环保型硅酮树脂热反射涂料的发展前景

yezi231

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 　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。