 又是粘着性和防水性优良的涂料 , 可发挥长期维持涂膜的效果 , 在涂料业发展前景广阔。
反射太阳热的波长在 (0 . 2 ～ 2 . 5) μ m 的范围 , 反射效果最好 [3] 。将反射效率高的热反射陶瓷填料 , 通过高温烧结成粒子 , 在晶粒边界的界面 , 耐弯曲率不连续 , 太阳光容易错乱 , 所以粒径最好在 1 μ m 以下 , 粒径在 (0 . 2 ～ 0 . 5) μ m 是最为理想的。因为当反射热陶瓷填料的粒径在 (0 . 2 ～ 0 . 5) μ m 之间 , 就能够均匀分散于水溶性树脂内 , 涂刷后的涂膜面就很光滑。当反射热陶瓷填料的粒径较大时 , 涂膜凸凹不平 , 无光滑性 , 容易污染 , 导致涂膜表面 面温度上升 , 达不到降温的效果。 2 . 3 制备
将 35 份热反射陶瓷填料 ( 成分有 : 二氧化钛占 90 % 、氧化镁占 5% 、二氧化硅占 3% 、氧化铝占 2%) , 混合于 100 份硅酮树脂溶液中进行分散混合 , 制成分散溶液。将此溶液涂刷在厚度为 0 . 8mm 镀锌铁板 ( 或者白铁皮 ) 上 , 涂刷的涂膜厚度为 70 μ m [3] , 在常温下固化干燥 1h 样品就制成了。在此需要说明的是 : 热反射陶瓷填料与树脂的配比量是相对于 100 份的树脂 , 热反射陶瓷填料的量在 20 % ～ 200 % 最好。当热反射陶瓷填料的量不足 20 % 时 , 反射太阳热的性能差 , 但是 , 当热反射陶瓷填料的量超过 200 % 时 , 涂敷时的粘着性和耐冲击性等物性欠佳。要组成这种涂料 , 按照需要可使用防锈颜料、填充颜料、分散剂、粘度改良剂、表面平滑剂、沉降剂、紫外线吸收剂、分色防止剂等。作为着色剂 , 可任意配合各种有机以及无机系列的颜料 , 但基本的一条 , 绝不能混合有降低可见光范围内光反射率的着色剂。
3 热反射涂料的发展动态
为适应环境保护的需要 , 而且能保证在户外寿命过程中涂层的高热反射能力 , 理想的热反射涂料除了应具备折光指数大以外 , 还应该满足涂层有一定的厚度 , 而且粒径应在 1 μ m 以下 [3] ( 在 0 . 2 ～ 0 . 5 μ m 是最为理想 ) 、纯度高、性能长期稳定、耐候性强、价格低廉、形成涂层工艺简单、对环境无污染等条件。
目前 , 热反射涂料一般分为底漆、中涂漆和面漆三层 ( 即多层涂料体系的热反射涂料 ) 。底漆以防锈为目的 , 需遮盖力强 , 中涂漆是主要的反射隔热层 , 传导系数小 , 面漆反射太阳光中的可见光和近红外光区的能量 , 并提供期望的颜色。隔热层的隔热效果有一定的局限 , 要求面漆反射绝大部分的太阳光能。但多层涂料体系的热反射涂料 , 在涂覆过程中很难保障面漆层的光滑度 , 也很难保证厚度一致 , 因此开发单层涂料体系 ( 既能防锈、隔热 , 又有高光泽的涂料 , 只涂覆一层即可 ) 的热反射涂料具有一定的经济价值。
为获得理想的热反射涂料 , 近年来 , 国外在反 射功能强及无污染方面比较下功夫。热反射涂料将选择向功能化、超耐候性、与环境友好化的方向发展。
建筑涂料占涂料总产量的比重大 , 我国约占 40 %, 工业发达国家占 50 % ～ 60 % 。建筑涂料水性化的比例也高 , 法国、瑞士、西班牙等欧洲国家水性化比例已达 70 % ～ 90 %, 英国为 80 % 。高性能建筑乳胶涂料要求具有较高的强度、弹性和附着力 , 以及十分突出的环保性、耐沾污性、耐水性、耐酸碱性 , 良好的透气性和高光泽性。热反射涂料目前已在建筑屋顶领域以及石油工业、运输业、兵器工业等其它领域应用 , 市场前景广阔。
4 结 语
采用水溶性硅酮树脂为成膜材料 , 以粒径在 1 μ m 以下的陶瓷为填料制作的热反射涂料 , 性能稳定、光滑性好、热反射功能强、不容易污染 , 是与环境友好的涂料 , 对生态环境不造成危害 , 对人类健康不产生负面影响。这种涂料是具有更低热吸收率的涂层 , 可涂在金属、混凝土、玻璃、墙面砖、木材、泡沫塑料等表面 , 是一种可以广泛应用于石油、液化天然气等有机液体金属储罐、石油管道、石油运输罐、粮库、冷库、车船、工业建筑、民用建筑等表面涂装的太阳热反射涂料。所以 , 热反射涂料系列具有广阔的发展前景。
作者：何 睿 湖南省岳阳市巴陵石油化工有限责任公司
