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外墙外保温饰面用硅树脂弹性隔热涂料的研制

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2009-06-23
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外墙外保温饰面用硅树脂弹性隔热涂料的研制

 摘要:以硅树脂与弹性纯丙乳液混拼材料为基料;以金红石型钛白粉为颜料;以重质碳酸钙粉、空  心玻璃微珠等为填料;在助剂的配合下,制备的低弹性隔热外墙涂料,其涂膜除满足外墙涂料中优等品的一般性能外,还具有吸水率低、透气性能高、耐沾污性能好、隔热效果优等特性,与外墙外保温系统有很好的相容性、匹配性。
 关键词:硅树脂涂料;防水性;透气性;弹性;隔热性
 引言:

  节能减排已成为我国的基本国策,建筑节能是其中的一项重要组成部分。在建筑围
护结构节能的设计中,随着外墙外保温系统的广泛应用,对饰面材料也提出了更严格的
要求,以往常用的瓷砖、石材等重质材料被弃用,与外保温系统相容性和匹配性好、防
水性和透气性优、耐沾污性和耐久性佳的功能性饰面涂料受到青睐。
  根据JG149-2003《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》规定,作为外墙外保温饰面的建筑涂料,必须与薄抹灰外保温系统相容,其性能指标应符合外墙建筑涂料的相关标准,同时,外墙外保温系统5mm厚的包括饰面涂料在内的防护层,浸水24h吸水量要求小于500g/m2,水蒸气湿流密度应大于0.85g/(m2·h)。按此标准要求,水性氟碳金属漆、高弹性外墙乳胶漆、低PVC有光外墙乳胶漆等,因涂膜致密、透气性差而均不易作外保温的饰面涂料使用。另外,饰面涂料还应具有耐候耐久性、耐沾污性和一定的柔韧性。
  本研究以硅树脂乳液与弹性纯丙乳液混拼材料为基料,以金红石型钛白粉为颜料,
以重质碳酸钙、空心玻璃微珠等为填料,在助剂的配合下,制备的低弹性隔热外墙涂料,其涂膜除符合建筑外墙涂料中优等品的常规性能要求外,还具有吸水量低、透气性高、耐沾污性好、隔热性优等特性,与外墙外保温系统有很好的相容性、匹配性。

1实验部分
1.1原材料
硅树脂乳液BS43N、有机硅憎水剂BS1306,德国瓦克;自交联型弹性纯丙乳液2848NG、分散剂731A、润湿剂X-405、防腐剂LXE、增稠剂TT935、流平剂RM-2020,罗门哈斯;消泡剂NXZ,海川;PH值调节剂AMP-95,陶土化学;金红石型钛白粉R-706美国杜邦;空隙玻璃微珠,3M公司;重钙粉,国产;成膜助剂Texanol,伊士曼;乙二醇,北京燕化;羟乙基纤维素,(HEC),市售。

1.2基本配方
硅树脂弹性隔热外墙涂料的基本配方见表1。

表1 基本配方

1.jpg



1.3生产工艺
将水加入高速分散釜中,在低速搅拌下加入HEC、731A、X-405、LXE、乙二醇,溶解分散均匀后加入颜填料,高速分散30-40min,测细度符合要求后,加入硅树脂乳液BS43N和BS1306分散5-10min,变中速加入消泡剂、弹性纯丙乳液2848NG、成膜助剂、PH调节剂,搅拌20-30min,使PH值=8-9,加增稠剂、流平剂,混合均匀后过滤、包装。
1.4性能检测
(1)常规性能指标:按照JG/T172-2005《弹性建筑涂料》的技术要求检测。
(2)吸水量指标:按照JG149-2003《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》标准规定的方法检测。
(3)透气性指标:参照GB/T17146-1997《建筑材料水蒸气透过性能检测试验方法》进行。
(4)太阳光反射率:由中国科学计量研究院测试。
1.5性能指标
硅树脂弹性隔热涂料的技术指标,见表2。

表2 技术性能指标
22.jpg

2结果与讨论
2.1BS43N与2848NG的配合比对涂料防水透气性的影响
当基料由纯硅树脂乳液和聚合物乳液组成、且硅树脂乳液超过40%,制备的涂料具有良好的防水性和透气性,才能称之为硅树脂涂料。一般来说,涂料的防水性和透气性是一对矛盾,防水性好的涂料(如高光涂料、弹性涂料等)往往透气性不良;而透气性较好的涂料(如高PVC涂料、复层花纹涂料、砂壁状涂料等)又防水性不佳。选用透气性(呼吸功能)好的硅树脂乳液和弹性纯丙乳液作基料,采用PVC≥CPVC的配方并在有机硅憎水剂配合下制备的涂料,可以使防水性和透气性达到矛盾的统一。
在配方中其他因素不变的前提下,只改变BS43N与2848NG的配合比例,分别制备成涂料,按照实验采取的检测方法,分别检测试样的吸水量(g/m2·d)和水蒸气湿流密度(g/m2·h),考察其防水性和透气性,结果见表3。
表3 BS43N与2848NG配比对涂料防水透气性的影响

3.jpg

  由表3可知,随着硅树脂乳液BS43N在基料中比例的提高,试样24h的吸水量相应降低,即防水性提高;水蒸气湿流密度值相应上升,即透气性提高。当BS43N在基料中占50%时,制备的涂料吸水量比对照降低了24.4%,水蒸气湿流密度提高了4.5倍,完全满足了JG149-2003标准要求。
单就吸水量而言,实验中测试的是整个防护层(抗裂抹面砂浆+网格布+柔性腻子+封闭底漆+饰面涂料)的吸水量数据,虽然均低于500g/ m2·d的标准指标,但就饰面涂层而言,其吸水量应远远小于500g/ m2·d,这样才能保证整个防护系统通过该项指标,防止因涂膜吸水过多而导致涂层泛碱、长霉、鼓泡、起皮等现象。
  单就透气性而论,一般要求外层水蒸气湿流密度比内层高,也就是说,外饰涂层的要求高于防护层,即涂层水蒸气湿流密度要远远大于0.85 g/ (m2·d),这样水蒸气才能畅通无阻地排出【1】。用于外保温系统的饰面涂料,透气性至关重要,由于涂膜透气性差而导致起泡、开裂、脱落的现象屡见不鲜,失去饰面层保护的保温系统因渗水而必然导致导热系统增高,保护层冻融破坏、脱落。
综上所述,作为外保温体系的饰面涂料,除常规性能指标符合要求外,还必须同时满足吸水量(防水性)和水蒸气湿流密度(透气性)的标准要求。当BS43N︰2848NG=5︰5时,吸水量为310g/ (m2·d)、水蒸气湿流密度为105g/ (m2·h),取得了防水性和透气性较好的平衡。
2.2 BS43N与2848NG的配比对涂料的弹性和耐沾污性影响
  硅树脂乳液是高分子三维交联化合物,其结构中每4个氧原子就有1个有机基团R取代,成为一种改性石英结构。硅树脂由三官能硅单元组成,成为一种介于纯无机物和纯有机物之间的中间体系,其中无机成分占80%,因此涂膜呈刚性。硅树脂是热固性材料,既使是在高温条件下涂膜也不变软、返粘,因此,耐沾污性优良。2848NG是一种自交联、紫外光固化的弹性纯丙烯酸乳液,其Tg为-35℃、MFT为0℃,涂膜具有优良的弹缩性、耐沾污性、耐侯性及“呼吸”功能。将两种乳液以一定比例复合作基料,制备的涂料除保持了硅树脂涂料的防水透气性能以外,还赋予涂膜优良的耐沾污性、耐侯耐久性和一定的弹缩性。
在配方中保持其他因素不变的前提下,只改变BS43N和2848NG的配比,检测涂膜的断裂伸长率、耐沾污性,结果见表4。
表4 BS43N与2848NG配比对涂膜的弹性及耐沾污性影响

表4 BS43N与2848NG配比对涂膜的弹性及耐沾污性影响.jpg
  由表4可知,随着硅树脂乳液在基料中比例的提高,涂膜的耐沾污性变好,而断裂伸长率相应降低。这是因为硅树脂与自交联弹性纯丙乳液共同形成的网状结构比较坚硬,高温下不返粘,不易粘污灰尘,因此硅树脂用量越多,耐沾污性越好,但弹性降低。为了保持涂膜既具有一定的弹缩性,以便适应基层的温变应力,又要保持涂膜较高的耐沾污性,同时还要保持良好的防水透气性,通过对综合性能的比较优化,选取BS43N︰2848NG=4︰6~5︰5的混配比例较合适。
2.3PVC对涂料性能的影响
  当BS43N︰2848NG的配合比确定后,在其他因素不变的前提下,不同PVC对涂料的防水性、透气性、弹性、耐沾污性的影响见表5。
表5 PVC对涂料性能的影响
表5 PVC对涂料性能的影响.jpg

  由表5可知,随着PVC的提高,涂料的吸水量相应增加,即防水性能降低;水蒸气湿流密度相应增加,即透气性能提高;断裂伸长率相应减少,即弹性变差;耐沾污性相应降低。其原因是:当PVC较低时,基料不仅完全包裹了所有的颜填料粒子,而且多余的基料又填满了所有的空隙,毛细孔被连续性涂膜堵塞封闭,液态水难以渗入,吸水量减少,即防水性提高,因此也阻碍了内部水蒸气的逸出,即透气不良。由于涂膜致密,弹性和耐沾污性都较好。当PVC>CPVC时,基料不足以完全包裹所有的颜填料,涂膜中的空隙多,虽然透气性好,但防水性、弹性、耐沾污性均降低。
为了使涂料的防水透气性、弹性和耐沾污性等指标达到良好的动态平衡,本研究选取PVC的范围在60%-65%之间,并添加适量的有机硅憎水剂,利用聚硅氧烷在毛细空内壁形成的网状硅氧烷膜,降低毛细孔的表面张力,赋予涂膜很强的憎水性。由于网状硅氧烷膜并不封闭毛细管通道,因此,并不会影响透气性能,同时还有助于增大液态水与涂膜的接触角θ,提高耐沾污性能。
2.4颜填料对涂料隔热性的影响
  太阳光热辐射按波长不同可划分为3个部分,各部分在总能量中所占的比例如下:紫外光占5%,可见光占45%;近红外光占50%,太阳辐射热是物体的主要热源,减少近红外辐射是物体降温的主要渠道。太阳热反射隔热涂料之所以对近红外辐射有显著的反射作用,是因为它添加了对太阳辐射具有高反射、低吸收的功能颜填料。金红石型钛白粉是目前已知功能颜料中折光指数(2·8)最高的白色颜料,光反射率达到80%;在矿物粉未填料中,碳酸钙的反射率为48%,优于滑石粉(反射率45%)和高岭土(反射率46%)等;空心玻璃微珠的反射率虽然只有48%,但其散射率高达80-88%,涂料中加入适量空心玻璃微珠后,太阳光射到涂膜表面时,排布紧密的空心玻璃微珠可以对光线产生多次反射,从而提高了涂膜的反射率。本研究选用金红石型钛白粉(A)、重钙碳酸钙(B)、空心玻璃微珠(C)作颜料,在配方中其他因素不变的条件下,A、B、C的质量比对涂料的对比率、反射率的影响见表6
  表6 不同颜填料配合比对涂料性能的影响

表6  不同颜填料配合比对涂料性能的影响.jpg
  从表6中可知,在颜填料总量固定的前提下,当金红石型钛白粉占20%、重钙占70%、空心玻璃微珠占10%时制备的涂料,其涂膜的对比率太低,达不到JG/T172-2005标准,反射率也小于80%的标准要求。在金红石型钛白粉占30%以上时,对比率均能满足标准要求。当金红石型钛白粉为30%时,随着空心玻璃微珠比例的提高,反射率略有上升。当金红石型钛白粉占40%时,虽然对比率和反射率最优,但成本也有较大幅度提高。综合考虑性价比,最终选定了功能颜填料的配合比为:A︰B︰C=3︰5︰2。
3结语
  以硅树脂乳液和弹性纯丙乳液复合为基料,以金红石型钛白粉、重质碳酸钙、空心玻璃微珠为功能颜填料,在助剂的配合下,制备的弹性隔热涂料,其涂膜除满足建筑外墙涂料的常规性能指标外,还具有防水、透气性能好、耐沾污性能佳和一定弹性的特点,与外墙外保温系统相容性好,并有高耐侯耐久性,非常适合作外墙外保温系统的饰面涂装。
(1)作为外墙外保温体系的饰面涂料,必须同时满足吸水量(防水性)和水蒸气湿流密度(透气性)的标准要求。试验结果证明,当基料中的硅树脂乳液BS43N与弹性纯丙乳液2848NG的配合比为1︰1时,制备的涂料可取得防水性和透气性较好的平衡。
(2)作为外保温体系的饰面涂料,还应具有一定的弹性,以便释放内部保温层因干湿、温变等产生的应力,避免裂缝的产生;同时还应具有较高的耐沾污性,减少带有腐蚀性的污染物对涂膜的浸蚀,延长使用寿命。当BS43N︰2848NG=4︰6-5︰5的混配比例时,制备的涂料除具有较高的防水、透性性能外,还有一定的弹性和优良的耐沾污性。
(3)在试验条件下,当PVC的取值范围在60%-65%之间时,制备的涂料即兼顾了防水、透气性,也兼顾了弹性和耐沾污性,取得了较好的动态平衡。
(4)在颜填料的选取和配合中,当金红石型钛白粉︰重质碳酸钙︰空心玻璃微珠=3︰5 ︰2时,制备的涂料其涂膜的反射率达85%,具有理想的隔热降温功能。

硅树脂乳液BS43N

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有机硅憎水剂BS1306

2222.jpg
 

附件

  • 瓦克有机硅 BS43N.doc
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  • 瓦克有机硅 BS45.doc
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