低表面能透明隔热涂料的制备及其性能研究

摘要

随着我国经济增长方式的转变，环境不断恶化，极端气候频繁出现，造成我国南方大部分地区平均每年持续高温天气在24～27天或以上。高温不仅会对农业生产造成较大影响，同时使人体感到不适，工作效率降低，还可引发中暑、患肠道疾病和心脑血管等病症。降温制冷设备的使用会造成能源大量消耗，因此针对降低夏季室内气温的低能耗透明隔热涂料应运而生。
　　针对目前透明隔热涂料普遍存在耐污性能不足、有机挥发物质过多等问题，本文通过分析透明隔热涂料透明隔热机理及其耐沾污机理，选择氧化锡锑(ATO)作为功能填料，并通过聚合热解法制备出纳米级ATO半导体材料;选用水为反应介质，丙烯酸系和氟单体为反应单体，制备出具有低表面能疏水结构的乳液—含氟聚丙烯酸酯乳液，作为低表面能透明隔热涂料用成膜基体;采用机械搅拌与化学添加剂相结合的方法将两者混合为均相体系。选用喷涂法将该涂料均匀的在建筑物玻璃表面成膜，预期在一定程度上降低室内气温，缓解高温给人类带来的不便，降低能耗，同时有效提高涂层的耐沾污性能，降低有机挥发物质(VOC)排放量。
　　首先，对比分析聚合热解法及化学共沉淀法制备ATO的优劣，选择较佳的ATO制备方法，研究不同锑掺量对ATO性能的影响，通过单因素及正交试验对其水浆料的制备工艺进行探讨。结果表明:聚合热解法制备ATO工艺更简单、流程更简洁、所需时间更短，粉体粒径更小、粒径分布更加均匀、约为50nm，且不易发生团聚，分散更加均匀，电导率更大;当ATO的组成为摩尔比Sn∶Sb=11∶1时，ATO粒径最小，约为30～50nm;制备纳米ATO水浆料的最佳制备工艺条件为:机械分散时间为3.5h，化学分散剂用量为2.1％，分散盘转速为1050rpm。
　　其次，选用赋予树脂柔韧性的丙烯酸丁酯(BA)、赋予树脂硬度的甲基丙烯酸甲酯(MMA)及具有疏水性的甲基丙烯酸十二氟庚酯(DFHMA)等作为主要单体，应用种子-半连续法合成含氟聚丙烯酸酯乳液基体，并对乳液涂膜的基本性能作出评价。结果表明:当含氟聚丙烯酸酯乳液中成膜助剂乙二醇丁醚添加量为8％时，自然干燥条件下具有良好的成膜效果;聚丙烯酸酯乳液涂膜对紫外光的透过率最低为40％，可见光透过率最高达80％以上，具有良好的透明性同时也可有效阻挡紫外光;涂膜附着力等级为1级，具有较好的附着力;其与水的接触角平均为93.23°，与二甲基硅油的接触角平均为60.03°，表明具有较好的疏水疏油性能，使污染物不易附着于其表面，具有一定的耐沾污功能。
　　再次，采用自制含氟聚丙烯酸酯乳液为成膜基体、纳米级半导体材料ATO为功能填料，通过临界颜料体积浓度(CPVC)原理设计涂料配方。配制一系列不同PVC的涂料，测试其密度及光泽度;测试结果表明，当涂料的PVC约为0.6时，此时涂料密度最大，为1.01397051 g/cm3，光泽度最低，为35.6，即涂料的CPVC约为0.6。研究不同机械手段对涂料贮存稳定性的影响，结果表明:多功能分散研磨机制备低表面能透明隔热涂料贮存稳定性较好，既无结皮，也不产生聚沉大颗粒，且粘度变化小于15％。
　　最后，将低表面能透明隔热涂料经喷枪均匀喷涂在规格为16×16cm的玻璃板上，涂膜厚度约为20μm。采用自制隔热测试装置系统测试其隔热性能、可见-红外-近红外分光光度计分析其透明性能及隔热性能、冲水装置测试其耐沾污性、气相色谱分析技术定性定量检测其VOC含量。结果表明:系统内部温度在30℃以上时透明隔热涂料涂膜具有明显隔热效果。在300W碘钨灯照射条件下，涂覆涂层的试验箱内部温度最大降温值约1.5℃，在1000W碘钨灯照射条件下，涂覆涂层的试验箱内部温度最大降温值约2.5℃;涂层可见光范围内透过率在70％以上，具有良好的透明性;含氟涂层在耐污试验前后基本无色差，耐污等级为0级，具有良好的耐污性能;气相色谱分析可知涂料中的VOC主要成分为疏水性单体DFHMA和成膜助剂乙二醇丁醚，其总含量约为2.5g/L，远远低于《室内装饰装修材料内墙涂料中有害物质限量》(GB18582-2008)中关于水性涂料VOC含量≤120g/L的规定，即制备的耐污型透明隔热涂料VOC含量非常低，是一种环境友好型涂料。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 透明隔热涂料国内外研究现状

1．2．2 耐污型涂料种类及其研究现状

1．3 研究目的和意义

1．4 研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 低表面能透明隔热涂料作用机理

2．1 纳米半导体材料光谱选择性机理

2．2 耐污涂料耐污机理

2．2．1 表面张力、表面能及疏水界面的定义

2．2．2 涂膜耐污机理

2．2．3 接触角方程及接触角测定

第三章 功能填料与水浆料的制备及性能表征

3．1 功能填料的选择

3．2 ATO制备方法的选择

3．2．1 实验试剂及仪器

3．2．2 制备步骤

3．2．3 试样表征

3．2．4 结果分析

3．3 锑元素掺量的确定

3．3．1 不同锑掺量ATO制备

3．3．2 不同锑掺量ATO表征

3．3．3 结果与讨论

3．4 ATO水浆料的制备工艺及其稳定性能评价

3．4．1 实验试剂及仪器

3．4．2 稳定性评价方法

3．4．3 单因素试验

3．4．4 正交试验

3．5 本章小结

第四章 含氟聚丙烯酸酯基体制备及性能测试

4．1 含氟聚丙烯酸酯乳液制备

4．1．1 试剂及仪器

4．1．2 乳液制备

4．2 含氟聚丙烯酸酯乳液特征及性能表征

4．2．1 固含量及粘度测试

4．2．2 成膜性能测试

4．2．3 可见光透过率测试

4．2．4 疏水疏油性能测试

4．2．5 附着力及耐水性能测试

4．3 测试结果及分析

4．3．1 固含量及粘度测试结果

4．3．2 成膜性能测试结果

4．3．3 可见光透过率测试结果

4．3．4 疏水疏油性能测试结果

4．3．5 附着力及耐水性能测试结果

4．4 本章小结

第五章 含氟聚丙烯酸酯透明隔热涂料制备

5．1 配方设计

5．1．1 PVC及CPVC概念

5．1．2 PVC计算方法

5．1．3 CPVC的确定

5．2 涂料制备方法的探讨

5．2．1 涂料制备方法

5．2．2 稳定性测试方法及结果

5．3 本章小结

第六章 低表面能透明隔热涂料性能测试及表征

6．1 隔热性能测试

6．1．1 测试装置及测试方法

6．1．2 测试结果及分析

6．2 透明性能测试

6．3 耐污性能测试

6．4 VOC排放量测试

6．4．1 VOC含量检测方法、设备及原理

6．4．2 主要操作步骤

6．4．3 检测结果及分析

6．5 本章小结

第七章 结论及展望

7．1 主要结论

7．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论文专著及取得的科研成果