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毕爱红,朱金华,文庆珍

(海军工程大学理学院,武汉430033)

摘要:采用正交设计法,以颜填料、色浆、硅丙乳液、助溶剂为影响因素研究了有色降温涂料制备的工艺技术,结合反射率测试和表面发射率测试,找出了影响降温涂料性能的主要因素,从而为有色降温涂料的制备奠定了基础。

关键词:降温涂料;正交实验;降温性能

0引言

降温的方法有很多,例如采用隔热层、金属镀膜和涂料等途径,而涂料因经济、使用方便和隔热效果好等优点越来越受到人们的青睐。降温涂料是近年来迅速发展起来的一种特种功能涂料,它通过提高涂层表面的红外发射率、反射率,达到降低辐射温度,减少能源消耗的目的[1]。在已应用的降温涂料中,颜色单一,95%以上为白色[2]。为了满足有色降温涂料的需求,本文采用正交设计法研究了有色降温涂料制备的工艺技术,从而为有色降温涂料的制备奠定了基础。

1实验

成膜物质是涂料中最重要的组成部分。对船用降温涂料而言,一方面要求漆膜具有良好的物理化学性能。另一方面,还必须具有较高的红外光反射率、发射率、高温稳定性和导热性等特点。本实验的成膜物质选用性能优良的硅丙乳液。

1.1实验方法

按照一般涂料的制备工艺,在水中依次加人计量好的分散剂、润湿剂、部分消泡剂,中速搅拌直至分散均匀。按吸油量大小加入计量好的颜、填料,高速分散。加入硅丙乳液、成膜助剂及剩余消泡剂,高速分散。将计量好的色浆[3]稀释后加入高速搅拌的上述体系,继续高速分散1h。将高度分散体系在石英珠的作用下砂磨2h,至其细度符合要求。最后加入剩余的消泡剂,并加氨水作为pH值调解剂将pH值调至8左右。

1.2实验结果评定

物体对于入射能量的响应可以分为3类:吸收、透过和反射。定义吸收率为a,透过率为τ,反射率为ρ,发射率为ε。在一定温度下,物体的辐射率与吸收率是相同的[1],如式(1)所示。

ε+τ+ρ=1式(1)

对于大部分物体,包括涂料固化后所形成的涂层可以认为是不透明的,因此τ=0,如式(2)所示。

ε+ρ=1式(2)

因此对于真实物体,只有在一定波段内提高涂层的反射率ρ,同时在一定波段内把涂层吸收的能量最大限度的辐射出去,增大涂层的发射率ε,才可以使涂层表面对热量的积蓄较少,降低涂层温度[4-6]。因为涂料所辐射出的能量绝大部分集中在6μm以上(与8～13.5μm大气窗口相符),这就要求所设计的降温涂料在8～13.5μm波段内的有好的红外辐射性能,而在此波段外它又具有较高的光谱反射率。所以对降温涂料实验结果的评定应测试涂料的反射率和发射率。

1.3正交设计

为了从大量的试验点中挑选适量的具有代表性的点,利用正交实验来优化试验设计。在数据处理时,最大极差值对应的因素对性能的影响最大;反之,极差值越小,它对应的因素对性能的影响越小。通过此种方法,不仅可以找出影响降温指标的最主要因素,也可以找出各因素的最佳水平取值(在预定的水平内),还可以扩大最主要因素的水平范围,进行进一步的试验,找出更佳的配比。影响涂料降温性能的因素有颜填料、树脂、色浆、助溶剂等,所以选择L9正交表进行优化实验。A—复配颜填料的质量、B—复色浆的质量、C—硅丙乳液的质量、D—助剂的质量。A、B的配比已经事先确定,且在涂覆涂料时保证涂层的厚度一致(表1)。

1.4反射率测试

委托广东省技术监督玻璃产品质量监督检验站,用日本岛津产UV-3101PC带积分球的紫外-可见-红外分光光度计依据GB/T2680—1994测出其反射率光谱并计算反射率平均值如图1和表2所示。无特殊说明,ρ近为750～2500nm波段的反射率;ρ全为250～2500nm波段的反射率;ρ可为380～750nm波段的反射率。

表1因素水平表

图 1 1 ～ 9 号涂料的反射率图谱

表2涂料的反射率

1.5发射率测试

用HY-2000G型红外热像仪(λ=8～13.5μm,n=4)测试样板在高低两温度下[样板的一侧涂有待测涂料(S),另一侧涂有已知发射率的黑磁漆(R)(εR≈0.97)]涂层中心的温度。采用双温度法(Eq.1.3)计算涂层的表面发射率[7],如式(3)所示

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式中:εs—表面发射率;Ts2—温度为T2时待测涂层中心的温度;Ts1—温度为T1时待测涂层中心的温度;Tr2—温度为T2时黑磁漆中心的温度;Tr1—温度为T1时黑磁漆中心的温度。表3为测得的涂层中心的温度及按照双温度法计算所得的表面发射率。

2结果与讨论

2.1实验结果

评定A、B、C、D对近红外反射率和表面发射率的影响,见表4。

表3涂层的表面发射率

表4实验结果

直接观察得到的所设计涂料的最大反射率为2412,最大发射率为0.97,配方较好的一组是7号涂料,其反射率为24.2,表面发射率为0.92。

2.2数据的分析结果

分别对1～9号涂料利用极差分析对结果进行评定,如表5所示。

表5分析结果

表面发射率的极差都很小且相差不大,说明4个因素对表面发射率的影响不大且影响效果相差不大,其中对表面发射率影响最小的为硅丙乳液,极差值为0.02。由反射率的极差分析可以得出颜填料对涂料的反射率影响最大,极差值为5.07,A3最优;其次为色浆,极差值为3.36,B1最优;再者为助溶剂,极差值为3.04,D3最优;最后为硅丙乳液,极差值为2.00,C1最优。即4因素对反射率影响的次序为:A>B>D>C。本次正交试验的最优配方为A3B1D1C3,与直接观察法一致。通过硅丙乳液的反射率和发射率的极差分析可以认为硅丙乳液对性能的影响最小,这也同时证明了树脂的选择对降温涂料的降温性能影响不大。对各个因素的不同水平值所对应的反射率加以分析,可以看出,A、C所设计水平值偏小,B、D所设计的水平值偏大,没有涵盖最佳用量。为了定出配方中4个因素的更精确的用量,在第一次优化配方的基础上可以进行第二次优化,直至找到最佳的配方。

3结语

通过正交设计发现,单因素对降温涂料反射降温性能影响最大的为颜填料,其次为色浆,再次为助溶剂,最后为硅丙乳液。硅丙乳液对性能的影响最小,证明了树脂的选择对降温涂料的降温性能影响不大。颜填料、色浆、硅丙乳液、助溶剂4个因素对表面发射率的影响不大。通过此次实验找出了影响有色降温涂料的主要因素,在下一步的实验中可以通过研究颜填料对降温涂料性能的影响,选择对涂料降温效果有利的颜填料。本实验为有色降温涂料的配制奠定了基础。