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  • Ti02涂层织物的隔热性能及其影响因素

    发布时间:2015-09-15 点击:

    二氧化钛是一种性能优异的白色填料,为无毒无味的粉体。由于其出色的性能,如高遮盖力、高折光指数,高光散射力、高耐候性、高光泽、高稳定性等,越来越受到涂料配方者的青睐。目前在很多涂料配方中都含有二氧化钛,特别是在红外热反射隔热涂料中,二氧化钛更是必不可少的组分[1-3]。将红外热反射隔热涂料涂覆到织物上可制得能显著屏蔽太阳热辐射热量的隔热涂层织物,与传统降温方法相比,它不需消耗能量就能有效降低暴露在太阳下物体的表面温度,从源头上阻止热量向物体内部的传递,进而达到节能降温的目的。本文选用对近红外辐射具有高反射、低吸收的金红石型Ti02作为功能粒子,通过涂层整理的方法将Ti02粒子牢固地粘附在织物上,制得了隔热性能较好的Ti02隔热涂层织物;分析讨论了影响其隔热性能的各项因素。


    1试验


    1.1试验材料及药品


    材料 经退浆、煮练后未漂白的纯棉织物(平纹,经、纬纱线密度为33tex×26tex,经、纬向密度为338恨/10cmX259根/10cm)、涤纶织物(平纹,经、纬纱线密度均为20tex,经、纬向密度为395根/10cmX295恨/10cm)、涤/棉织物(平纹,经、纬纱线密度均为23tex,经、纬向密度为543根110cmX285根/10cm)。


    药品 金红石型Ti02(I业级,杜邦钛白科技(上海)有限公司),聚偏氟乙烯(PVDF,I业级,上海三爱富新材料股份有限公司),聚氨酯(PU,工业级,韩国(株)爱特聚氨酯有限公司),N,N-二甲基甲酰胺(DMF,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司),六偏磷酸钠(分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司)。


    1.2试验仪器


    涂层机(瑞士WemerMathis公司),控温织物隔热性能测试箱(自制),QUANTA200扫描电子显微镜(捷克FEI公司),LD电子天平(沈阳龙腾电子有限公司),D-7401-50型电动搅拌器(天津市华兴科学仪器厂),202电热恒温干燥箱(天津市实验仪器厂),WSD-3U荧光白度仪(北京康光仪器有限公司)。


    1.3隔热涂料的制备


    1.3.1PVDF基隔热涂料的制备


    隔热涂料中,Ti02的质量分数为18.0%,PVDF的质量(g)与DMF的体积(mL)比为1:10。试验步骤如下:


    1)将Ti02粉末加入到盛有DMF的烧杯中,所得的混合物在电动搅拌器中搅拌分散一定时间后,向其中加入六偏磷酸钠溶液,继续搅拌分散。2)将PVDF粉末加入到盛有DMF的烧杯中,用玻璃棒搅拌至完全溶解均匀,静置至其中不含气泡。3)将1)中分散均匀的Ti02加入到2)中搅拌至混合均匀,即得所需隔热涂料。


    1.3.2PU基隔热涂料的制备



    二氧化钛是一种性能优异的白色填料,为无毒无味的粉体。由于其出色的性能,如高遮盖力、高折光指数,高光散射力、高耐候性、高光泽、高稳定性等,越来越受到涂料配方者的青睐。目前在很多涂料配方中都含有二氧化钛,特别是在红外热反射隔热涂料中,二氧化钛更是必不可少的组分[1-3]。将红外热反射隔热涂料涂覆到织物上可制得能显著屏蔽太阳热辐射热量的隔热涂层织物,与传统降温方法相比,它不需消耗能量就能有效降低暴露在太阳下物体的表面温度,从源头上阻止热量向物体内部的传递,进而达到节能降温的目的。本文选用对近红外辐射具有高反射、低吸收的金红石型Ti02作为功能粒子,通过涂层整理的方法将Ti02粒子牢固地粘附在织物上,制得了隔热性能较好的Ti02隔热涂层织物;分析讨论了影响其隔热性能的各项因素。


    1试验


    1.1试验材料及药品


    材料 经退浆、煮练后未漂白的纯棉织物(平纹,经、纬纱线密度为33tex×26tex,经、纬向密度为338恨/10cmX259根/10cm)、涤纶织物(平纹,经、纬纱线密度均为20tex,经、纬向密度为395根/10cmX295恨/10cm)、涤/棉织物(平纹,经、纬纱线密度均为23tex,经、纬向密度为543根110cmX285根/10cm)。


    药品 金红石型Ti02(I业级,杜邦钛白科技(上海)有限公司),聚偏氟乙烯(PVDF,I业级,上海三爱富新材料股份有限公司),聚氨酯(PU,工业级,韩国(株)爱特聚氨酯有限公司),N,N-二甲基甲酰胺(DMF,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司),六偏磷酸钠(分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司)。


    1.2试验仪器


    涂层机(瑞士WemerMathis公司),控温织物隔热性能测试箱(自制),QUANTA200扫描电子显微镜(捷克FEI公司),LD电子天平(沈阳龙腾电子有限公司),D-7401-50型电动搅拌器(天津市华兴科学仪器厂),202电热恒温干燥箱(天津市实验仪器厂),WSD-3U荧光白度仪(北京康光仪器有限公司)。


    1.3隔热涂料的制备


    1.3.1PVDF基隔热涂料的制备


    隔热涂料中,Ti02的质量分数为18.0%,PVDF的质量(g)与DMF的体积(mL)比为1:10。试验步骤如下:


    1)将Ti02粉末加入到盛有DMF的烧杯中,所得的混合物在电动搅拌器中搅拌分散一定时间后,向其中加入六偏磷酸钠溶液,继续搅拌分散。2)将PVDF粉末加入到盛有DMF的烧杯中,用玻璃棒搅拌至完全溶解均匀,静置至其中不含气泡。3)将1)中分散均匀的Ti02加入到2)中搅拌至混合均匀,即得所需隔热涂料。


    1.3.2PU基隔热涂料的制备



    隔热涂料中,Ti02的质量分数为18.0%,PU的质量(g)与DMF的体积(mL)比为3:20。试验步骤如下:


    1)将PU胶粒溶于盛有DMF的烧杯中,直至其完全溶解均匀,同时也将Ti02粉末均匀地加入到盛有DMF的烧杯中,用玻璃棒搅拌使其分散均匀。2)在一定转速下,将分散均匀的Ti02悬浮液缓慢地加入到PU溶胶中,搅拌混合均匀,静置至其中不含气泡,即得所需隔热涂料。


    1.4涂层织物的制备


    将所配制的隔热涂料在涂层机上涂覆到织物上,制得涂层织物。涂层工艺为:


    基布→第一次涂覆→烘干(100℃×3min)→第二次涂覆→烘干(100℃×3min)→水洗→烘干。


    1.5分析测试及性能表征


    1.5.1隔热性能


    采用自制的控温织物隔热性能测试箱,测试不同热辐射时间下试样内侧的温度(T)。以其与未受热辐射前试样内侧的初始温度(TO)之差(T),评价试样的隔热性能[4-5]。


    1.5.2扫描电镜分析


    将待测试样均匀地粘贴在样品板上,喷金,完毕后采用QUANTA200扫描电子显微镜观察试样的形态及其粒子聚集状态,拍照记录[6]。


    1.5.3白度


    将试样折叠成4层,在WSD-3U荧光白度仪上测试hunter白度。经、纬向各测3次,取其算术平均值。




    2结果与讨论


    2.1Ti02涂层前后织物及纤维的形貌


    棉织物经Ti02涂层前后的SEM照片如图l所示。由图1可知,经Ti02涂层后,在织物表面形成了一层致密的PVDF-Ti02高分子膜,PVDF和Ti02填充了纤维交织点间空隙,使纱线结构变得较为紧密。








    图2为棉纤维经Ti02涂层前后的SEM照片。由图2可知,棉纤维在涂层前表面较为平滑,部分表面有生长过程中留下的沟痕。涂层后,纤维表面变得较为粗糙,但仍保持了特有的转曲扁带状,从细微的结构可以看出,纤维表面原有的沟痕被涂层物覆盖。众所周知,棉纤维有数级微观结构,从数根大分子长链组成的基原纤到直径为微米级的巨原纤,各级原纤之间存在大量的缝隙和孔洞,表面吸附PVDF树脂的Ti02粒子容易进入这些结构疏松的区域。


    另外,从电镜照片中可清晰地看到,纤维之间存在粘连物,这说明织物涂层后,表面吸附PVDF树脂分子的Ti02进入到纤维之间,Ti02表面吸附的PVDF树脂分子可与棉纤维之间通过氢键发生了相互交联。


    2.2Ti02涂层织物的隔热性能






    图3为Ti02涂层织物的隔热性能。由图3可知,与空白棉织物相比,经Ti02涂层后,织物的隔热性能明显增强;在测试时间内,Ti02涂层织物的内侧温度增加量明显小于未经Ti02涂层织物的。这是因为Ti02是一种折光指数很高的白色填料,对太阳光中的近红外辐射具有较强的反射作用,其近红外反射比可达80%[6]。当Ti02涂覆到棉织物上时,可在棉织物表面形成一层致密的具有近红外反射作用的PVDF-Ti02高分子膜(图1所示),它可以将辐射到其表面上的近红外光大部分以原波长反射到大气中,并且进入其内部的近红外辐射还将会在PVDF-Ti02膜内发生漫反射,明显削弱了透过织物进入内侧的热辐射强度,所以涂层织物内侧温度增加量减少,隔热性能提高。


    2.3影响因素分析


    2.3.1基布材料的影响


    在制备隔热涂层织物时,基布材料对其隔热性能的影响是不容忽视的。纤维材料、组织规格、厚度等不同,所制得的涂层织物的隔热性能也是千差万别的。图4为分别以棉织物、涤纶织物和涤/棉织物作为基布材料时,所制得的涂层织物的隔热性能。






    由图4可知,在测试时间内,以棉织物作为基布材料制备的涂层织物的隔热性能最好,以涤/棉织物作为基布材料的次之,最后是以涤纶织物作为基布材料的;在测试时间内,以涤纶织物制备的涂层织物内侧温度最终增加量比棉织物的高出10℃左右。这种现象不仅与织物的组织结构有关,同时与纤维的微结构及其本身所具有的热焓值是密不可分的。棉纤维的导热系数为0.255-0.264kj/(m·K·h),横截面为腰圆形,有中腔;涤纶纤维的导热系数为0.301kj/(m·K·h),横截面一般为圆形[7-8]。在同一时间内,同等规格的涤纶织物吸收的热量要高于棉织物吸收的热量,且由于涤纶纤维的导热系数比棉纤维的大。对于涤纶织物,织物吸收的热量更易由外向内传导,累积在涂层织物内侧,因此,其隔热性能较棉织物的差。



    2.3.2基布白度的影响


    图5为基布白度对涂层织物隔热性能的影响。由图5可知,尽管所用的棉织物白度不相同,但经Ti02涂层后,所制备的涂层织物的辐射时间——温度变化曲线几乎重合,近似一条曲线,由此可以说明,棉织物白度对涂层织物的隔热性能没有显著影响。这是因为Ti02是一种白度很高的填料,将其涂覆到棉织物上会在其表面形成一层白度很高的PVDF-Ti02高分子膜,可抵消涂层前棉织物的白度差异(未漂白和漂白棉织物的hunter白度分别为86.12和91.72)。经Ti02涂层后,涂层织物的hunter白度相差甚微,几乎相同(未漂白和漂白棉织物的涂层织物的hunter白度分别为93.03和93.12),致使它们对光辐射的镜面反射强度一致,所以涂层织物的隔热性能基本相同。






    通过以上分析,在实际生产中,为了减少织物的损伤、降低生产成本,可选用经退浆、煮炼后未漂白的棉织物作为Ti02隔热涂层织物的基布材料,这样不仅可以降低成本,还可有效避免漂白给织物强力带来的损伤,提高隔热涂层织物的耐用性。


    2.3.3涂层剂的影响


    图6为PVDF基和PU基Ti02涂层织物的SEM照片






    由图6可知,不管是以PVDF还是以PU为涂层剂,Ti02粒子均可牢固地粘附在纤维表面。对比A、B两SEM照片可以看出,以PVDF为涂层剂所得涂层织物上的Ti02粒子分布较密集,Ti02吸附量较多;而以PU为涂层剂所得涂层织物上的Ti02粒子分布较稀疏,Ti02吸附量较少。


    图7为涂层剂对Ti02涂层织物隔热性能的影响






    由图7可知,在辐射时间内,PVDF基和PU基Ti02涂层织物的辐射时间——温度变化曲线极为相似。所不同的是,在前10min的辐射时间内,PU基Ti02涂层织物的内侧温度增加量高于PVDF基的,PVDF基Ti02涂层织物的隔热性能优于PU基的;而辐射10min后,PVDF基Ti02涂层织物的内侧温度增加量高于PU基的,PU基Ti02涂层织物的隔热性能优于PVDF基的。这可能与PVDF基Ti02和PU基Ti02在织物上具有不同的分布状态有关。PVDF基Ti02在织物上分布较密集,其在织物上的附着量明显多于PU基Ti02的。在短的辐射时间内,由于PVDF基Ti02涂层织物表面附有一层密集的对热辐射具有较强反射作用的Ti02,致使热辐射较难透过织物进入内侧,形成累积,所以其隔热性能较好。但经较长时间辐射后,由于PU基Ti02涂层织物和PVDF基Ti02涂层织物上的Ti02粒子对热辐射具有同等的反射效果,而PVDF基Ti02涂层织物上富余的Ti02粒子会对热辐射产生吸收,吸收的能量通过热传导进入织物内侧,形成累积,所以其内侧温度增加较多,但区别不大。





    3结论


    1)通过涂层整理的方法,将Ti02功能粒子涂覆到织物上,可制得隔热性能良好的Ti02涂层织物。


    2)涂层整理后,Ti02粒子、涂层剂和织物三者之间可通过氢键发生相互交联,在织物表面可形成一层对热辐射具有较强反射作用的涂层剂——Ti02高分子膜。


    3)基布材料对Ti02涂层织物的隔热性能影响较明显,其中以棉织物的较好;而基布白度和涂层剂对其隔热性能影响不明显。


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