TWI626215B - 一種水性隔熱塗料及其組合物 - Google Patents

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Abstract

本發明水性隔熱塗料以溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為隔熱劑，比表面積比較大，介於30.1-100m2/g，由於奈米材料細度很高，具有大的比表面積，可有效阻隔紅外線，形成結構緊密且反射率高的塗層，並具有優異的熱遮蔽效果、抗污性及耐久性；又因使用溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液，已具良好分散性，可將奈米二氧化矽粒子均勻分散於樹脂中，而達到塗料塗層表面光滑，表面反射率高達85%以上的效果。

Description

一種水性隔熱塗料及其組合物
本發明係關於一種隔熱塗料，特別是以溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為隔熱劑之塗料。
隔熱塗料主要應用於建材表面之塗層，為了避免太陽熱能進入室內，必須提高塗料太陽光反射率(Total Solar Reflectance；TSR)，避免吸收光線。如有太陽光吸收產生，必須要降低塗料之熱傳導能力，避免光線會讓物質產生吸收，並轉換成熱能造成室溫上升。
業界通常利用材料本身具高太陽光反射率，達成隔熱效果，市售品主要技術有中空陶瓷材料(NASA技術)和小粒徑圓球SiO2(業界僅日本中央研究所株式會社提出)。以中空陶瓷材為隔熱粒子，因含有空氣層及樹脂、陶瓷材折射率差異大，使光經過多次反射達成隔熱效果，但也因包覆空氣而易劣化及表面蓄熱，需定期再重新塗佈。以小粒徑圓球SiO2粒子為隔熱劑，其比表面積小，阻隔紅外線效果較差，且調製過程中，需加以研磨分散，否則顆粒無法均勻分散於樹脂中，造成顆粒聚集而形成粗粒，以致細度不足，塗料塗層表面粗糙，而表面反射率下降，隔熱效果亦較差。
本發明水性隔熱塗料以溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為 隔熱劑，比表面積介於30.1-100m2/g，相對中空陶瓷材料的材質強度高，不因熱脹冷縮破裂，壽命長。有別於以火焰熔融法之比表面積30m2/g以下的二氧化矽粉體，當隔熱材料越細，表面光滑程度越高，其比表面積越大；由於奈米材料細度很高，一般具有比較大的比表面積，可有效阻隔紅外線，形成結構緊密且反射率高的塗層，並具有優異的熱遮蔽效果、抗污性及耐久性。市售要求粉體球形度的情況下，粒度相當的粉體材料，比表面積越大，球形程度就越差。然而以粉體材料為隔熱劑，在調配隔熱塗料過程中，需加以研磨分散，否則顆粒無法均勻分散於樹脂中，造成粉體聚集而形成粗粒，以致細度不足，塗料塗層表面粗糙，而表面反射率下降，隔熱效果變差。我方則強調高比表面積，不強調圓球度，有別於市售，且因使用溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液，已具良好分散性，調配隔熱塗料過程中，僅需攪拌，即可將奈米二氧化矽粒子均勻分散於樹脂中，不會因粒子聚集而形成粗粒，既減少調配製程步驟，降低分散程度的影響，而達到塗料塗層表面光滑，表面反射率高達85%以上的效果。
本發明係一種水性隔熱塗料組合物，基於塗料組成物總重量，包含以下成分，且以下各成分的總和為100wt%：a)水性壓克力 50~75wt%；b)隔熱劑 1~10wt%；c)無機粉體 11~35wt%；d)助劑 3~5wt%。
其中，水性樹脂有Acrylic、Acrylic silicon、PU和氟素樹脂等。其中以Acrylic silicon為大宗，而氟素樹脂的耐候性最好，但相對成本 高，且需專用設備生產，以免造成污染，而Acrylic製程簡單且成本低，耐候性較PU佳，亦無Acrylic silicon及氟素樹脂的設備污染問題。而本發明未特別指定。
上述隔熱粒子為溶膠-凝膠法製的二氧化矽水分散液，其表面積30.1-100m2/g。溶膠-凝膠法製的二氧化矽水分散液是以鹽的特性製造，其組成為xSiO2.yH2O化合物。將鹽酸加於矽酸鈉溶液則游離，但是既不是純粹的溶液，也不產生結晶性沉澱，而是形成水溶膠。將電解質加於此溶膠中，則發生凝結而變成水凝膠。要製造矽酸凝膠必須將鹽酸加於矽酸鈉以產生矽酸溶膠，並立即透析而得。矽酸經縮合易形成環已熔鍵-Si-O-Si-O-，變成高分子，所以稱之為溶膠。
在膠體分散系，分散相彼此獨立。如果以液體作為分散媒時，通常具有優異的流動性，以水為分散媒的溶膠稱為水溶膠，矽酸膠具有結合性、硬化性、摩擦性、附著性、粘結性、吸水性而不帶電性，已應用於多種工業產品。
而本發明使用的溶膠-凝膠法製的二氧化矽水分散液為陰離子型粒子，懸浮於含鈉離子或銨離子的水溶液中，PH值控制在9~10，以維持分散液穩定性並維持調配成塗料後之經時穩定性。
上述的無機粉體選自二氧化鈦(TiO2)、氫氧化鋁(Al(OH)3)、氫氧化鎂(Mg(OH)2)、碳酸鈣(CaCO3)、磷酸鈣、硫酸鈣、氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯、氧化鋅、滑石粉、高嶺土、膨脹珍珠岩及其他色料等。而無機粉體粒徑大小以0.08μm-3μm為佳，又以0.1μm-0.3μm為最佳，粒徑過大無法以攪拌完成分散，而粒徑過小則搖變性過高，造成攪拌不均。
為協助樹脂及各種原料在調製過程中維持本發明塗料功能性，及塗料成品具有良好的塗佈性、適用性，在調製過程中需加入各種助劑，包括：成膜助劑、分散劑、消泡劑、流平劑、抗菌劑、抗凍劑、光安定劑等。
其中成膜助劑可協助塗料的成膜性，避免塗料乾燥時龜裂、破損等，用量介於0.5%-5%間，小於0.5%則添加量過少而無法避免塗料乾燥時龜裂、破損，而大於5%造成塗料乾燥性不佳，可使用醇醚類、醇酷類溶劑、乙二醇单丁醚/二丙二醇丁醚混合物等高沸點溶劑或可塑劑的至少一種。
為了讓無機粉體及隔熱劑可均勻分散在樹脂，需加入分散劑，避免顆粒因聚集而形成粗粒，以致細度不足，造成塗層表面粗糙，表面反射率下降，而隔熱效果變差，用量介於0.01%-1%間，小於0.01%則添加量過少而造成無機粉體及隔熱劑無法有效分散，而大於1%造成攪拌時氣泡過多而分散效果不佳，可使用聚丙烯酸共聚物鉀鹽和特殊改性聚羧酸鉀鹽、硬脂酸單甘油酯、三硬脂酸甘油酯、油酸醯胺、聚合物型陰離子分散劑的至少一種。
消泡劑則協助塗料在攪拌等調製過程中的氣泡消散，避免塗佈缺陷，添加量介於0.01%-1%間，小於0.01%則添加量過少而消泡效果不佳，而大於1%造成表面張力變化，反而形成塗佈缺陷，可使用聚矽氧烷-聚醚共聚物、正辛醇、磷酸三丁酯、磷酸三苯酯、乳化甲基矽油、乳化苯甲基矽油、非矽酮含疏水粒子礦物油混合物或改性聚矽氧烷的至少一種。
流平劑可協助去除各種塗佈缺陷，增加塗料適用於如滾塗、刷塗、噴塗等不同方式的適用性，添加量介於0.01%-1%間，小於0.01%則 添加量過少，流平效果不佳，而大於1%造成表面張力變化，反而形成塗佈缺陷，可使用丙烯酸共聚物或非反應型聚醚改性聚矽氧烷的至少一種。
抗凍劑可增加塗料在低溫的適用性，避免塗料低溫時結塊或冰凍而無法使用，可使用甲醇、乙醇、乙二醇中的至少一種，其添加量介於0.5%-5%間。
抗菌劑的添加可避免塗料在存放或塗佈過程中發霉而造成功能性降低，可使用亞硝酸鹽、氟化鈉的至少一種，其添加量介於0.01%-1%間。
光安定劑主要為遮蔽光線、吸收並轉移光能量、捕獲自由基，避免塗料發生光氧化反應或反射或吸收紫外光、而達到光穩定作用，減緩塗料之紫外線衰退與黃變程度，可使用二苯甲酮類和苯並三唑類有機物的至少一種，其添加量介於0.01%-1%間。
圖1：塗料添加7% silica粉末攪拌1小時SEM圖
圖2：塗料添加7% silica粉末研磨1小時SEM圖
圖3：塗料添加7% silica粉末研磨2小時SEM圖
圖4：塗料添加7% silica sol攪拌1小時SEM圖
圖5：塗料添加3.5% silica sol攪拌1小時SEM圖
圖6：塗料添加3.5% silica sol攪拌1小時SEM圖
圖7：塗料添加7% 40μ中空玻璃珠攪拌1小時SEM圖
圖8：塗料添加7% 40μ中空玻璃珠研磨1小時SEM圖
選試水性壓克力樹脂，適用於水性系統用二氧化鈦粉體，碳酸鈣等無機粉體，及其他添加劑，搭配不同型態的二氧化矽粒子(包含粉體及分散液)、中空玻璃珠等隔熱粒子進行實驗室基礎試驗，本發明的塗料物性，通過下列測試方法進行評估：全波長反射率%測試：將塗料塗佈於基材上，使用紫外光/可見光分光光譜儀(Perkin Elner Lambda 750)搭配積分球配件(60nm Int.Sphere)進行300-2500nm波長的反射率量測，再依日光透反射公式計算全波長反射率%。
細度(μ)測試：細度是利用標準刮板細度計上之溝槽將塗料刮出塗層，用肉眼辨別濕膜內顆粒出現的顯著位置，得出的讀數即為細度，單位為μm。
遮蓋力測試：將塗料塗於遮蓋力測試儀之兩塊玻璃板間，前後滑動頂部玻璃板，讀出一條明顯分界線交替出現和消失分界線出現點在尺規上之讀數。
百格試驗測試：將塗料塗於鋼板上，待完全乾燥後，以百格刀於塗層上劃出百格，再以膠帶貼合已劃出百格之塗層處用力拉動，讓膠帶完全脫離塗層，目視鋼板上塗層脫落程度。
表面溫度(℃)測試：將塗料塗於鋼板上，待完全乾燥後，以飛利浦250W CR 7 120V紅外線燈照射兩小時，再以紅外線測溫槍，量測塗層照光面的溫度，評估隔熱效果。
熱傳係數(W/m．℃)測試：將塗料製成薄膜，再以熱傳導係數分析儀以固定功率的熱源下，量測塗料將熱源傳導出去的能力。
熱貫流率(W/m．K)測試：是計算每當溫差到達1℃時，每小時在1m2面積下流出的熱量，根據JIS A5759規範熱貫流率(U)計算方式如下：
ε e：塗膜外側的表面半球輻射率(FTIR分析遠紅外線反射率)
ε i：塗膜內側的表面半球輻射率(FTIR分析遠紅外線反射率)
QUV 1000hrs△b*測試：將塗料塗於鋼板上，待完全乾燥後，置入紫外光耐候試驗儀(ATLAS UV TEST)，以UVB 313nm波長，50-60℃，4小時照射-4小時蒸濕之循環條件，測試1000小時後，再以分光儀(X-rite color Eye 7000a)量測b值變化，確認黃變程度。
耐水性(72小時)測試：將塗料塗於鋼板上，待完全乾燥後，置入水中72小時，觀察塗膜外觀變化。
耐碱性(飽和石灰水72小時)測試：將塗料塗於鋼板上，待完全乾燥後，置入飽和石灰水72小時，觀察塗膜外觀變化。
耐刷洗性測試(450g負重，0.5%肥皂水2000次)測試：將塗料塗於鋼板上，待完全乾燥後，以450g負重，0.5%中性肥皂水，以刷洗測試機刷洗2000次後，觀察塗膜外觀變化。
茲列舉以下實施例及比較例說明本發明的效果，但本發明的權利範圍不是僅限於實施例的範圍。
實施例1：如表1所示組成，選試水性壓克力樹脂60g(固型份50%)，攪拌中依序加入0.4g分散劑、0.65g消泡劑後，再加入19g適用於水性系統用二氧化鈦粉體，5.1g碳酸鈣等無機粉體，攪拌均勻後，再加入7g溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為隔熱劑，攪拌均勻後靜置消泡 後，再導入其他3.78g添加助劑，攪拌均勻後，完成塗料調配。將塗料以250μm塗佈棒，塗佈於150μmPET膜及鋼板，置於室溫下乾燥24小時，進行各項物性評估。
實施例2：如表1所示組成，選試水性壓克力樹脂60g(固型份50%)，攪拌中依序加入0.4g分散劑、0.65g消泡劑後，再加入19g適用於水性系統用二氧化鈦粉體，8.5g碳酸鈣等無機粉體，攪拌均勻後，再加入3.5g溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為隔熱劑，攪拌均勻後靜置消泡後，再導入其他3.78g添加劑，攪拌均勻後，完成塗料調配。將塗料以250μm塗佈棒，塗佈於150μmPET膜及鋼板，置於室溫下乾燥24小時，進行各項物性評估。
實施例3：如表1所示組成，選試水性壓克力樹脂60g(固型份50%)，攪拌中依序加入0.4g分散劑、0.6 5g消泡劑後，再加入19g適用於水性系統用二氧化鈦粉體，11g碳酸鈣等無機粉體，攪拌均勻後，再加入1g溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為隔熱劑，攪拌均勻後靜置消泡後，再導入其他3.78g添加劑，攪拌均勻後，完成塗料調配。將塗料以250μm塗佈棒，塗佈於150μmPET膜及鋼板，置於室溫下乾燥24小時，進行各項物性評估。
實施例4：如表1所示組成，選試水性壓克力樹脂60g(固型份50%)，攪拌中依序加入0.4g分散劑、0.65g消泡劑後，再加入19g適用於水性系統用二氧化鈦粉體，8.6g之0.3μ碳酸鈣等無機粉體，攪拌均勻後，再加入3.5g溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為隔熱劑，攪拌均勻後靜置消泡後，再導入其他3.78g添加劑，攪拌均勻後，完成塗料調配。將塗料 以250μm塗佈棒，塗佈於150μmPET膜及鋼板，置於室溫下乾燥24小時，進行各項物性評估。
實施例5：如表1所示組成，選試水性壓克力樹脂60g(固型份50%)，攪拌中依序加入0.4g分散劑、0.66g消泡劑後，再加入19g適用於水性系統用二氧化鈦粉體，8.6g之2.7μm碳酸鈣等無機粉體，攪拌均勻後，再加入1g溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為隔熱劑，攪拌均勻後靜置消泡後，再導入其他3.9g添加劑，攪拌均勻後，完成塗料調配。將塗料以250μm塗佈棒，塗佈於150μmPET膜及鋼板，置於室溫下乾燥24小時，進行各項物性評估。
比較例1：如表1所示組成，選試水性壓克力樹脂60g(固型份50%)，攪拌中依序加入0.4g分散劑、0.65g消泡劑後，再加入19g適用於水性系統用二氧化鈦粉體，5.1g碳酸鈣等無機粉體，攪拌均勻後，再加入7g火焰熔融法製的二氧化矽粉體(0.5μm)為隔熱劑，攪拌均勻後靜置消泡後，再導入其他3.78g添加劑，攪拌均勻後，將塗料置入籃式砂磨機進行研磨2小時，完成塗料調配。將塗料以250μm塗佈棒，塗佈於150μmPET膜及鋼板，置於室溫下乾燥24小時，進行各項物性評估。
比較例2：如表1所示組成，選試水性壓克力樹脂60g(固型份50%)，攪拌中依序加入0.4g分散劑、0.65g消泡劑後，再加入19g適用於水性系統用二氧化鈦粉體，5.1g碳酸鈣等無機粉體，攪拌均勻後，再加入7g火焰熔融法製的二氧化矽粉體為隔熱劑，攪拌均勻後靜置消泡後，再導入其他3.78g添加劑，攪拌均勻後，完成塗料調配。將塗料以250μm塗佈棒，塗佈於150μmPET膜及鋼板，置於室溫下乾燥24小時，進 行各項物性評估。
比較例3：如表1所示組成，選試水性壓克力樹脂60g(固型份50%)，攪拌中依序加入0.4g分散劑、0.65g消泡劑後，再加入19g適用於水性系統用二氧化鈦粉體，8.6g碳酸鈣等無機粉體，攪拌均勻後，再加入3.5g火焰熔融法製的二氧化矽粉體為隔熱劑，攪拌均勻後靜置消泡後，再導入其他3.78g添加劑，攪拌均勻後，將塗料置入籃式砂磨機進行研磨2小時，完成塗料調配。將塗料以250μm塗佈棒，塗佈於150μmPET膜及鋼板，置於室溫下乾燥24小時，進行各項物性評估。
比較例4：如表1所示組成，選試水性壓克力樹脂60g(固型份50%)，攪拌中依序加入0.4g分散劑、0.65g消泡劑後，再加入19g適用於水性系統用二氧化鈦粉體等無機粉體，攪拌均勻後，再加入12g溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為隔熱劑，攪拌均勻後靜置消泡後，再導入其他3.78g添加劑，攪拌均勻後，完成塗料調配。將塗料以250μm塗佈棒，塗佈於150μmPET膜及鋼板，置於室溫下乾燥24小時，進行各項物性評估
比較例5：如表1所示組成，選試水性壓克力樹脂60g(固型份50%)，攪拌中依序加入0.4g分散劑、0.6 5g消泡劑後，再加入19g適用於水性系統用二氧化鈦粉體等無機粉體，攪拌均勻後，再加入7g 3M中空玻璃珠K37(40μm)為隔熱劑，攪拌均勻後靜置消泡後，再導入其他3.78g添加劑，攪拌均勻後，完成塗料調配。將塗料以250μm塗佈棒，塗佈於150μmPET膜及鋼板，置於室溫下乾燥24小時，進行各項物性評估。
隔熱劑：SiO2分散液(溶膠-凝膠法製)150nm，SiO2粉體(火焰熔融法製)0.5μm，中空玻璃珠40μm。
由實施例1至實施例3確認使用1g至7g%溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為隔熱劑，全波長反射率達88%以上，光照表面溫度皆在61-63℃，顯示具有良好的隔熱效果。
比較實施例2及實施例4，使用3.5g溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為隔熱劑，在調製過程中，不管是否經砂磨機研磨，細度皆可達15-20μm，而全波長反射率達88%以上，光照表面溫度皆在61-63℃，確認調配隔熱塗料過程，僅需攪拌，即可將奈米二氧化矽粒子均勻分散於樹脂中，減少調配製程步驟，降低分散程度的影響。
由比較例1及比較例2，確認使用火焰熔融法製的二氧化矽粉體為隔熱劑，在調配隔熱塗料過程中，必需加以砂磨機研磨分散，否則顆粒無法均勻分散於樹脂中，造成粉體聚集而形成粗粒，以致細度高達100μm以上，塗料塗層表面粗糙，而表面反射率下降至80%，光照表面溫度高達67-70℃，隔熱效果變差。另由比較例3發現當火焰熔融法製的二氧化矽粉體用量降至3.5%，光照表面溫度也增加至67-70℃，顯示使用火焰熔融法製的二氧化矽粉體為隔熱粒子，用量需達一定程度，才能具有良好的隔熱效果。
比較例4，當溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液含量達12g，光照表面溫度反而增加至64-67℃，和比較例1相當，研判因奈米二氧化矽粒子過多，易造成在塗料內局部凝聚，使分子排列不整齊，隔熱效果變差。 因此確認使用溶膠-凝膠法製的二氧化矽分散液為隔熱劑，調配隔熱塗料過程，僅需攪拌，即可將奈米二氧化矽粒子均勻分散於樹脂中，且用量介於1至10%以內，即可具有良好的隔熱效果。
比較例5使用7%中空玻璃珠為隔熱劑，由於粒徑達40μm，調配僅攪拌時，目視仍可見明顯顆粒，無法確認分散均勻與否，經砂磨機研磨分散，雖無明顯顆粒，但表面反射率下降至70%，光照表面溫度高達67-70℃，以SEM確認中空玻璃珠已碎裂，造成表面反射率及隔熱效果變差，這說明市售使用中空玻璃珠製隔熱漆，因中空玻璃珠強度不足，易外在環境而劣化，需定期再重新塗佈。

Claims (7)

  1. 一種水性隔熱塗料組合物，基於塗料組成物總重量，包含以下成分，且以下各成分的總和為100wt%：a)水性壓克力50~75wt%；b)隔熱劑1~10wt%；為使用溶膠-凝膠法製的二氧化矽，且表面積介於30.1-100m2/g；c)無機粉體11~35wt%；選自二氧化鈦(TiO2)、氫氧化鋁(Al(OH)3)、氫氧化鎂(Mg(OH)2)、碳酸鈣(CaCO3)、磷酸鈣、硫酸鈣、氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯、氧化鋅、滑石粉、高嶺土或膨脹珍珠岩；及d)助劑3~5wt%；選自成膜助劑、分散劑、消泡劑、流平劑、抗菌劑、抗凍劑或光安定劑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之水性隔熱塗料組合物，其中，所述隔熱劑為陰離子型二氧化矽粒子，懸浮於鈉離子或銨離子溶液中，PH值控制在9~10。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之水性隔熱塗料組合物，其中，所述無機粉體的粒徑大小為0.08μm-3μm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之水性隔熱塗料組合物，其中，所述無機粉體的粒徑大小為0.1μm-0.3μm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之水性隔熱塗料組合物，其中，所述成膜助劑及所述抗凍劑的用量，各介於0.5%-5%間；所述分散劑、所述消泡劑、所述流平劑、所述抗菌劑及所述光安定劑的用量，各介於0.01%-1%間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之水性隔熱塗料組合物，其中，所述成膜助劑使用醇醚類溶劑、醇酷類溶劑、乙二醇单丁醚/二丙二醇丁醚混合物溶劑或可塑劑中的至少一種；所述分散劑使用聚丙烯酸共聚物鉀鹽、改性聚羧酸鉀鹽、硬脂酸單甘油酯、三硬脂酸甘油酯、油酸醯胺或聚合物型陰離子分散劑中的至少一種；所述消泡劑使用聚矽氧烷-聚醚共聚物、正辛醇、磷酸三丁酯、磷酸三苯酯、乳化甲基矽油、乳化苯甲基矽油、非矽酮含疏水粒子礦物油混合物或改性聚矽氧烷中的至少一種；所述流平劑使用丙烯酸共聚物或非反應型聚醚改性聚矽氧烷的中至少一種；所述抗菌劑使用亞硝酸鹽或氟化鈉中的至少一種；所述抗凍劑使用甲醇、乙醇或乙二醇中的至少一種；所述光安定劑使用二苯甲酮類或苯並三唑類有機物中的至少一種。
  7. 一種水性隔熱塗料，以申請專利範圍第1項的水性隔熱塗料組合物製成。
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