- 來源：《RubberWorld》No. 11/2023
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- 發(fā)布時(shí)間：2024-05-24
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本研究評(píng)估了三種不同的無機(jī)填料如何影響外墻涂料對(duì)陽光的反射能力。雖然外墻面涂料具有更好的太陽反射率和熱輻射性能可以為建筑使用者節(jié)約能源，但改變反射填料可能會(huì)對(duì)涂料的物理和機(jī)械性能產(chǎn)生無意的影響。在調(diào)整配方時(shí)，必須考慮成本節(jié)約與功能性能之間的平衡。適當(dāng)?shù)拈_發(fā)和測(cè)試工作可以幫助公司放心地進(jìn)行這些調(diào)整。
1 為什么反射率和熱輻射很重要
圖1 中的圖表說明了太陽反射率和熱輻射之間的區(qū)別。涂層反射太陽能、熱量和陽光的能力可以防止熱量被吸收到建筑結(jié)構(gòu)中。涂層的熱輻射是指它將熱量從建筑物表面輻射出去的能力。減少進(jìn)入建筑物的太陽熱和輻射熱，可以降低能源使用量，延長(zhǎng)暖通空調(diào)設(shè)備的使用壽命。
圖1太陽反射率和熱輻射率示意圖
圖2 城市熱島
在宏觀層面上，對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的需求減少可以提高旺季的電網(wǎng)穩(wěn)定性，并改善空氣質(zhì)量。空調(diào)使用量的減少也減少了為城市供電所需的化石燃料發(fā)電量，吸收熱量的減少也減少了城市熱島效應(yīng)（圖2）。
當(dāng)城市環(huán)境中的溫度高于周邊地區(qū)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生城市熱島。地表溫度高會(huì)導(dǎo)致空氣溫度升高，尤其是在夜間。熱島會(huì)增加與熱有關(guān)的不適、疾病和死亡。它們還會(huì)導(dǎo)致空調(diào)使用量增加，從而增加能源成本和空氣污染。城市熱島對(duì)弱勢(shì)社區(qū)的影響更大。
測(cè)試太陽反射率的方法有多種，包括美國建筑標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ASTM）的測(cè)試方法以及美國涼爽屋頂評(píng)級(jí)委員會(huì)（CRRC）的測(cè)試方法。表1 列出了各種產(chǎn)品的使用方法。
表1 太陽能反射率測(cè)試方法
2什么是 CRRC
涼爽屋頂評(píng)級(jí)委員會(huì) (CRRC) 是一個(gè)非營(yíng)利性組織，致力于開發(fā)公平、準(zhǔn)確和可信的方法，用于評(píng)估和標(biāo)注屋頂和外墻產(chǎn)品的熱輻射特性。CRRC 的使命是將與涼爽表面相關(guān)的客觀、科學(xué)信息引入有關(guān)熱島、極端高溫和建筑環(huán)境中能源使用影響的重要討論和明智決策中。表2 墻面涂料配方
3 對(duì)照配方
本研究采用了標(biāo)準(zhǔn)的外墻面乳膠涂料篩選配方。本研究的變量是 3% 的三種不同填料：氧化鋅、碳酸鈣和二氧化鈦。除了 3% 的填料變量外，所有配方都含有 5%的二氧化鈦。配方在 Lightnin LIV08 高速密煉機(jī)內(nèi)混合。混合物的攪拌轉(zhuǎn)速為 500 r/min，在最后一個(gè)循環(huán)中加入 Texipol 時(shí)轉(zhuǎn)速增至 800 r/min。表2 列出了全部配方。
表2 墻面涂料配方
質(zhì)量百分比% | |||
材料 | 變體1 | 變體2 | 變體2 |
乳膠 | 89.00% | 89.00% | 89.00% |
Texipol | 1.00% | 1.00% | 1.00% |
二氧化鈦 | 5.00% | 5.00% | 8.00% |
氧化鋅 | 3.00% | 0.00% | 0.00% |
碳酸鈣 | 0.00% | 3.00% | 0.00% |
石蠟油 | 1.00% | 1.00% | 1.00% |
Irganox 1010 | 1.00% | 1.00% | 1.00% |
4物理性能測(cè)試
氧化鋅涂層具有最高的物理性能。所有涂料都具有非常好的物理性能，適用于乳膠墻面涂料的應(yīng)用。圖3-圖8顯示了物理性能比較。碳酸鈣試品具有最高的粘度。這可能會(huì)影響應(yīng)用中的噴灑速率。所有涂層均通過了低溫柔韌性測(cè)試（表3）。
表3 低溫柔韌性
-10℃（0.5 芯棒）時(shí)的低溫柔韌性 | 氧化鋅 | 碳酸鈣 | 二氧化鈦 |
-26℃（0.5 芯棒）時(shí)的低溫柔韌性 | 通過 | 通過 | 通過 |
圖3 粘度（cPs）
圖4 ASTM D624，C型抗撕裂強(qiáng)度（磅/英寸）
圖5 ASTM D412 C型模具，斷裂應(yīng)力中值（磅/平方英寸）
圖6-ASTM D412 C型模具，100%伸長(zhǎng)率下的應(yīng)力（psi）
圖7 ASTM D412 C型模具，300%伸長(zhǎng)率下的應(yīng)力（psi）
圖8 ASTM D412C型模具，斷裂伸長(zhǎng)率（%）
5實(shí)驗(yàn)室老化測(cè)試
CRRC根據(jù)ASTM D7897《屋頂材料實(shí)驗(yàn)室污垢和風(fēng)化標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》提供快速評(píng)級(jí)，以模擬自然暴露對(duì)太陽反射率和熱輻射的影響。快速評(píng)級(jí)包括一個(gè)可選的產(chǎn)品評(píng)級(jí)過程，當(dāng)屋頂涂料產(chǎn)品在經(jīng)歷三年的自然天氣時(shí)，該過程為其提供臨時(shí)實(shí)驗(yàn)室老化值。
然而，CRRC目前不提供外墻面涂料產(chǎn)品的快速評(píng)級(jí)，因?yàn)锳STM D7897是專門針對(duì)屋頂涂料產(chǎn)品的。尋求CRRC評(píng)級(jí)的外墻產(chǎn)品在三個(gè)不同的氣候區(qū)以90°朝南的角度暴露在自然中風(fēng)化三年。然而，本研究使用了ASTM D7897程序作為代理，以表明污垢和紫外線暴露如何影響所評(píng)估配方的太陽反射率和熱輻射率。
圖 9 ASTM D7897 中的污物處理儀器
圖10 在瓷磚上使用的太陽能反射儀裝置
圖11 ASTM D7897模擬現(xiàn)場(chǎng)暴露總結(jié)
試品尺寸為 4 英寸×4 英寸，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行初始太陽反射率和熱輻射測(cè)量。 初始測(cè)量結(jié)束后，將試品放入 QUV（紫外老化試驗(yàn)箱） 老化 24 h。在 QUV 老化 24 h后，使用一種液體、粘土和其他成分的混合物弄臟試品，這種混合物類似于北美發(fā)現(xiàn)的土壤/泥土，方法是將土壤混合物直接噴灑到正在老化的試品上。 圖9 展示了用于該測(cè)試的儀器。土壤干燥后，將試品放回 QUV 中再老化 24 h。QUV 老化結(jié)束后，取出試品并在紅外燈下烘干。再次測(cè)量太陽反射率和熱輻射率。圖10 顯示了本研究使用的便攜式反射儀裝置。圖11 提供了 ASTM D7897 所規(guī)定的模擬現(xiàn)場(chǎng)曝曬的概要。
綜上結(jié)果模擬了暴露于外部環(huán)境三年后的太陽反射率和熱輻射率，表明了測(cè)試材料保持結(jié)構(gòu)冷卻的效果。這些測(cè)量值可用于CRRC評(píng)級(jí)程序，直到三年現(xiàn)場(chǎng)老化結(jié)果可用，此時(shí)這些結(jié)果將用于評(píng)級(jí)程序。
圖12 反射率和熱輻射率
圖13 太陽反射系數(shù)（SRI）
圖14初始氧化鋅涂層
圖15 污損的氧化鋅涂層
圖16初始CaCO3涂層
圖17污損的CaCO3涂層
圖18初始TiO2涂層
圖19污損的TiO2涂層
本研究的太陽反射率和熱輻射數(shù)據(jù)如圖 12 所示，太陽反射系數(shù)（SRI）如圖 13 所示。圖 14-19 分別顯示了三種涂層在污損和老化前后的情況。
總之，含 8% 二氧化鈦的批次表現(xiàn)最好，初始太陽反射率為 0.82，熱發(fā)射率為 0.90，SRI 為 103。按照 ASTM D7897 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行污損化處理后，批次3的太陽反射率為 0.71，熱輻射值為 0.90，SRI 為 87；其次是含有氧化鋅的批次1和含有碳酸鈣的批次 2。
與其他兩批相比，第3批明顯更白、更亮。含有全部二氧化鈦的第3批可以幫助建筑物在夏季和炎熱的日子里保持涼爽，從而節(jié)約能源。在三個(gè)批次中，碳酸鈣的效果最差，但它通常用作此類涂料的填料，而且價(jià)格低于其他填料。所有批次的涂料在此應(yīng)用中都具有優(yōu)異的物理性能。
作為外墻涂料，二氧化鈦可為建筑物帶來最佳的能源效率。成本和重力問題促使人們進(jìn)一步開發(fā)部分替代品，同時(shí)還能獲得反射和熱輻射性能。
在過去的十年中，技術(shù)和測(cè)試程序得到了極大的改進(jìn)。這使我們能夠更好地預(yù)測(cè)墻面或屋頂涂層的性能。
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