新型无机隔热涂层材料的制作方法与工艺

1.工业和住宅建筑物的开发者和拥有者据报道总结,2007年中国的总建筑面积已达到360亿平方米，其中主要包括工业和住宅建筑两者(LangSiwei，ChinaAcademyofBuildingResearch，2007)；并且总建筑面积每年增长约18-20亿平方米(国家部门的统计数据，2008)。预期在2020年总建筑面积将超过680亿平方米(标准和智能绿色建筑物报告,2008)。但是，大多数现有的建筑物和30%在建的建筑物均为高能耗建筑结构。毫无疑问，新型隔热材料在该市场具有巨大的潜在应用价值。通过利用本发明的涂层材料，以可接受及合理的成本，开发者可达到政府设定的节能目标。2.高速铁路的拥有者(铁道部)由于高速铁路采用连续轨道，太阳光照射产生的升温会使其产生很大的热应力。本发明的涂层材料有助于其降低温升。3.管道的拥有者在2005年，中国城市集中供热面积已覆盖11.08亿平方米(2005年中国统计年鉴)。在2008年，北京的城市集中供热管网长度已超过17000公里(北京发改委的统计数据，2009)。本发明的涂层材料将显著提高供热管网的供应效率。换而言之，供暖系统是本发明的涂层材料的潜在目标市场之一。

背景技术：
数千年来，房屋结构的设计一直以因地制宜为原则。从一开始，热舒适度就一直是首要考虑的问题。为了让温度保持在人体舒适的范围内，已采取诸多措施来阻隔热量进入或流出建筑物。迄今已开发一系列材料用以满足隔热需求。在二十世纪七十年代能源危机之后，隔热材料的创新具有极大的战略重要性。低热导率是传统隔热材料最为关注的性能之一。空气或其它气体通常具有较低的导热率，因此大多数传统隔热材料具有非常高的空隙率。换而言之，隔热材料的质量主体由许多小气泡组成。这一高空隙特性导致传统隔热材料的使用受到了一定的限制。由于传统隔热材料的高孔隙率，它们中的大多数并不具备足够的力学强度用以支撑高强度的工作荷载。材料也会因受物理或化学破坏作用而失去原有的工作性能。因此，大多数传统隔热材料不具备良好的耐久性，尤其在磨损和不利的环境条件下，例如大气中的水汽和酸性气体。温度和相对湿度也会影响传统隔热材料的导热性能。一旦温度或湿度超过可接受的范围，材料的热传导将显著提高。可燃性是传统隔热材料的另一个显著缺陷。隔热材料表面须增加额外保护层用以抵抗火焰攻击或在高温中毒性蒸气的释放。这不但增加了传统隔热材料安装的复杂性，也提高了其应用成本。传统隔热材料最为显著的缺陷是无法有效抵抗热辐射。实际上，太阳能仅以辐射方式跨越数百万公里的空间到达地球。根据电磁波理论，热辐射将引起分子振动，从而提高分子的温度。大多数常见的隔热材料都会吸收和传递90%的辐射能量。无论采取何种方式，辐射热都会在传统隔热材料的表面上产生或者通过材料传递至另一侧。传统隔热材料唯一能做的就是降低能量传递效率。因此，传统隔热通常被视为是一种被动的耐热方法。开发新型、主动、高效、容易加工且无毒无害的隔热材料将对传统隔热工业和市场产生深远的影响。

技术实现要素：
为了克服传统隔热材料的缺陷，基于反射理论，采用无机材料开发了这种新型隔热涂层材料。该新型涂层材料含有以下主要组分：带填充气体的空心微珠（空心玻璃微珠和空心陶瓷微珠中的一种或多种）、基体材料和氯氧镁水泥(MOC)乳液，所述基体材料为二氧化钛粉末、粉煤灰、颜料粉末和磷酸二氢钾(KH2PO4)或磷酸二氢钠(NaH2PO4)粉末。该新型隔热涂层材料在涂覆后可形成多层结构。如果精心设计每个相邻层的厚度di和dj以及它们的折射率ni和nj以满足关系nidi+njdj=λk/4-λk/2，其中λk为入射波k的波长，那么包含在k波中的热辐射能将被高度反射。通过多层结构和di和dj以及ni和nj的不同预期组合，可阻断大多数可见光和红外光波。因此，通过阻断这些来自太阳光波所携带的辐射热，从而使建筑物内部的温度保持在较低的值。此外，MOC的高热阻性和带填充气体的空心微珠（空心玻璃微珠和空心陶瓷微珠中的一种或多种）的低热传导性可进一步改进涂层材料的隔热（保温）性质。因此，所提出的新型隔热（保温）涂层材料在隔热上具有反射、折射和散热的复合作用。该新型隔热涂层材料不但有助于推动能源革命的进步，而且还能为工业和民用应用两者节约大量的资源和能量。该新型隔热材料同时还具有其它优点。在建筑物外壁的表面上涂布涂层厚度仅为0.5mm-1.0mm便可达到十分良好的隔热（保温）效果。由于该涂层材料本身的无机特性，使其具有十分优异的耐高温性能和耐／防火性能。同时，无机材料的特性和良好的物理性能(例如高粘结强度)，也使该涂料层材料具有十分优异的户外抗老化耐久性能。因此，毫无疑问，比起目前的有机涂层材料，该新型隔热涂层材料具有更长的使用寿命。鉴于所用原材料均为无机材料，该新型隔热（保温）涂层材料未能检测到VOC，所以其也是一种绿色环保型涂料。附图说明图1新型隔热涂层材料。图2该新型隔热涂层材料的多层结构设计。图3加热测试装置示意图(标记点‘A’：用于测定板外表面温度的热电偶；‘B’：用于测定板内表面温度的热电偶)。图4未涂和涂覆本发明涂层CBT的纤维水泥板的隔热性能比较。图5涂覆本发明涂层CBT的纤维水泥板的太阳能反射率。图6未涂和涂覆本发明涂层CB的纤维水泥板的隔热性能比较(CFCP-OS：未涂涂层的基准纤维水泥板外表面；CFCP-IS：未涂涂层的基准纤维水泥板内表面；CB-OS：涂覆本发明涂层的纤维水泥板外表面；CB-IS：涂覆本发明涂层的纤维水泥板内表面)。图7涂覆本发明涂层CB的纤维水泥板的太阳能反射率。图8未涂和涂覆本发明涂层CBY的纤维水泥板的隔热性能比较。图9涂覆本发明涂层CBY的纤维水泥板的太阳能反射率。具体实施方式为了克服传统隔热材料的缺陷，基于反射理论，采用无机材料开发了该新型隔热（保温）材料。该新型材料具有以下主要组分：带填充气体的空心微珠（空心玻璃微珠和空心陶瓷微珠中的一种或多种）、基体材料和氯氧镁水泥(MOC)乳液，所述基体材料包括二氧化钛粉末、粉煤灰、颜料粉末、和磷酸二氢钾(KH2PO4)或磷酸二氢钠(NaH2PO4)粉末。该新型隔热涂层材料在涂覆后可形成多层结构。如果精心设计每个相邻层的厚度di和dj以及它们的折射率ni和nj以满足关系nidi+njdj=λk/4-λk/2，其中λk为入射波k的波长，那么包含在k波中的热辐射能将被高度反射。通过多层结构和di和dj以及ni和nj的不同预期组合，可阻断大多数可见光波和红外波。因此，通过阻断由这些来自太阳光波所携带的辐射热，从而使建筑物内部温度保持在较低值。此外，MOC的高阻热性和带填充气体的空心微珠的低热传导可进一步改进涂层材料的隔热性质。因此，所提出的新型涂层材料在隔热上具有反射、折射和散热的复合作用。该新型隔热涂层材料不但有助于推动能源革命的进步，而且还能为工业和民用应用两者节约大量的资源和能量。该新型隔热材料同时还具有其它优点。在建筑物外壁的表面上涂布涂层厚度仅为0.5mm-1.0mm便可达到十分良好的隔热效果。由于该涂层材料本身的无机特性，使其具有十分优异的耐高温性能和耐／防火性能。同时，无机材料的特性和良好的物理性能(例如高粘合强度)，也使该涂料层材料具有十分良好的户外抗老化耐久性能。因此，毫无疑问，比起目前的有机涂层材料，该新型隔热涂层材料具有更长的使用寿命。鉴于所用原材料均为无机材料，该新型隔热涂层材料未能检测到VOC，所以其也是一种绿色环保型涂料。实施例1所用的原料为MgO、MgCl2溶液、水、KH2PO4、带填充气体的空心玻璃微珠和二氧化钛。涂料配比如表1所示，标记为CBT。通过使用刮涂方法，将本发明的涂料涂布在尺寸为200mm×200mm×8mm的纤维水泥板表面上，其中涂层的厚度约为0.50mm。加热测试装置示意图如图3所示。在框架顶部安装275W红外辐射灯。将内表面覆盖银色反光纸的空心PVC管(φ200×~450mm)放置在灯的正下方，以增强在红外灯在样品上的辐射强度并产生均匀和稳定的温度场。在装置底部的木质箱(500×500×500mm)用于模拟暴露于太阳光下的屋宇。将待测的样品(200×200×8mm)放置在箱子顶部的开口部位，将箱子的外部和内部空间分隔。箱子上表面的其它部位用泡沫塑料和反光纸覆盖，以确保绝大部分热量仅从样品板传递至箱子内部。每次测试，采用2个热电偶来分别监测样品外表面(面对灯)和内表面(木质箱子内)的温度变化。通过由与计算机相连接的的数据记录器来记录温度数据。涂层隔热性能的实验结果如图4所示。该涂层材料的隔热作用从图4中清晰可见。未涂有涂层的基准样品CFCP与涂覆涂层CBT样品之间的外表面温差为9.65℃；未涂涂层的基准样品CFCP与涂覆涂层CBT样品之间的的内表面温差为15.32℃。根据ASTME903-96，进行UV/VIS/NIR太阳能反射率测试，其结果如图5所示。由图5可以看到，可见光波和近红外波被极大程度反射。其它涂层性能均经过测试，所述性能为表面干燥时间、储存稳定性、耐洗刷性、耐水性、耐碱性、耐温变性、耐人工老化、红外发射率、VOC、抗细菌性、抗真菌性、吸水性、铅笔硬度、固体含量(按体积计和按重量计)、粘结性和可燃性。相应测试结果如表2所示。由表2可见，所检测涂料性能均能充分满足相应标准要求。实施例2所用的原料为MgO、MgCl2溶液、水、KH2PO4和带填充气体的空心玻璃微珠。涂料配比也如表1所示，标记为CB。通过使用刮涂方法，将本发明的涂料涂布在尺寸为200mm×200mm×8mm的纤维水泥板的表面上，涂层的厚度约为0.50mm。所用的隔热性能测试方法与实施例1相同。涂层隔热性能的实验结果如图6所示。由图6中可见，未涂有涂层的基准样品CFCP和涂覆涂层CB的样品之间的外表面温差为7.57℃，未涂有涂层的基准样品CFCP和涂覆涂层CB的样品之间的内表面温差为12.39℃。根据ASTME903-96，进行UV/VIS/NIR太阳能反射率测试，其结果如图7所示。由图7可以看到，在可见光范围和近红外的光波被很好反射。CB的表面干燥时间为1小时58分，铅笔硬度为6H，耐水性合格(168小时)。实施例3所用的原料为MgO、MgCl2溶液、水、KH2PO4、带填充气体的空心玻璃微珠和黄色颜料。涂料配比也如表1所示，标记为CBY。通过使用刮涂方法，将本发明的涂料涂布在尺寸为200mm×200mm×8mm的纤维水泥板的表面上，涂层的厚度为约0.50mm。所用的隔热性能测试方法与实施例1和2相同。涂层隔热性能实验结果如图8所示。由图8中可见，未涂有涂层的基准样品CFCP和涂覆涂层CBY的样品之间的外表面温差为8.74℃，未涂有涂料层的基准样品CFCP和涂覆涂层CBY的样品之间的内表面温差为14.41℃。CBY的性质好于CB，但是稍低于CBT。根据ASTME903-96，进行UV/VIS/NIR太阳能反射率测试，其结果如图9所示。由图9可以看到，本发明涂层具有良好的太阳能反射率，尤其是在可见光和近红外光范围。CBY的表面干燥时间为1小时47分，铅笔硬度为2，耐水性合格(168小时)。表1.涂层实施例的配合比(%)。表2.涂层实施例1(CBT)的性能总结。