论文总字数：28808字

摘 要

建筑物的降温、取暖以及储油罐的降温每年会消耗大量的能源，隔热涂料的应用可有效减少不可再生能源的浪费。针对目前隔热涂料成本较高的问题，本文选用贝壳粉作为体质填料、水性氟碳乳液作为成膜树脂、金红石型二氧化钛作为颜料、空心微珠作为功能性填料制备了贝壳粉隔热涂料，并测试了涂层的太阳反射率、隔热性能、耐洗刷性以及漆膜附着力。一方面，将1500目贝壳粉隔热涂料与钛白粉隔热涂料、碳酸钙隔热涂料进行了对比，实验结果表明1500目贝壳粉隔热涂料的太阳反射率高于钛白粉隔热涂料和碳酸钙隔热涂料，且1500目贝壳粉隔热涂料的隔热效果最佳。另一方面，研究了贝壳粉粒径对隔热涂料性能的影响，实验结果表明随着贝壳粉粒径的降低，隔热涂料的太阳反射率增大，涂层的隔热性能提高，涂层的耐洗刷性增强。贝壳粉作为填料，对隔热涂层的隔热性能的改善作用归因于贝壳粉的颗粒形状不规则且颗粒粒径分布较宽，空心微珠与贝壳粉的堆积紧密，可有效阻隔热量的传输。

关键词：隔热涂料，贝壳粉，水性氟碳树脂，隔热性能，太阳反射率

The Influence of Shell Powder as filler on the Properties of Thermal Insulation Coating

Abstract

In summer, cooling building and oil storage tank costs a lot of energy. The application of thermal insulation coatings(TICs), also called cool coatings, has become an important priority to reduce the energy consumption. In view of the high cost of the present TICs, the objective of this study is to use shell powder, waterborne fluorocarbon, titanium dioxide rutile and hollow glass microspheres to produce TICs, and to evaluate the effect of shell powders as filler on their solar reflectance, thermal insulation effect，film adhesion and scrub resistance. The influence of shell powder on the performance of TICs was compared with titanium dioxide rutile and calcium carbonate. Experimental results showed that the TICs with shell powder possess the highest solar reflectance and the best thermal insulation effect. We also discussed the influence of particle size of shell powder on the properties of TICs was also investigated. It was found that the solar reflectance, the heat insulation performance and the wash resistance of the coating improved with the decrease of particle size of shell powder. The improved thermal insulation effect of the TICs with shell powders as filler was attributed to the irregular shape and the wide size distribution of shell powders, which results in the close accumulation between the HGMs and shell powders. The close accumulation can effectively insulate the thermal transmission.

Keywords：thermal insulation coatings, shell powder, waterborne fluorocarbon, thermal insulation effect, solar reflectance

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2隔热涂料简介 1

1.2.1隔热涂料的组成 1

1.2.2 隔热涂料的分类及隔热机理 3

1.3贝壳粉简介 4

1.4 水性氟碳树脂简介 5

1.5隔热涂料的研究现状及发展趋势 6

1.5.1隔热涂料的研究现状 6

1.5.2隔热涂料的发展前景 8

1.6课题研究意义和内容 8

1.6.1 课题研究意义 8

1.6.2 课题研究内容 9

第二章 实验材料与方法 10

2.1 原料与实验仪器 10

2.1.1实验原料 10

2.1.2实验仪器 10

2.2填料性能测定 11

2.2.1填料结构的分析 11

2.2.2填料微观形貌的观察 11

2.2.3填料太阳反射率的测定 11

2.2.4填料粒径分布测定 11

2.3涂料的制备 12

2.4涂层太阳反射率的测定 13

2.5涂层隔热性能的测定 13

2.6 涂层耐洗刷性的测定 14

2.7涂层漆膜附着力的测定 15

第三章 颜填料性能 16

3.1贝壳粉的性能分析 16

3.1.1 贝壳粉粒径分布 16

3.1.2贝壳粉的结构 17

3.1.3 贝壳粉的微观形貌 18

3.1.4贝壳粉的太阳反射率 18

3.2钛白粉的性能分析 19

3.2.1钛白粉的结构分析 20

3.2.2钛白粉的微观形貌 20

3.2.3钛白粉的太阳反射率 21

3.3轻质碳酸钙的性能分析 21

3.3.1碳酸钙的微观形貌 21

3.3.2碳酸钙的太阳反射率 22

3.4空心微珠的性能分析 22

第四章 贝壳粉对隔热涂料性能的影响 24

4.1贝壳粉、碳酸钙和钛白粉作为填料对隔热涂料性能影响 24

4.1.1 涂料的太阳反射率 24

4.1.2 涂层的隔热性能 25

4.2贝壳粉粒径对隔热涂料性能的影响 28

4.2.1 涂料的太阳反射率 28

4.2.2 涂层的隔热性能 30

4.2.3 涂层的耐洗刷性 33

4.2.4 涂层的漆膜附着力 34

4.3本章小结 35

第五章 结论 37

参考文献 38

致谢 40

第一章 绪论

1.1引言

随着全球不可再生资源的减少、温室效应的加剧以及全球环境的恶化，节能环保逐渐成为大家所追求的目标。一方面，城市化的飞速发展，给经济、社会和环境带来了巨大挑战，同时城市环境的恶化和城市热岛效应的加剧已成为全球所面临的重大问题。夏季，建筑物外墙温度可达50℃左右，这使得建筑物内温度也较高，需要人工强制降温，消耗大量电能。据估计，大约40%的能源消耗来自于建筑物，大约15%的电力消耗用于建筑物降温和取暖^[1]。另一方面，夏季太阳辐射强度较高，储油罐表面温度可高达80℃，而高温容易造成储油罐中原油的蒸发损失，在中国上海，夏季一个体积为5000m³的储油罐中汽油和柴油的蒸发损失分别为每天350kg和20kg^[2] ，通常使用喷水冷却的方法来达到降温的目的，但这会造成电能和水资源的巨大浪费，且会加剧罐体的腐蚀。假设在炎热的天气里使用功率为37KW、流速为160m³/h的喷水泵来冷却一个2000m³的储油罐，水泵工作5个月，每天工作6小时，则平均每年消耗电能33300KWh、用水14400m³。因此研究隔热涂料来降低建筑物能耗和储油罐原油蒸发损失对节能环保有着重要的意义。

我国海岸线长、海洋面积大，贝壳资源丰富、数量充足，每年会有大量贝壳废弃，通常采用填埋的方式处理，但这种处理方法不仅是资源的一种浪费，同时会增加环境负担。因此，回收利用废弃贝壳可解决这种方法的不足，对环境保护产生潜移默化的影响。贝壳中含有95%以上的CaCO₃与微量的有机质^[3-6]。贝壳中的碳酸钙晶体结构多为方解石型或文石型^[3-9]，且贝壳的化学性质稳定，表面不易霉变。研究得知重质碳酸钙应用在涂料中具有提高涂料的耐洗刷性、使涂料均匀等优点^[10]，且碳酸钙的热导率为0.05W/(m·K)，接近空心微珠的热导率（0.045W/(m·K））。将贝壳粉作为填料制备隔热涂料，既可将废弃贝壳回收利用，对保护环境做出贡献，也可降低涂料生产成本。

1.2隔热涂料简介

1.2.1隔热涂料的组成

物体所受热量主要来自于可见光范围（400-720nm）和近红外区域（720-2500nm）的太阳辐射，表1-1为太阳热辐射光谱范围^[11]。而隔热涂料则是一种通过反射太阳热量或选择性吸收太阳光从而降低建筑外墙和储油罐温度的功能性涂料^[1]。隔热涂料可有效降低建筑外墙或储油罐外表面的温度，从而使内部温度升高幅度减小，减轻夏季的降温负荷，起到节能减排的作用。

表1-1 太阳热辐射光谱范围

隔热涂料一般由成膜树脂、颜料、填料等组成^{[12, 13]}。成膜树脂是涂料的成膜物质，对涂料的性能有直接的影响^[13]。通常要求成膜树脂对太阳光的吸收率较小，以避免树脂发生紫外老化现象，其结构中尽量少含有吸热基团，如-C-O-C-、-OH、C=O等^[11-18]，且成膜树脂应具有一定的耐水性和弹性，以防涂料干燥后出现裂纹等现象^{[11, 12]}。

颜料是一类有色的细小颗粒状物质，通常不溶于分散介质中，可有效改善涂料的物理和化学性能^{[19, 20]}，如遮盖性、耐候性、耐化学性等。涂料中常用的颜料包括钛白粉、炭黑、氧化铁红、氧化铁黄等^{[11, 16]}。其中钛白粉主要有两种晶型，分别为金红石型和锐钛矿型^{[14, 16, 17, 19-21]}，锐钛矿型钛白粉由于在耐候性、遮盖力和抗粉化性等方面不如金红石型钛白粉，一般用于内用场合，而金红石型TiO₂具有稳定的晶体结构，且其在抗粉化性和耐候性等方面均优于锐钛矿型TiO₂^{[22, 23]}，对红外光和可见光有较强的折射能力，其折光指数约为2.8，具有较强的遮盖力(30m²/kg)，因此在隔热涂料中的应用最广泛。炭黑是质轻、极细的无定形炭粉末，其具有耐色牢度高、耐酸、耐碱的特点^[19]。氧化铁红具有很高的化学稳定性，良好的耐碱性和耐热性，可强烈吸收紫外线，且耐候性良好^[19]。氧化铁黄的耐光性、耐候性、耐碱性等都非常好，可有效吸收紫外线，但耐酸性较差^[19]。

填料也称为体质填料，是一类以填充为目的的细小颗粒状物质^[19]，不溶于分散介质中，可提高漆膜附着力、耐水性、抗紫外和隔热等性能。通常选用的填料包括滑石粉、高岭土、SiO₂、CaCO₃等。滑石粉是由天然滑石矿石磨细而成的粉末，其可改善涂料的易施工性，且滑石粉的纤维状结构对涂层起到增强的作用，可提高涂层的耐久性。高岭土具有良好的流动性，可起增量剂的作用从而提高涂料的遮盖力^[19]。二氧化硅的比表面积较大，分散力较强，用作填料时不会降低遮盖力。碳酸钙分为重质碳酸钙和轻质碳酸钙两种^[23]，其中轻质碳酸钙的颗粒细，着色力和遮盖力强，而重质碳酸钙具有提高涂层耐洗刷性、提高涂料均匀程度等优点。隔热涂料中常选用空心玻璃微珠作为功能性填料，其具有圆形微观结构，可在涂层中形成空心腔体群阻碍热量的传递，其热导率较低而反射率较高，从而得到很好的隔热效果^{[12, 15, 24]}。

助剂作为涂料的重要组成部分，可有效改善涂料的性能，提高涂料的施工性，常用的助剂包括消泡剂、分散剂、成膜助剂等^{[16, 20]}。其中消泡剂通过在泡沫表面形成薄膜，带动液体流向高表面张力的泡沫体系中，促使膜壁变薄，从而使气泡破裂。分散剂可吸附在颜料表面，构成吸附层，防止颜料粒子形成絮凝，从而提高涂料分散体系的稳定性，且分散剂可提高颜料的着色力和遮盖力，增加涂层的光泽。成膜助剂能够促进乳液中聚合物粒子的塑性流动和弹性变形，使涂层性能和成膜温度达到一定的平衡，从而获得综合性能优异的涂层。

1.2.2 隔热涂料的分类及隔热机理

隔热涂料根据隔热机理可分为反射型隔热涂料、阻隔型隔热涂料以及辐射型隔热涂料^{[14, 16, 17, 20, 21, 23]}。

1.反射型隔热涂料

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