CN103788849A - 一种低碳节能涂料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低碳节能涂料，涉及对太阳辐射及其他热辐射的热射线进行反射、隔热及发射的涂料。本发明的涂料由表面包覆纳米材料的空心二氧化硅材料、反射热射线特性材料、自制红外发射粉、功能填料和水性树脂液组成。该涂料的隔热系数为0.01～0.5W/m.k，对热射线的反射率大于90％，热发射率大于80％。
Description
技术领域：
本发明涉及一种低碳节能涂料，涉及对太阳辐射及其他热辐射的热射线进行反射、隔热及发射的涂料。主要应用在酒店、医院、学校、仓库、厂房、写字楼、住宅等建筑的内外墙；管道、油罐或船舶甲板、集装箱等领域。
背景技术：
中国政府提出2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年降低40～45％的目标，将其纳入“十二五”和“十三五”规划中，“十二五”节能将延续节能减排目标责任制，可能试点实施能源消费总量控制。
建筑的能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空调等)约占全社会总能耗的30％，其中最主要的是采暖和空调，占到20％。而这“30％”还仅仅是建筑物在建造和使用过程中消耗的能源比例，如果再加上建材生产过程中耗掉的能源(占全社会总能耗的16.7％)，和建筑相关的能耗将占到社会总能耗的46.7％。现在我国每年新建房屋20亿平方米中，99％以上是高能耗建筑；而既有的约430亿平方米建筑中，只有4％采取了能源效率措施，单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上。根据测算，如果不采取有力措施，到2020年中国建筑能耗将是现在3倍以上。
此前，一些专利如CN1425720A、CN1546584A、CN1037613C等局限于膨胀珍珠岩、岩石棉纤维、空心玻璃微珠、粉煤灰漂珠、二氧化钛、过渡金属氧化物等填料在涂料配方中的用量对隔热效果的影响，而没有使用包覆及烧结等传统技术来改进配方材料而使之具备更强的隔热、反射及发射能力，导致涂料隔热性能一般，限制了产品的应用。还有一些发明新型专利，如CN1927954A、CN101293755A、CN102391754A、CN1515633A、CN102174281A等，虽采用了本专利亦使用的材料包覆技术，但载体主要是玻璃微珠或陶瓷微珠等之类的大分子复合化合物，这些化合物由不同化学式的晶粒组成，晶粒间有明显的晶界，导致在外部复杂的气候条件下很容易破裂，严重制约产品的实际效果及寿命。而且这些专利只注重了低热导率和高反射率，未考虑产品的发射率，使得产品的隔热保温性能有缺陷。本专利公布了一种低碳节能涂料，通过使用表面包覆纳米材料的空心二氧化硅及自制红外发射粉等新材料新配方，使产品具备出色的隔热保温性能可有效实现节能降耗。
本发明的公布一种低碳节能涂料，其原理主要有以下几个方面。其一是反射机理，选用高反射率的多种宽禁带特殊陶瓷材料作为填料，多种材料同时协同参与反射，反射谱基本覆盖太阳光全谱(400-2500纳米)。且大比表面积微/纳米功能材料显著提高了涂层内部界面，内部形成多次反射和散射，显著降低了涂层的蓄热能力。其二是高热阻，由于超细纳米材料大的比表面积和边界效应能大幅降低涂层的导热率。纳米化界面和晶界放大了涂层的声子散射作用，使涂层表面热量无法向涂覆体内部传导。其三是发射机理，材料的红外发射是因其内部分子的振动引起偶极距变化而产生的。根据振动对称性选择定律：分子振动对称性越低，偶极距的变化越大，其红外发射就越强。由于陶瓷材料是由多原子组成的大分子结构的物质，多原子在振动过程中易改变分子的对称性而使偶极距发生变化，故而具有较高的发射率。采用自制红外发射陶瓷粉，将吸收的热能以8～14μm的红外波长发射到大气窗口中，显著降低了涂层温度。化学自组装原理使涂层表面自发纳米化，每平方厘米面积内形成的纳米尺寸突起多达100亿个，从微观结构上大幅提高了涂层的辐射散热面积，因此涂层能有效把物体表面的热量辐射到空气中，显著降低物体的温度。
本发明采用空心二氧化硅作为主要隔热填料，主要有以下几方面原因：(1)极低的导热系数可以起到较好的隔热效果；(2)是一种原子晶体，结构更为稳定，不会像空心玻璃微珠或陶瓷微珠那样易碎而影响隔热效果；(3)耐候性极强，用于外墙时酸雨亦无法腐蚀，而玻璃微珠或陶瓷微珠则易被腐蚀。再者本发明采用了自制红外发射粉，材料本身红外发射率可以达到90％，它是通过将几种过渡金属氧化物混合均匀后进行煅烧，得到反尖晶石相掺杂氧化物，再与具备高发射率的堇青石混合得到的，将其制备到本专利所述的一种低碳节能涂料中，比起单用上述过渡金属氧化物等传统红外发射粉拥有更加出色的发射效果。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种低碳节能涂料，该涂料能将太阳辐射的热射线及其他热辐射进行反射、隔热及发射，对基体起到隔热保温之效果，实现低碳节能之号召。
本发明是通过如下方式实现的：
一种低碳节能涂料，该涂料包括按重量比的下述各原料：
| 组分 | 质量百分比(％) |
| 水性树脂 | 20～50 |
| 表面包覆纳米材料的空心二氧化硅 | 15～35 |
| 反射热射线特性材料 | 3～15 |
| 自制红外发射粉 | 3～15 |
| 功能填料 | 3～20 |
| 分散剂 | 0.5～1.5 |
| 防冻剂 | 1～2 |
| 增稠剂 | 1～3 |
| 消泡剂 | 0.1～0.3 |
| 润湿剂 | 0.1～0.3 |
| 防腐剂 | 0.1～0.5 |
| PH值调节剂 | 0.1～0.5 |
| 成膜助剂 | 1～2 |
| 水 | 5～50 |
上述表面包覆纳米材料的空心二氧化硅，其中纳米材料主要是指金属、金属氧化物、金属盐等类型。金属有如银、铝等；金属氧化物如氧化锌、氧化钛、氧化镁、三氧化二锑、氧化铟、氧化锡等；金属盐如硫酸钡、碳酸钙等。空心二氧化硅粒径为0.01～200μm。
上述自制红外发射粉是通过高温煅烧三氧化二铁、二氧化锰、氧化铜、三氧化二钴等几种过渡金属氧化物混合物，再将上述产物与堇青石均匀混合得到。
上述水性树脂至少是以下树脂中的一种：聚氨酯、丙烯酸树脂、环氧树脂、氨基树脂、有机硅改性聚氨酯、丙烯酸改性聚氨酯、有机硅改性丙烯酸树脂、有机氟改性丙烯酸树脂、有机氟改性聚氨酯、有机氟/丙烯酸改性聚氨酯、有机硅/丙烯酸改性聚氨酯。
上述反射热射线特性材料主要是指金属、金属氧化物、金属盐等类型。金属有如银、铝等；金属氧化物如氧化锌、氧化钛、氧化镁、三氧化二锑、氧化铟、氧化锡等；金属盐如硫酸钡、碳酸钙等。
上述填料为高岭土、滑石粉、石英粉、硫酸钡、碳酸钙、云母粉、水合氢氧化铝、水合氢氧化镁、聚磷酸铵、磷酸酯类、三氧化二锑、水滑石。
上述分散剂为聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、多元酸均聚物铵盐。
上述增稠剂为碱溶胀型增稠剂。
上述防冻剂为醇酯十二。
上述成膜助剂为丙二醇、乙二醇、乙二醇二醚、十二醇酯。
上述消泡剂为矿物油型消泡剂或有机硅消泡剂。
上述润湿剂为阴离子表面活性剂、多元醇型表面活性剂、聚氧乙烯型表面活性剂。
上述防腐剂为异噻唑啉酮衍生物或苯并唑酯类多功能型防腐剂。
上述PH调节剂为有机胺类PH调节剂。
附图说明：
图1为空心二氧化硅的扫描电镜照片。
图2为二氧化钛包覆空心二氧化硅的扫描电镜照片。
具体实施方式：
包覆反射热射线材料的空心二氧化硅制造方法
(1)包覆材料：以空心二氧化硅为基材，以硝酸铟、硫酸铟、氯化铟、硫酸锡、三氯化锑、硝酸银、四氯化钛、硫酸钛、硫酸镁、氯化镁、硫酸锌、氯化锌、氯化钙等金属盐为包覆剂材料。
(2)采用化学沉积法包覆反射热射线材料：以上述的金属盐为原料，采用氧化-还原反应或复分解反应等不同的化学方法，在空心二氧化硅表面沉积金属或金属氧化物或金属盐，使沉积的膜层厚度达到0.03～5μm。在空心二氧化硅表面沉积的反射材料可以是一层，也可以是两层以上的复合层。复合层反射材料的制备方法与单层反射材料的制备方法相同。
实施例1二氧化钛包覆空心二氧化硅反射热射线材料的制备
25℃，搅拌条件下将5g空心二氧化硅粉加入到1ml冰醋酸、1ml水、5ml无水乙醇的混合溶液中，充分混合，得到分散均匀的混合液。
25℃，在超声波作用及搅拌条件下，在10min内，将2.2ml钛酸丁酯溶解至5ml无水乙醇中缓慢滴加到上述空心二氧化硅混合液中，静置2h，搅拌状态下在80℃下干燥1小时，得到白色凝胶物，将上述白色凝胶置于程序控温炉内，以2℃/min的升温速率升温至350℃，恒温1小时，得到纳米二氧化钛包覆空心二氧化硅的复合材料粉末A1。
实施例2氧化锡-氧化铟包覆空心二氧化硅反射热射线材料的制备
以四氯化锡或硫酸锡中的一种，配成0.1～2mol/L溶液A。以硝酸铟、氯化铟、硫酸铟中的一种配成0.1～2mol/L溶液B。A、B两种溶液混合，混合比在1～10∶10～1之间。在混合液中加入空心二氧化硅，搅拌使之悬浮，加入碳酸铵溶液，调节溶液PH＝5～9，控制温度在25℃，使水解产物沉积在空心二氧化硅上，过滤干燥，在500℃～700℃加热处理1h，即得到氧化锡-氧化铟膜包覆空心二氧化硅的反射热射线材料A2。
实施例3金属银包覆空心二氧化硅反射热射线材料的制备
在0.1～10％浓度的硝酸银水溶液100ml中，加入空心二氧化硅10g，加入1％的氨水5ml，边搅拌边加入甲醛水溶液2ml，反应温度25℃，使生产的纳米银颗粒沉积在空心二氧化硅上形成反射膜。过滤、干燥即得到包覆银层的反射热射线空心二氧化硅材料A3。
红外发射粉的制备方法
采用化学纯三氧化二铁、二氧化锰、氧化铜、三氧化二钴、堇青石为原料，利用过渡金属氧化物之间的掺杂工艺，在晶格中引入掺杂物，破坏其晶格周期性，使晶粒成细密分布，在局部形成多种杂质能级。掺加堇青石，一是因为其良好的红外发射性能，二是通过其稳定的结构克服过渡金属氧化物烧结料膨胀系数大的缺点。
实施例1
将65g三氧化二铁、15g二氧化锰、10g氧化铜、10g三氧化二钴在球磨机中湿混一定时间，烘干、研细、过筛，所得粉料加入陶瓷坩埚，置于高温试验电阻炉中，在1150℃还原气氛下烧制成主要晶相为CoFe2O4的红外辐射基料，经粉碎、研磨、过筛加入120g堇青石混合均匀，即得红外辐射粉B1。
实施例2
将65g二氧化锰、15g三氧化二铁、10g氧化铜、10g三氧化二钴在球磨机中湿混一定时间，烘干、研细、过筛，所得粉料加入陶瓷坩埚，置于高温试验电阻炉中，在1150℃还原气氛下烧制成主要晶相为CoMn2O4红外辐射基料，经粉碎、研磨、过筛加入120g堇青石混合均匀，即得红外辐射粉B2。
一种低碳节能涂料的制备方法
以上述自制的包覆反射热射线材料的空心二氧化硅与红外发射粉，再配以反射热射线特性材料、功能填料、水性树脂、助剂、水等制备一种低碳节能涂料。
实施例1
将15.2g去离子水、1.0g聚乙烯吡咯烷酮、1.5g醇酯十二、1.5g丙二醇、0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂、0.2g聚氧乙烯型表面活性剂、0.2g异噻唑啉酮衍生物、0.2g氨水加入到分散机的分散缸中，在600转/分左右的转速状态下分散10分钟。
再加入8g纳米二氧化钛，在2000转/分的转速下将体系分散至细度＜1μm，然后加入0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂，再加入37.5g水性聚氨酯树脂，在300转/分的转速下加入20gA1、8g B1、5g水合氢氧化镁，继续搅拌30min，最后加入1.5g碱溶胀型增稠剂调节体系粘度＞10000mPaS，即得到一种低碳节能涂料。
对比例1
将15.2g去离子水、1.0g聚乙烯吡咯烷酮、1.5g醇酯十二、1.5g丙二醇、0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂、0.2g聚氧乙烯型表面活性剂、0.2g异噻唑啉酮衍生物、0.2g氨水加入到分散机的分散缸中，在600转/分左右的转速状态下分散10分钟。
再加入8g纳米二氧化钛，在2000转/分的转速下将体系分散至细度＜1μm，然后加入0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂，再加入37.5g水性聚氨酯树脂，在300转/分的转速下加入20g空心玻璃微珠、8g B1、5g水合氢氧化镁，继续搅拌30min，最后加入1.5g碱溶胀型增稠剂调节体系粘度＞10000mPaS，即得到一种低碳节能涂料。
对比例2
将15.2g去离子水、1.0g聚乙烯吡咯烷酮、1.5g醇酯十二、1.5g丙二醇、0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂、0.2g聚氧乙烯型表面活性剂、0.2g异噻唑啉酮衍生物、0.2g氨水加入到分散机的分散缸中，在600转/分左右的转速状态下分散10分钟。
再加入8g纳米二氧化钛，在2000转/分的转速下将体系分散至细度＜1μm，然后加入0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂，再加入37.5g水性聚氨酯树脂，在300转/分的转速下加入20gA1、8g氧化铜、5g水合氢氧化镁，继续搅拌30min，最后加入1.5g碱溶胀型增稠剂调节体系粘度＞10000mPaS，即得到一种低碳节能涂料。
对比例3
将15.2g去离子水、1.0g聚乙烯吡咯烷酮、1.5g醇酯十二、1.5g丙二醇、0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂、0.2g聚氧乙烯型表面活性剂、0.2g异噻唑啉酮衍生物、0.2g氨水加入到分散机的分散缸中，在600转/分左右的转速状态下分散10分钟。
再加入8g纳米二氧化钛，在2000转/分的转速下将体系分散至细度＜1μm，然后加入0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂，再加入37.5g水性聚氨酯树脂，在300转/分的转速下加入20gA1、8gB1、5g硫酸钡，继续搅拌30min，最后加入1.5g碱溶胀型增稠剂调节体系粘度＞10000mPaS，即得到一种低碳节能涂料。
实施例2
将14.7g去离子水、1.0g多元酸均聚物铵盐、1.5g醇酯十二、1.5g丙二醇、0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂、0.2g聚氧乙烯型表面活性剂、0.2g异噻唑啉酮衍生物、0.2g氮氮二甲基甲酰胺加入到分散机的分散缸中，在600转/分左右的转速状态下分散10分钟。
再加入8g纳米二氧化钛和5g纳米三氧化二锑，在2000转/分的转速下将体系分散至细度＜1μm，然后加入0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂，再加入37.5g水性含氟丙烯酸树脂，在300转/分的转速下加入20g A2和8g B2继续搅拌30min，最后加入2g碱溶胀型增稠剂调节体系粘度＞10000mPaS，即得到一种低碳节能涂料。
实施例3
将15.2g去离子水、1.0g聚氧化乙烯、1.5g醇酯十二、1.5g丙二醇、0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂、0.2g聚氧乙烯型表面活性剂、0.2g异噻唑啉酮衍生物、0.2g氨水加入到分散机的分散缸中，在600转/分左右的转速状态下分散10分钟。
再加入8g纳米氧化锌，在2000转/分的转速下将体系分散至细度＜1μm，然后加入0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂，再加入37.5g水性聚氨酯树脂，在300转/分的转速下加入20gA3、8g B1、5g硫酸钡，继续搅拌30min，最后加入1.5g碱溶胀型增稠剂调节体系粘度＞10000mPaS，即得到一种低碳节能涂料。
实施例4
将15.2g去离子水、1.0g多元酸均聚物铵盐、1.5g醇酯十二、1.5g丙二醇、0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂、0.2g聚氧乙烯型表面活性剂、0.2g异噻唑啉酮衍生物、0.2g氨水加入到分散机的分散缸中，在600转/分左右的转速状态下分散10分钟。
再加入8g纳米三氧化二锑，在2000转/分的转速下将体系分散至细度＜1μm，然后加入0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂，再加入37.5g水性含氟聚氨酯树脂，在300转/分的转速下加入20g A2、8g B2、5g水合氢氧化镁，继续搅拌30min，最后加入1.5g碱溶胀型增稠剂调节体系粘度＞10000mPaS，即得到一种低碳节能涂料。
实施例5
将15.2g去离子水、1.0g多元酸均聚物铵盐、1.5g醇酯十二、1.5g丙二醇、0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂、0.2g聚氧乙烯型表面活性剂、0.2g异噻唑啉酮衍生物、0.2g氨水加入到分散机的分散缸中，在600转/分左右的转速状态下分散10分钟。
再加入5g纳米二氧化钛，在2000转/分的转速下将体系分散至细度＜1μm，然后加入0.1g聚二甲基硅氧烷消泡剂，再加入37.5g水性有机硅改性丙烯酸树脂，在300转/分的转速下加入20g A3、8g B2、5g聚磷酸铵，继续搅拌30min，最后加入1.5g碱溶胀型增稠剂调节体系粘度＞10000mPaS，即得到一种低碳节能涂料。
表1实施例及对比例的测试结果
Claims (10)
1.一种低碳节能涂料，其特征在于，该涂料包括按重量比的下述各原料：
2.根据权利要求1所述的一种低碳节能涂料，其特征在于，所述表面包覆纳米材料的空心二氧化硅，其中纳米材料主要是指金属、金属氧化物、金属盐等类型，金属有如银、铝等，金属氧化物如氧化锌、氧化钛、氧化镁、三氧化二锑、氧化铟、氧化锡等，金属盐如硫酸钡、碳酸钙等，空心二氧化硅粒径为0.01～200μm。
3.根据权利要求1所述的一种低碳节能涂料，其特征在于，所述自制红外发射粉是通过高温煅烧三氧化二铁、二氧化锰、氧化铜、三氧化二钴等几种过渡金属氧化物混合物，再将上述产物与堇青石均匀混合得到。
4.根据权利要求1所述的一种低碳节能涂料，其特征在于，所述水性树脂至少是以下树脂中的一种：聚氨酯、丙烯酸树脂、环氧树脂、氨基树脂、有机硅改性聚氨酯、丙烯酸改性聚氨酯、有机硅改性丙烯酸树脂、有机氟改性丙烯酸树脂、有机氟改性聚氨酯、有机氟/丙烯酸改性聚氨酯、有机硅/丙烯酸改性聚氨酯。
5.根据权利要求1所述的一种低碳节能涂料，其特征在于，所述反射热射线特性材料主要是指金属、金属氧化物、金属盐等类型，金属有如银、铝等，金属氧化物如氧化锌、氧化钛、氧化镁、三氧化二锑、氧化铟、氧化锡等，金属盐如硫酸钡、碳酸钙等。
6.根据权利要求1所述的一种低碳节能涂料，其特征在于，所述填料为高岭土、滑石粉、石英粉、硫酸钡、碳酸钙、云母粉、水合氢氧化铝、水合氢氧化镁、聚磷酸铵、磷酸酯类、三氧化二锑、水滑石。
7.根据权利要求1所述的一种低碳节能涂料，其特征在于，所述分散剂为聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、多元酸均聚物铵盐。
8.根据权利要求1所述的一种低碳节能涂料，其特征在于，所述增稠剂为碱溶胀型增稠剂。
9.根据权利要求1所述的一种低碳节能涂料，其特征在于，所述成膜助剂为丙二醇、乙二醇、乙二醇二醚、十二醇酯，所述防冻剂为醇酯十二，所述消泡剂为矿物油型消泡剂或有机硅消泡剂。
10.根据权利要求1所述的一种低碳节能涂料，其特征在于，所述润湿剂为阴离子表面活性剂、多元醇型表面活性剂、聚氧乙烯型表面活性剂，所述防腐剂为异噻唑啉酮衍生物或苯并唑酯类多功能型防腐剂，所述PH调节剂为有机胺类PH调节剂。
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