硅酸盐系隔热涂料的配方研究于明涛,万 隆,刘小磐,汪 洋 (湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082) 摘 要:研制了一种可以在常温下涂刷使用、环境友好型的硅酸盐系隔热涂料,通过二次正交试验L9(33)的方法对涂料配方中主要的隔热组分:中空玻璃微珠、海泡石、二氧化钛的隔热性能进行了分析研究,并最终得到较好的涂料配方:成膜助剂酸改性水玻璃25g、空心玻璃微珠6g、海泡石10g、二氧化钛6g、滑石粉3g、高岭土3g。
通过检测,涂料具有较好的机械性能和隔热效果。
关键词:硅酸盐;隔热;正交试验中图分类号:T Q63017 文献标识码:A 文章编号:0253-4312(2007)09-0025-04For m ul a ti on D esi gn of S ili ca te Hea t-I n sul a ti n g Coa ti n gsYu M ingtao,W an Long,L iu Xiaopan,W ang Yang(College of M aterial Science and Engineering,Hunan U niversity,Changsha Hunan,410082,China) Abstract:The title envir onment friendly silicate heat-insulating coatings was devel oped,which can be app lied at r oom te mperature.Thr ough t w ice orthogonal experi m ent design L9(33),the heat insulati on p r op2 erties of the main in gredients,such as holl owglass beads,sep i olite and Ti O2,are investigated t o give the best f or mulati on—acid modified s odiu m silicate binder23g,holl ow glass bead content6g,sep i olite10g, titaniu m di oxide6g,talc3g,kaolin2g.By relevant testing,the coating exhibit better mechanical p r oper2 ties and ther mal insulating perfor mance. Key W ords:silicate;heat-insulating;orthogonal experi m ent design0 引 言随着现代工业化进展的加快,金属材质的建筑设施由于其施工期短、成本低、维护方便等优点被很多的单位厂房所采用,而金属材质结构由于其自身的导热系数高、传热快,往往会造成建筑物受外部空间环境温度的影响较大。
目前一般采用建筑物内安置空调的方法来改善这种状况,而这又大大增加了能源的消耗。
有资料显示建筑能耗占人类能源消耗的30%～40%,而其中绝大部分用于采暖和空调[1-3]。
因而,开发一种新的隔热产品在能源紧缺的时代已经势在必行[4],隔热节能涂料因其经济性、使用方便和隔热效果可靠等优势日益受到人们的重视。
国内外都为此开展了大量的研究,已取得了一定的研究及应用成果[5-8]。
本实验研制了一种能在金属基体表面使用的环保型硅酸盐矿物隔热涂料,通过正交实验法对涂料配方的重要组分进行了探索调整,并对影响涂料隔热性能的因素进行了分析。
1 实验方法111 原料和设备涂料的粘结剂采用酸改性的水玻璃,水玻璃模数n=218;主要填料为工业级海泡石(180目);中空玻璃微珠(150目);颜料采用工业级金红石型二氧化钛(白度≥90%);辅助材料为滑石粉(300目);高岭土。
主要设备:红外灯(250W,220V);热电偶;温控显示器; DJ-1电动搅拌机;箱式电阻炉;CJQ-Ⅱ漆膜冲击器;TH-500电子天平;秒表;油漆刷;刀片;NDJ-1型旋转式黏度计。
112 涂料制备工艺及检测涂料的制备工艺见图1。
采用的试样为直径9mm,厚度015mm的低碳钢片,在实验中将按照一定的配方制成涂料,并将涂料涂敷在试样的表面,待涂层表面干燥固化后对涂层进行隔热性能测试,测试装置的剖面图如图2所示。
测试时,使试样涂有涂料的一面朝上接受红外灯的照射,试样与红外灯垂直距离为6c m,热电偶插入试样下方密闭空间内,距试样垂直距离为3c m,同时,热电偶外接一个温度控制器,观测在红外光源的照射下密闭空间内温度的变化。
在实验中对涂有不同配方涂料的试样进行20m in红外照射,比较不同涂料配方的隔热效果。
同时,根据相应的国家标准对涂料的物理机械性能进行检测。
根据G B/T1728—1979测定涂料的表干时间、实干时间;根据G B/T13452.2—1992测定涂层的厚度;根据G B/T1732—25第37卷第9期涂料工业Vol.37 No.9 2007年9月P A I N T&COATI N GS I N DUSTRY Sep.2007图1 涂料的制备工艺Fig .1 The p reparati on ofcoatinga —红外灯(250W ,220V );b —试样;c —测温热电偶;d —温控显示器;e —隔热纤维棉图2 隔热测试装置剖面图Fig .2 Pr ofile chart of the heat -insulating equi pment1993测定固化涂层的耐冲击性能;根据G B /T9286—1998采用划格法测定涂层对基体的附着力;采用NDJ -1型旋转式黏度计测定涂料常温下的黏度,根据G B /T1735—1979测定涂层的耐热性。
2 结果与分析211 正交试验实验采用L 9(33)正交设计,为海泡石(A )、玻璃微珠(B )、二氧化钛(C )三因素三水平实验,其中组分海泡石的三水平分别为7g 、3g 、11g;玻璃微珠的三水平分别为3g 、7g 、11g;二氧化钛的三水平分别为6g 、3g 、9g,在实验中固定粘结剂用量和填料总质量,选用滑石和高岭土作为非独立因素D,通过正交实验测试中的极差分析考察海泡石、玻璃微珠、二氧化钛三种组分对涂料隔热性能的影响,各组配方的隔热效果测试的实验数据见表1。
表1 隔热测试结果Table 1 The exper i m en t a l result of hea t -i n sul a ti n g testi n g编号A B C DΔt 173612752773117237119177433319765379980631168787113956581176460911113369t 1741677271t 2787016772133总和t 3641677416774=652R1313343 注:每组配方中固体颗粒物料A +B +C +D =28g .分析第一次正交试验的各组配方隔热效果,得到较好的因素组合A3,B2,C1(即海泡石11g,玻璃微珠7g,二氧化钛6g ),然后在第一次试验得到的配方基础上,对A,B,C 三组分的水平进行了重新调整,组分海泡石的三水平分别为12g 、11g 、10g;玻璃微珠的三水平分别为8g 、6g 、7g;二氧化钛的三水平分别为5g 、6g 、7g,通过第二次正交试验来进一步来优化配方,结果如表2。
表2 优化配方后测试结果Table 2 The exper i m en t a l result of prescr i pti on by a just 2m en t编号A B C DΔt 112853622126645131277255411863625116746361175563710873598106575191076558K 1168183176K 2188165171K 3168176177k 1566158167k 2621675557k 3565816759R616762 注:每组配方中固体颗粒物料A +B +C +D =28g .从表2优化后的隔热测试结果中比较三个主要隔热组分因素的级差R,A 的级差最大,其次是B,再次是C 。
所以,当各因素的水平变动时,组分A (海泡石)、B (玻璃微珠)、C (二氧化钛)对涂料的隔热效果影响是递减的。
26最后通过进一步的分析计算,得出的隔热涂料的最终配方见表3。
表3 最终涂料配方Table 3 The l a st prescr i pti on of coa ti n g 原料质量/g粘结剂25海泡石12玻璃微珠6二氧化钛6滑石粉3高岭土3 按照配方制作涂料,根据相应的国家标准对最终涂料配方的的性能进行检测,具体结果如表4。
表4 涂料的性能测试结果Table 4 The exper i m en t a l result of coa ti n g πs perfor mance 检测项目结果颜色白色黏度/(mPa ・s )1400～1500涂层厚度/mm 0121～0125表干时间/h 015实干时间/h 115附着力/级0耐热温度/℃>500耐冲击性/cm50 同时还对隔热涂料、未涂涂料的试样、C53-33型普通金属防锈保护涂料的隔热效果进行了一个相关的隔热测试比较,见图3。
在室温稳定的情况下,同样的红外光源照射20m in 后,密闭空间升高的温度分别为50℃、72℃、81℃,隔热涂料表现出良好的隔热效果。
图3 3种样品的隔热性能比较Fig .3 The compare of three sa mp le about heat -insulating212 因素分析结合两次正交实验数据,对配方中重要隔热组分的隔热效果进行分析,如图4所示。
图4 几种因素的隔热效果关系图Fig .4 The relati onshi p bet w een the ingredients and the effect of ther mal insulating 从图4-A 可知,对于海泡石来说,当涂料中海泡石的含量从10g 变化到12g 时,经历了一个中间点,两个阶段,首先当海泡石含量从10g 变化到11g 时,经过红外光源20m in 的照射,密闭空间温度升高,隔热效果变差;而当海泡石含量继续增多到12g 的时候,隔热效果又呈一个变好的趋势,经过红外光源20m in 的照射后密闭空间的温度开始降低,隔热效果又呈一个变好的趋势。
因为涂料的隔热性能是多种组分交叉作用的结果,而海泡石作为重要的隔热纤维填料,只有当其纤维体系均匀地分散在粉料和基料形成的涂膜中,才能发挥出其最佳的隔热效果。