CN114250020B - 一种丙烯酸涂层及其制备方法和应用、固化物、户外建筑 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种丙烯酸涂层及其制备方法和应用、固化物、户外建筑,涉及材料改性领域，以解决现有技术中有机涂层有的在太阳光谱紫外波段存在吸收，有的反射率低，同时耐磨性差的技术问题。本发明实施例的丙烯酸涂层采用如下配方制得：所述配方至少包括丙烯酸乳液和ZrO₂颗粒。本发明还公开了一种包括上述丙烯酸涂层的制备方法及其应用在电工产品中及固化物、户外建筑。本发明提供的丙烯酸涂层，可实现太阳光谱波段的高反射和红外波段的高发射性能，进而实现器件的降温，以及具有良好的耐磨性。

Description

一种丙烯酸涂层及其制备方法和应用、固化物、户外建筑

技术领域

本公开涉及材料改性技术领域，尤其涉及一种丙烯酸涂层及其制备方法和应用、固化物、户外建筑。

背景技术

辐射制冷材料是一类在太阳光谱波段的紫外-可见-近红外具有高反射率，在大气窗口8-13μm的红外波段具有高发射率的材料。辐射制冷材料不仅可以防止器件吸收太阳热量升温，同时器件自身产生的热量可以通过辐射制冷材料发射出去，实现器件降温。

目前，常见的辐射制冷材料主要分为四类，分别为多层膜结构、二次表面镜、多孔聚合物和有机涂层。其中有机涂层的应用较为广泛，现有技术中有机涂层有的在太阳光谱紫外波段存在吸收，有的反射率低，同时，现有的有机涂层耐磨性差，在户外长期使用时很容易破损，达不到降温效果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种丙烯酸涂层及其制备方法和应用，以使得制备的丙烯酸涂层同时具有太阳光谱波段的高反射与红外波段的高发射性能，同时提高丙烯酸涂层耐磨损性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种丙烯酸涂层，所述丙烯酸涂层采用如下配方制得：所述配方至少包括丙烯酸乳液和ZrO₂颗粒。

根据本公开的至少一个实施方式，所述ZrO₂颗粒的体积分数为所述丙烯酸涂层的40％-60％。

根据本公开的至少一个实施方式，所述丙烯酸乳液为硅丙乳液、苯丙乳液和纯丙乳液中的一种或多种任意比例组合。

根据本公开的至少一个实施方式，所述ZrO₂颗粒的粒径为1-2μm。

根据本公开的至少一个实施方式，所述丙烯酸涂层的厚度为200-500μm。

与现有技术相比，本发明提供的丙烯酸涂层以丙烯酸乳液和ZrO₂颗粒为原料，其制备的丙烯酸涂层通过丙烯酸和ZrO₂颗粒的协同作用，不仅具有非常高的户外耐磨性能，提高了使用的耐久性，同时还解决了现有技术中的辐射制冷有机涂层存在的紫外吸收和低反射率的技术问题。ZrO₂颗粒为填料，丙烯酸为基体制备的丙烯酸涂层，由于ZrO₂颗粒是随机分布在丙烯酸涂层内部的，入射光在遇到ZrO₂填料颗粒时会发生散射，而且由于ZrO₂填料颗粒数量足够多，入射的太阳光在多重散射作用下将难以穿透材料从而产生高反射率。同时，丙烯酸基体本身就在红外波段存在吸收，所以丙烯酸涂层也能在大气窗口波段内形成高发射率。而且由于氧化锆的硬度很高，且丙烯酸乳液又是一种强度非常高的粘接剂，所以将氧化锆作为填料混入丙烯酸乳液中，涂覆形成的涂层耐磨性非常好。使用一定粒径的ZrO₂颗粒，示例性地，ZrO₂颗粒的粒径为1-2μm，其表面能较低，因此ZrO₂颗粒可以均匀分散在丙烯酸基体中，获得高体积分数填料的丙烯酸涂层，进而获得良好的散射效果。

如图1所示的本发明涂层的作用原理。散射效率是影响辐射制冷涂层反射率高低的关键因素，由Mie散射理论可知，当基体与填料的折射率对比越大时，散射效率越高，而不同丙烯酸基体的折射率一般为1.5，所以当填料折射率越高，反射率也会越高，以高折射率的紫外波段无吸收的氧化锆为填料，可以保证涂层在太阳波段(300-2500nm)具有高反射率。而现有技术中使用折射率高的TiO₂填料的涂层则具有吸收紫外波段光的缺点。

根据基尔霍夫辐射定律(稳态下发射率等于吸收率)，当某波段内的材料的消光系数为0时，材料不会吸收该波段的光，那么材料也就不会在该波段存在发射，所以选择丙烯酸基体这种其消光系数在大气窗口波段内大于0材料，实现在大气窗口波段内高发射率，丙烯酸和氧化锆的折射率与消光系数请参见图2。

本发明还提供了一种丙烯酸涂层制备方法用于上述的丙烯酸涂层的制备。

将权利要求上述丙烯酸涂层的配方所至少包括的丙烯酸乳液和ZrO₂颗粒与水混合，配成固含量为40-70％的浆料；

在所述浆料中加入助剂混合；

将加入助剂的所述浆料涂布在基板上，获得丙烯酸涂层。

相对于现有技术，本发明所述的丙烯酸涂层制备方法具有以下优势：

所述丙烯酸涂层制备方法与上述的丙烯酸所具有的优势相同，在此不再赘述。

根据本公开的至少一个实施方式，所述助剂包括消泡剂、流平剂、增稠剂、分散剂。

根据本公开的至少一个实施方式，所述消泡剂占加入助剂的所述浆料重量百分比为0.02-0.03％；和/或，

所述流平剂占加入助剂的所述浆料重量百分比为0.2-0.6％，和/或，

所述增稠剂占加入助剂的所述浆料重量百分比为0.4-0.7％，和/或，

所述分散剂占所述ZrO₂颗粒重量百分比为0.6-0.8％。

本发明还提供了一种户外建筑，所述户外建筑的表面涂覆有上述的丙烯酸涂层，或所述户外建筑的表面涂覆有上述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层。

相对于现有技术，本发明所述的户外建筑具有以下优势：

所述户外建筑与上述的丙烯酸涂层或有上述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明还提供了一种上述的丙烯酸涂层在电工产品中的应用，或，上述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层在电工产品中的应用。

相对于现有技术，本发明所述的丙烯酸涂层在电工产品中的应用具有以下优势：

所述的丙烯酸涂层在电工产品中的应用与上述的丙烯酸涂层或有上述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明还提供了一种固化物，所述固化物由上述的丙烯酸涂层固化而得，或所述固化物由上述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层固化而得。

相对于现有技术，本发明所述的丙烯酸涂层在电工产品中的应用具有以下优势：

所述固化物与上述的丙烯酸涂层或有上述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本发明实施例提供的丙烯酸涂层的辐射制冷原理图。

图2是本发明实施例提供的氧化锆与丙烯酸基体的折射率和消光系数。

图3是本发明实施例提供的氧化锆颗粒不同粒径的反射率。

图4是本发明实施例1的丙烯酸涂层SEM图片。

图5是本发明实施例提供的丙烯酸涂层以及商业涂层的光谱图。

图6是本发明实施例提供的丙烯酸涂层以及商业涂层的耐磨测试图。

图7是本发明实施例1与对比例提供的丙烯酸涂层的反射率。

图8是本发明实施例提供的丙烯酸涂层的制备方法流程图。

附图标记：1-丙烯酸基体；2-氧化锆颗粒；3-散射光；4-高红外发射。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

现有技术中，辐射制冷是一种典型的被动热控方式。常用的辐射制冷材料中，多层膜结构可以通过精细的膜层设计达到高反高发射效果，但其本身膜层数量大且对膜厚有极高的精度要求，成本高、制备难度大且结构易损坏；二次表面镜一般是聚合物层与金属层两层叠加来实现高反高发效果，由聚合物层提供高发射特性，金属层提供高反射特性，但是其成本高、反射层易损坏；多孔聚合物内部复杂的孔洞结构可以形成多重散射作用，降低光的平均传输自由程，从而获得高反射率和实现辐射制冷，但是多孔结构易污染且表面易损坏。而目前广泛使用的有机涂层是通过将TiO₂、CaCO₃、BaSO₄等填料与丙烯酸粘结剂混合成涂料，进而涂抹在基体上，干燥后获得的白色涂层，因为填料与丙烯酸粘结剂的折射率不匹配，可以产生对光的多次散射从而获得高反射率，但目前都不具备能达到辐射制冷效果的超高反射性能。而且，现有技术中填料的体积分数低，以及填料本身的性质使得有机涂层的机械性能较差，在长期使用过程中，尤其在户外恶劣的使用环境中，无法有效保证长期稳定性。

针对上述问题，本发明实施例提供了一种丙烯酸涂层材料，该丙烯酸涂层采用如下配方制得：配方至少包括丙烯酸乳液和ZrO₂颗粒。

基于ZrO₂颗粒本身的硬度，其在天然材料中硬度也次于金刚石，使得丙烯酸涂层本身具备天然的耐磨性。同时本发明实施例为了提高丙烯酸涂层的耐磨性能，将填料ZrO₂颗粒的体积分数提高到了40-60％左右。丙烯酸也是强度非常大的一类材料，通过填料ZrO₂颗粒的增强，使得二者形成的丙烯酸涂层的耐磨性进一步提高。例如丙烯酸乳液可采用硅丙乳液、苯丙乳液和纯丙乳液中的一种或多种。不同丙烯酸基体的折射率一般在1.5，为了使丙烯酸涂层散射效率提高，进一步提高反射率，需要填料与基体之间的折射率相差大，因为ZrO₂本身的折射率在常见的紫外无吸收材料中(金刚石、碳酸钙、氧化硅、氧化钇、氧化铝、氧化镁、硫酸钡)仅次于金刚石，所以ZrO₂填料与丙烯酸粘结剂的折射率相差很大，可以产生对光的多次散射从而获得高反射率，即采用ZrO₂填料可以提高散射效率，同时氧化锆本身对于太阳光紫外波段是无吸收的，可以保证丙烯酸涂层在太阳光较宽的波段范围内具备高反射率。

同时，丙烯酸所含有的丙烯酸基使得最终丙烯酸涂层具备耐光黄变性能。

考虑到，填料粒径对散射效率的影响，不同的填料粒径对于不同波段的光具有不同的散射系数。本发明实施例为了获得整个太阳光波段(250-2500nm)的高反射率，将ZrO₂填料的粒径控制在1-2μm，可选地在1.5μm。而商业涂层中的填料仅关注可见光波段(400-780nm)的反射率，因此商业涂层中的填料，例如金红石，其粒径一般在几百纳米级，在此粒径级别下，如果金红石的体积分数过大会导致涂层的不均匀性，因此，商业金红石涂层体积分数基本在20-30％左右。由于填料的多少对最终产品的耐磨性有很大的影响，商业涂层的耐磨性有所欠缺。而本发明实施例，通过提高ZrO₂填料的粒径至微米级，其表面能较低，可以获得良好的分散性，在丙烯酸基体中均匀性优于商业涂层，可将其体积分数提高到40％以上，进一步提高丙烯酸涂层的耐磨性。相对于商业涂层，本发明实施例将填料粒径提高至微米级，通过实验可知，ZrO₂填料中心粒径在1.5μm的反射率最高，如图3所示，而粒径高于或低于1-2μm时，最终制成涂层后的反射率出现了明显的下降。

考虑到丙烯酸涂层的厚度对太阳光波段的反射率和机械性能的影响，本发明实施例的丙烯酸涂层的厚度在200-500μm，该厚度范围内可以保证涂层具有较高的太阳反射率并保持较好的平整度和耐磨性，在这个厚度范围内的丙烯酸涂层不会由于厚度较大产生开裂，影响丙烯酸涂层的反射率。可选地的丙烯酸涂层的厚度在350μm。

具体地，本发明实施例提供一种丙烯酸涂层的制备方法，该丙烯酸涂层采用如下方法制得：如图8所示，

步骤S100：将上述丙烯酸涂层的配方所至少包括的丙烯酸乳液和ZrO₂颗粒与水混合，配成固含量为40-70％的浆料；

步骤S200：在浆料中加入助剂混合均匀；

步骤S300：将加入助剂的浆料涂布在基板上，获得丙烯酸涂层。

在上述步骤S200之后，还利用高速搅拌机对其进行混合，转速为1000-2000rpm。

在步骤S100中，按照填料占干膜40％-60％的体积分数称量ZrO₂填料和丙烯酸乳液，将ZrO₂填料和丙烯酸乳液与水混合，配成固含量为40-70％的浆料。其中ZrO₂的粒径在1-2μm之间，丙烯酸乳液为硅丙乳液、苯丙乳液和纯丙乳液中的一种。

在步骤S300中，利用刮涂、喷涂等方式即可获得厚度200-500μm的耐磨辐射制冷丙烯酸涂层。

示例性地，上述助剂包括消泡剂、流平剂、增稠剂、分散剂。助剂的添加是为了获得最终成涂层的平整性和良好的机械性能，由于助剂会对反射率和发射率有一定影响，因此上述助剂的添加都是少量的，不会影响对太阳光波段的反射率和发射率。示例性地，助剂的添加量消泡剂占加入助剂的浆料重量百分比为0.02-0.03％；流平剂占加入助剂的浆料重量百分比为0.2-0.6％，增稠剂占加入助剂的所述浆料重量百分比为0.4-0.7％，分散剂占所述ZrO₂颗粒重量百分比为0.6-0.8％。

本发明还提供了一种户外建筑，所述户外建筑的表面涂覆有上述的丙烯酸涂层，或所述户外建筑的表面涂覆有上述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层。

相对于现有技术，本发明所述的户外建筑具有以下优势：

所述户外建筑与上述的丙烯酸涂层或有上述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明还提供了一种上述的丙烯酸涂层在电工产品中的应用，或，上述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层在电工产品中的应用。

相对于现有技术，本发明所述的丙烯酸涂层在电工产品中的应用具有以下优势：

所述的丙烯酸涂层在电工产品中的应用与上述的丙烯酸涂层或有上述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明还提供了一种固化物，所述固化物由上述的丙烯酸涂层固化而得，或所述固化物由上述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层固化而得。

示例性地，本发明实施例所用的配方均为市售的产品，例如流平剂为离子型聚丙烯酸酯溶液，消泡剂为破泡聚合物和憎水颗粒的混合物，增稠剂为脲改性的聚氨酯溶液，分散剂为脂肪醇与环氧乙烷缩合物，这些助剂尤其是流平剂的添加量很少，对最终成涂层产品的反射和发射性能几乎无影响。

下列实施例中，反射率的测试通过紫外-可见-近红外分光光度计Lambda950利用PTFE积分球测量得到；

发射率的测试通过红外光谱仪Nicolet6700利用金积分球测量得到；

耐磨性能通过RTEC摩擦磨损试验机测量，通过相同参数下的磨损体积来表征耐磨性能，磨损体积越小耐磨性能越好；

对比用的商业涂层为芬琳全能漆。

下面给出几种丙烯酸涂层的示例，并选择有代表性的丙烯酸涂层对其进行材料性能分析。

实施例一

首先根据填料体积分数占比干膜总体积的60％称取ZrO₂填料和硅丙乳液，其中ZrO₂填料的平均粒径约为1μm，将称取的ZrO₂填料和硅丙乳液加水配成固含量60％的涂料；

之后加入消泡剂、流平剂、增稠剂，其分别占总涂料质量的0.02-0.03wt％、0.4-0.5wt％、0.4-0.5wt％，加入占填料质量0.7-0.8wt％的分散剂，1000rpm下利用高速搅拌机对其进行混合，从而获得高耐磨涂料；

通过刮涂、喷涂等方式可以获得350μm厚度耐磨辐射制冷涂层。

实施例二

首先根据填料体积分数占比干膜总体积的50％称取ZrO₂填料和苯丙乳液，其中ZrO₂填料的平均粒径约为1.5μm，将称取的ZrO₂填料和硅丙乳液加水配成固含量60％的涂料；

之后加入消泡剂、流平剂、增稠剂，其分别占总涂料质量的0.02-0.03wt％、0.4-0.5wt％、0.4-0.5wt％，加入占填料质量0.7-0.8wt％的分散剂，1000rpm下利用高速搅拌机对其进行混合，从而获得高耐磨涂料；

通过刮涂、喷涂等方式可以获得300μm厚度耐磨辐射制冷涂层。

实施例三

首先根据填料体积分数占比干膜总体积的40％称取ZrO₂填料和纯丙乳液，其中ZrO₂填料的平均粒径约为2μm，将称取的ZrO₂填料和硅丙乳液加水配成固含量60％的涂料；

之后加入消泡剂、流平剂、增稠剂，其分别占总涂料质量的0.02-0.03wt％、0.4-0.5wt％、0.4-0.5wt％，加入占填料质量0.7-0.8wt％的分散剂，1000rpm下利用高速搅拌机对其进行混合，从而获得高耐磨涂料；

通过刮涂、喷涂等方式可以获得400μm厚度耐磨辐射制冷涂层。

对比例一

首先根据填料体积分数占比干膜总体积的60％称取硫酸钡填料和硅丙乳液，其中硫酸钡填料的平均粒径约为450nm，将称取的硫酸钡填料和硅丙乳液加水配成固含量60％的涂料；

之后加入消泡剂、流平剂、增稠剂，其分别占总涂料质量的0.02-0.03wt％、0.4-0.5wt％、0.4-0.5wt％，加入占填料质量0.7-0.8wt％的分散剂，1000rpm下利用高速搅拌机对其进行混合，从而获得高耐磨涂料；

通过刮涂、喷涂等方式可以获得350μm厚度耐磨辐射制冷涂层。

对比例二

首先根据填料体积分数占比干膜总体积的60％称取碳酸钙填料和硅丙乳液，其中碳酸钙填料的平均粒径约为1.4μm，将称取的ZrO₂填料和硅丙乳液加水配成固含量60％的涂料；

之后加入消泡剂、流平剂、增稠剂，其分别占总涂料质量的0.02-0.03wt％、0.4-0.5wt％、0.4-0.5wt％，加入占填料质量0.7-0.8wt％的分散剂，1000rpm下利用高速搅拌机对其进行混合，从而获得高耐磨涂料；

通过刮涂、喷涂等方式可以获得350μm厚度耐磨辐射制冷涂层。

表1实施例及对比例所制备的丙烯酸涂层

由表1以及图5可以看出，相对于现有的商业涂层芬琳全能漆，上述实施例一至三，在加权平均反射率(太阳光波段)、大气窗口波段的红外发射率、耐磨性上都有一定程度的提高。尤其耐磨性能，请参见图6，实施例一在高体积分数填料下，耐磨性能提高了30倍。实施例一在涂层厚度为350μm时，相对于相同厚度的商业涂层在太阳波段的加权平均反射率提高了11.3％，商业涂层的太阳波段的加权平均反射率为84.2％，而在大气窗口波段的红外发射率与实施例一的发射率相当。

进一步地，如图6所示，随着氧化锆填料体积分数的增强，其耐磨性也不断的提高，从实际测试数据看实施例一为最佳的方案。图4为实施例一的SEM照片，从中可以看出氧化锆微粒随机的分散在丙烯酸基体中，不规则的分布可以获得良好的太阳波段的加权平均反射率以及大气窗口波段的红外发射率。

另外，由表1和图7所示，各个实施例与对比例之间的加权平均反射率对比可以看出，本发明实施例的采用ZrO₂填料相对于对比例采用碳酸钙、硫酸钡填料而言，在太阳波段的加权平均反射率明显高出。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (7)

1.一种丙烯酸涂层，其特征在于，所述丙烯酸涂层采用如下配方制得：所述涂层同时具有太阳光谱波段的高反射与红外波段的高发射性能，且具有高耐磨性，所述配方由丙烯酸乳液和ZrO₂颗粒组成；

所述ZrO₂颗粒的体积分数为所述丙烯酸涂层的40％-60％；所述丙烯酸乳液为硅丙乳液、苯丙乳液和纯丙乳液中的一种或多种任意比例组合；

所述ZrO₂颗粒的平均粒径为1.5μm。

2.如权利要求1所述的丙烯酸涂层，其特征在于，所述丙烯酸涂层的厚度为200-500μm。

3.一种权利要求1或2所述的丙烯酸涂层的制备方法，其特征在于，将权利要求1或2任一项所述丙烯酸涂层的配方所至少包括的丙烯酸乳液和ZrO₂颗粒与水混合，配成固含量为40-70％的浆料；

在所述浆料中加入助剂混合均匀；

将加入助剂的所述浆料涂布在基板上，获得丙烯酸涂层。

4.如权利要求3所述的丙烯酸涂层的制备方法，其特征在于，消泡剂占加入助剂的所述浆料重量百分比为0.02-0.03％；和/或，

流平剂占加入助剂的所述浆料重量百分比为0.2-0.6％，和/或，

增稠剂占加入助剂的所述浆料重量百分比为0.4-0.7％，和/或，

分散剂占所述ZrO₂颗粒重量百分比为0.6-0.8％。

5.一种户外建筑，其特征在于，所述户外建筑的表面涂覆有如权利要求1-2任一项所述的丙烯酸涂层，或所述户外建筑的表面涂覆有权利要求3-4任一项所述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层。

6.权利要求1-2任一项所述的丙烯酸涂层在电工产品中的应用，或，权利要求3-4任一项所述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层在电工产品中的应用。

7.一种固化物，其特征在于，所述固化物由权利要求1-2任一项所述的丙烯酸涂层固化而得，或所述固化物由权利要求3-4任一项所述的丙烯酸涂层的制备方法制得的丙烯酸涂层固化而得。

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