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  • Ti02塗層織物的隔熱性能及其影響因素

    發布時間:2015-09-15 點擊:

    二氧化鈦是一種性能優異的白色填料,為無毒無味的粉體。由於其出色的性能,如高遮蓋力、高折光指數,高光散射力、高耐候性、高光澤、高穩定性等,越來越受到塗料配方者的青睞。目前在很多塗料配方中都含有二氧化鈦,特別是在紅外熱反射隔熱塗料中,二氧化鈦更是必不可少的組分[1-3]。將紅外熱反射隔熱塗料塗覆到織物上可製得能顯著屏蔽太陽熱輻射熱量的隔熱塗層織物,與傳統降溫方法相比,它不需消耗能量就能有效降低暴露在太陽下物體的表麵溫度,從源頭上阻止熱量向物體內部的傳遞,進而達到節能降溫的目的。本文選用對近紅外輻射具有高反射、低吸收的金紅石型Ti02作為功能粒子,通過塗層整理的方法將Ti02粒子牢固地粘附在織物上,製得了隔熱性能較好的Ti02隔熱塗層織物;分析討論了影響其隔熱性能的各項因素。


    1試驗


    1.1試驗材料及藥品


    材料 經退漿、煮練後未漂白的純棉織物(平紋,經、緯紗線密度為33tex×26tex,經、緯向密度為338恨/10cmX259根/10cm)、滌綸織物(平紋,經、緯紗線密度均為20tex,經、緯向密度為395根/10cmX295恨/10cm)、滌/棉織物(平紋,經、緯紗線密度均為23tex,經、緯向密度為543根110cmX285根/10cm)。


    藥品 金紅石型Ti02(I業級,杜邦鈦白科技(上海)有限公司),聚偏氟乙烯(PVDF,I業級,上海三愛富新材料股份有限公司),聚氨酯(PU,工業級,韓國(株)愛特聚氨酯有限公司),N,N-二甲基甲酰胺(DMF,分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司),六偏磷酸鈉(分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司)。


    1.2試驗儀器


    塗層機(瑞士WemerMathis公司),控溫織物隔熱性能測試箱(自製),QUANTA200掃描電子顯微鏡(捷克FEI公司),LD電子天平(沈陽龍騰電子有限公司),D-7401-50型電動攪拌器(天津市華興科學儀器廠),202電熱恒溫幹燥箱(天津市實驗儀器廠),WSD-3U熒光白度儀(北京康光儀器有限公司)。


    1.3隔熱塗料的製備


    1.3.1PVDF基隔熱塗料的製備


    隔熱塗料中,Ti02的質量分數為18.0%,PVDF的質量(g)與DMF的體積(mL)比為1:10。試驗步驟如下:


    1)將Ti02粉末加入到盛有DMF的燒杯中,所得的混合物在電動攪拌器中攪拌分散一定時間後,向其中加入六偏磷酸鈉溶液,繼續攪拌分散。2)將PVDF粉末加入到盛有DMF的燒杯中,用玻璃棒攪拌至完全溶解均勻,靜置至其中不含氣泡。3)將1)中分散均勻的Ti02加入到2)中攪拌至混合均勻,即得所需隔熱塗料。


    1.3.2PU基隔熱塗料的製備



    二氧化鈦是一種性能優異的白色填料,為無毒無味的粉體。由於其出色的性能,如高遮蓋力、高折光指數,高光散射力、高耐候性、高光澤、高穩定性等,越來越受到塗料配方者的青睞。目前在很多塗料配方中都含有二氧化鈦,特別是在紅外熱反射隔熱塗料中,二氧化鈦更是必不可少的組分[1-3]。將紅外熱反射隔熱塗料塗覆到織物上可製得能顯著屏蔽太陽熱輻射熱量的隔熱塗層織物,與傳統降溫方法相比,它不需消耗能量就能有效降低暴露在太陽下物體的表麵溫度,從源頭上阻止熱量向物體內部的傳遞,進而達到節能降溫的目的。本文選用對近紅外輻射具有高反射、低吸收的金紅石型Ti02作為功能粒子,通過塗層整理的方法將Ti02粒子牢固地粘附在織物上,製得了隔熱性能較好的Ti02隔熱塗層織物;分析討論了影響其隔熱性能的各項因素。


    1試驗


    1.1試驗材料及藥品


    材料 經退漿、煮練後未漂白的純棉織物(平紋,經、緯紗線密度為33tex×26tex,經、緯向密度為338恨/10cmX259根/10cm)、滌綸織物(平紋,經、緯紗線密度均為20tex,經、緯向密度為395根/10cmX295恨/10cm)、滌/棉織物(平紋,經、緯紗線密度均為23tex,經、緯向密度為543根110cmX285根/10cm)。


    藥品 金紅石型Ti02(I業級,杜邦鈦白科技(上海)有限公司),聚偏氟乙烯(PVDF,I業級,上海三愛富新材料股份有限公司),聚氨酯(PU,工業級,韓國(株)愛特聚氨酯有限公司),N,N-二甲基甲酰胺(DMF,分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司),六偏磷酸鈉(分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司)。


    1.2試驗儀器


    塗層機(瑞士WemerMathis公司),控溫織物隔熱性能測試箱(自製),QUANTA200掃描電子顯微鏡(捷克FEI公司),LD電子天平(沈陽龍騰電子有限公司),D-7401-50型電動攪拌器(天津市華興科學儀器廠),202電熱恒溫幹燥箱(天津市實驗儀器廠),WSD-3U熒光白度儀(北京康光儀器有限公司)。


    1.3隔熱塗料的製備


    1.3.1PVDF基隔熱塗料的製備


    隔熱塗料中,Ti02的質量分數為18.0%,PVDF的質量(g)與DMF的體積(mL)比為1:10。試驗步驟如下:


    1)將Ti02粉末加入到盛有DMF的燒杯中,所得的混合物在電動攪拌器中攪拌分散一定時間後,向其中加入六偏磷酸鈉溶液,繼續攪拌分散。2)將PVDF粉末加入到盛有DMF的燒杯中,用玻璃棒攪拌至完全溶解均勻,靜置至其中不含氣泡。3)將1)中分散均勻的Ti02加入到2)中攪拌至混合均勻,即得所需隔熱塗料。


    1.3.2PU基隔熱塗料的製備



    隔熱塗料中,Ti02的質量分數為18.0%,PU的質量(g)與DMF的體積(mL)比為3:20。試驗步驟如下:


    1)將PU膠粒溶於盛有DMF的燒杯中,直至其完全溶解均勻,同時也將Ti02粉末均勻地加入到盛有DMF的燒杯中,用玻璃棒攪拌使其分散均勻。2)在一定轉速下,將分散均勻的Ti02懸浮液緩慢地加入到PU溶膠中,攪拌混合均勻,靜置至其中不含氣泡,即得所需隔熱塗料。


    1.4塗層織物的製備


    將所配製的隔熱塗料在塗層機上塗覆到織物上,製得塗層織物。塗層工藝為:


    基布→第一次塗覆→烘幹(100℃×3min)→第二次塗覆→烘幹(100℃×3min)→水洗→烘幹。


    1.5分析測試及性能表征


    1.5.1隔熱性能


    采用自製的控溫織物隔熱性能測試箱,測試不同熱輻射時間下試樣內側的溫度(T)。以其與未受熱輻射前試樣內側的初始溫度(TO)之差(T),評價試樣的隔熱性能[4-5]。


    1.5.2掃描電鏡分析


    將待測試樣均勻地粘貼在樣品板上,噴金,完畢後采用QUANTA200掃描電子顯微鏡觀察試樣的形態及其粒子聚集狀態,拍照記錄[6]。


    1.5.3白度


    將試樣折疊成4層,在WSD-3U熒光白度儀上測試hunter白度。經、緯向各測3次,取其算術平均值。




    2結果與討論


    2.1Ti02塗層前後織物及纖維的形貌


    棉織物經Ti02塗層前後的SEM照片如圖l所示。由圖1可知,經Ti02塗層後,在織物表麵形成了一層致密的PVDF-Ti02高分子膜,PVDF和Ti02填充了纖維交織點間空隙,使紗線結構變得較為緊密。








    圖2為棉纖維經Ti02塗層前後的SEM照片。由圖2可知,棉纖維在塗層前表麵較為平滑,部分表麵有生長過程中留下的溝痕。塗層後,纖維表麵變得較為粗糙,但仍保持了特有的轉曲扁帶狀,從細微的結構可以看出,纖維表麵原有的溝痕被塗層物覆蓋。眾所周知,棉纖維有數級微觀結構,從數根大分子長鏈組成的基原纖到直徑為微米級的巨原纖,各級原纖之間存在大量的縫隙和孔洞,表麵吸附PVDF樹脂的Ti02粒子容易進入這些結構疏鬆的區域。


    另外,從電鏡照片中可清晰地看到,纖維之間存在粘連物,這說明織物塗層後,表麵吸附PVDF樹脂分子的Ti02進入到纖維之間,Ti02表麵吸附的PVDF樹脂分子可與棉纖維之間通過氫鍵發生了相互交聯。


    2.2Ti02塗層織物的隔熱性能






    圖3為Ti02塗層織物的隔熱性能。由圖3可知,與空白棉織物相比,經Ti02塗層後,織物的隔熱性能明顯增強;在測試時間內,Ti02塗層織物的內側溫度增加量明顯小於未經Ti02塗層織物的。這是因為Ti02是一種折光指數很高的白色填料,對太陽光中的近紅外輻射具有較強的反射作用,其近紅外反射比可達80%[6]。當Ti02塗覆到棉織物上時,可在棉織物表麵形成一層致密的具有近紅外反射作用的PVDF-Ti02高分子膜(圖1所示),它可以將輻射到其表麵上的近紅外光大部分以原波長反射到大氣中,並且進入其內部的近紅外輻射還將會在PVDF-Ti02膜內發生漫反射,明顯削弱了透過織物進入內側的熱輻射強度,所以塗層織物內側溫度增加量減少,隔熱性能提高。


    2.3影響因素分析


    2.3.1基布材料的影響


    在製備隔熱塗層織物時,基布材料對其隔熱性能的影響是不容忽視的。纖維材料、組織規格、厚度等不同,所製得的塗層織物的隔熱性能也是千差萬別的。圖4為分別以棉織物、滌綸織物和滌/棉織物作為基布材料時,所製得的塗層織物的隔熱性能。






    由圖4可知,在測試時間內,以棉織物作為基布材料製備的塗層織物的隔熱性能最好,以滌/棉織物作為基布材料的次之,最後是以滌綸織物作為基布材料的;在測試時間內,以滌綸織物製備的塗層織物內側溫度最終增加量比棉織物的高出10℃左右。這種現象不僅與織物的組織結構有關,同時與纖維的微結構及其本身所具有的熱焓值是密不可分的。棉纖維的導熱係數為0.255-0.264kj/(m·K·h),橫截麵為腰圓形,有中腔;滌綸纖維的導熱係數為0.301kj/(m·K·h),橫截麵一般為圓形[7-8]。在同一時間內,同等規格的滌綸織物吸收的熱量要高於棉織物吸收的熱量,且由於滌綸纖維的導熱係數比棉纖維的大。對於滌綸織物,織物吸收的熱量更易由外向內傳導,累積在塗層織物內側,因此,其隔熱性能較棉織物的差。



    2.3.2基布白度的影響


    圖5為基布白度對塗層織物隔熱性能的影響。由圖5可知,盡管所用的棉織物白度不相同,但經Ti02塗層後,所製備的塗層織物的輻射時間——溫度變化曲線幾乎重合,近似一條曲線,由此可以說明,棉織物白度對塗層織物的隔熱性能沒有顯著影響。這是因為Ti02是一種白度很高的填料,將其塗覆到棉織物上會在其表麵形成一層白度很高的PVDF-Ti02高分子膜,可抵消塗層前棉織物的白度差異(未漂白和漂白棉織物的hunter白度分別為86.12和91.72)。經Ti02塗層後,塗層織物的hunter白度相差甚微,幾乎相同(未漂白和漂白棉織物的塗層織物的hunter白度分別為93.03和93.12),致使它們對光輻射的鏡麵反射強度一致,所以塗層織物的隔熱性能基本相同。






    通過以上分析,在實際生產中,為了減少織物的損傷、降低生產成本,可選用經退漿、煮煉後未漂白的棉織物作為Ti02隔熱塗層織物的基布材料,這樣不僅可以降低成本,還可有效避免漂白給織物強力帶來的損傷,提高隔熱塗層織物的耐用性。


    2.3.3塗層劑的影響


    圖6為PVDF基和PU基Ti02塗層織物的SEM照片






    由圖6可知,不管是以PVDF還是以PU為塗層劑,Ti02粒子均可牢固地粘附在纖維表麵。對比A、B兩SEM照片可以看出,以PVDF為塗層劑所得塗層織物上的Ti02粒子分布較密集,Ti02吸附量較多;而以PU為塗層劑所得塗層織物上的Ti02粒子分布較稀疏,Ti02吸附量較少。


    圖7為塗層劑對Ti02塗層織物隔熱性能的影響






    由圖7可知,在輻射時間內,PVDF基和PU基Ti02塗層織物的輻射時間——溫度變化曲線極為相似。所不同的是,在前10min的輻射時間內,PU基Ti02塗層織物的內側溫度增加量高於PVDF基的,PVDF基Ti02塗層織物的隔熱性能優於PU基的;而輻射10min後,PVDF基Ti02塗層織物的內側溫度增加量高於PU基的,PU基Ti02塗層織物的隔熱性能優於PVDF基的。這可能與PVDF基Ti02和PU基Ti02在織物上具有不同的分布狀態有關。PVDF基Ti02在織物上分布較密集,其在織物上的附著量明顯多於PU基Ti02的。在短的輻射時間內,由於PVDF基Ti02塗層織物表麵附有一層密集的對熱輻射具有較強反射作用的Ti02,致使熱輻射較難透過織物進入內側,形成累積,所以其隔熱性能較好。但經較長時間輻射後,由於PU基Ti02塗層織物和PVDF基Ti02塗層織物上的Ti02粒子對熱輻射具有同等的反射效果,而PVDF基Ti02塗層織物上富餘的Ti02粒子會對熱輻射產生吸收,吸收的能量通過熱傳導進入織物內側,形成累積,所以其內側溫度增加較多,但區別不大。





    3結論


    1)通過塗層整理的方法,將Ti02功能粒子塗覆到織物上,可製得隔熱性能良好的Ti02塗層織物。


    2)塗層整理後,Ti02粒子、塗層劑和織物三者之間可通過氫鍵發生相互交聯,在織物表麵可形成一層對熱輻射具有較強反射作用的塗層劑——Ti02高分子膜。


    3)基布材料對Ti02塗層織物的隔熱性能影響較明顯,其中以棉織物的較好;而基布白度和塗層劑對其隔熱性能影響不明顯。


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