废弃红砖制备保温隔热水性涂料及优化

郑 毅，李 天，武舒娅，周 涛，赵由才

(同济大学，上海 200092)

我国正处于快速城市化的进程中，建筑行业贡献全国26.7%的GDP[1]。与此同时，大量建筑废物带来严重的环境问题，如占用土地资源、造成空气污染、消耗原材料等，也是世界环境问题的难点[2]。目前建筑废物处理的方式主要包括分拣利用、填埋、道路建设等[3-4]，但由于再生材料的成本、性能与天然产品存在差距[5-6]，资源化利用效率低，因此需探索新的建筑废弃物的资源化利用方向。

建筑保温隔热水性涂料是一种新型多功能涂料，能够通过反射隔热、阻隔隔热、辐射隔热等方式有效减少建筑物能量损失[7-8]。建筑废弃物中的混凝土、废砖块等硅酸盐质物料可用来制备建筑保温隔热水性涂料，为建筑废弃物资源化利用提供新思路[9]。缪正坤[10]等利用建筑废物制备保温隔热砌块，余江[11]等利用建筑废物和污泥等固体废弃物烧制保温隔热发泡陶瓷材料，均表明产品具有较好的性能。

本研究以废弃红砖作为典型建筑废物,选择阻隔型和反射型作为研究方向探究涂层厚度和颜料体积浓度对砖粉水性涂料保温隔热性能的影响。在此基础上，选择空心玻璃微珠、粉煤灰漂珠、膨胀珍珠岩、木质纤维、海泡石和硅酸铝[12-14]作为功能填料，分析不同功能填料对砖粉水性涂料的适配性，实现砖粉水性涂料的功能化应用。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

红砖块取自同济大学校内建筑物拆除过程，经过鄂式破碎和电磁粉碎两级破碎后,过80目筛。其余实验材料如表1。

表1 实验中使用的药品

1.2 实验设计

1.2.1 基本配方

保温隔热涂料的试验配方如表2所示。

表2 保温隔热砖粉水性涂料配方

1.2.2 保温隔热涂料的制备方法

试验基本配方与表2相同，仅将功能填料对砖粉填料进行部分替代，但不参与球磨过程。制备工艺如图1所示。

图1 保温隔热砖粉水性涂料制备工艺

1.2.3 涂料性能测试

1.2.3.1 反射隔热

以无石棉纤维增强水泥板板为空白试板，试板尺寸为350 mm×350 mm×5 mm，利用滚筒刷在试板表面进行多次涂装，保持涂层表面均匀平整，待表面干燥后测定涂层厚度，直至涂层厚度与测试要求相符，然后将试板放在标准环境中养护7 d。试板养护完成后按照图2进行测试，测试时涂层面向红外灯泡，根据数显温度计记录下腔体温度变化。

图2 涂层反射隔热测试装置

1.2.3.2 阻隔隔热

水性涂料阻隔隔热根据图3测试，在铁罐侧表面利用滚筒刷进行涂装，干燥涂层厚度根据测试要求需要。同一批次测试时，向罐内倒入等体积相同温度的热水，每隔一段时间测试水温，记录其变化情况。

图3 涂层阻隔隔热测试装置

2 结果与讨论

2.1 涂层厚度对保温隔热性能的影响

图4为砖粉水性涂料进行快速厚涂后的涂层情况，可以观察到涂层表面出现大量较大的裂纹，严重影响外观及使用性能，表明在此配方体系下，涂层表层与底层的干燥速率差异过大。表层干燥成型后，底层仍处于湿粘状态，所以当底层继续干燥收缩，引起表层龟裂。因此，砖粉水性涂料无法进行一次性厚涂涂装，应采取多次薄涂的方式进行测试。

图4 厚涂砖粉水性涂层外观

砖粉水性涂料阻隔型隔热效果实验设置厚度0～13 mm 8个涂层组别，将100℃沸水倒入容器中，观察水温随时间的变化情况，表3为测试结果。涂层厚度小于5 mm时，实验始末温差由43.8℃降低至43.3℃，变化幅度较小，仅为0.5℃；当大于5 mm时，温差由43.0℃降低至41.1℃，减小了1.9℃，隔热效果变化较为明显。当涂层较薄时(<5 mm)，无法对热量起到很好的阻碍作用，涂层尚未发挥阻隔隔热；随着涂层的增厚，一方面涂层热阻增大，降温速率减小，另一方面发热体损失的热量越多的被涂层吸收储存，涂层可更好的维持发热体的温度。因此，砖粉水性涂料涂层发挥阻隔隔热效果需要大于7 mm，且厚度增加对隔热效果影响显著。

表3 砖粉涂层厚度对阻隔隔热的影响

由于反射型涂料在隔热过程中不需要提供特别大的热阻，因此涂装厚度较薄，实验设置了0.1～1 mm 7个组别及一个空白对照组，砖粉水性涂料反射型隔热效果如表4所示。实验各组升温速率在加热过程中呈现由小及大，最终变小且温度保持相对恒定。红外辐射前期主要对空腔体进行加热，而后期则整个实验装置与外界达到热平衡，因此这两个阶段升温均较慢。在实验厚度范围内，隔热效果受涂层厚度影响不明显，不同厚度组别的温度变化相似，最大温差值47.3℃，最小温差值46.8℃。

表4 砖粉涂层厚度对反射隔热的影响

一些研究[15-16]发现，涂层的热反射不仅仅发生在涂层的表面，也发生在距涂层表面的一定厚度范围内。光线照在涂层表面时，一部分直接发生反射，另一部分则在涂层浅表面发生类似折射的透射作用，浅表面的填料仍会起到反射作用。当涂层较薄时，光线可以直接透射到基材表面，涂层的隔热效果减弱，而当涂层厚度增加到一定程度之后，光线透射已无法达到基材，而刚好达到基材的厚度可视为临界厚度。但是在本研究的相邻试验组别中，并未观察到明显温差变化，可能是因为临界涂层厚度较小，或砖粉水性涂料不具有反射隔热的功能。总的来说，薄层砖粉水性涂料反射隔热不足，而厚度相对于阻隔隔热又较小，因此整体的保温隔热增强效果不明显。

2.2 颜料体积浓度对保温隔热性能的影响

颜料体积浓度是配方设计中一项重要的参数，会对涂料的隔热性能产生潜在影响。表5为砖粉水性涂料的阻隔隔热效果与颜料体积浓度之间的关系，试验涂层厚度均为7 mm。温差随颜料体积浓度的增加先减小后增加，即隔热效果先提高后降低。当颜料体积浓度=51.1%时，隔热效果最好，温差ΔT5仅为41.1℃，由于砖粉填料的导热系数要低于聚合物乳液，因此随着砖粉含量的增加，涂层的隔热效果也逐渐升高；当颜料体积浓度>51.1%时，导热系数相对较低的砖粉填料也无法弥补空隙带来的不利影响，最终颜料体积浓度=67.7%时，隔热效果最差，甚至ΔT8>ΔT1，温差为44.4℃。

表5 颜料体积浓度对砖粉水性涂料阻隔隔热的影响

砖粉水性涂料的反射隔热与颜料体积浓度的关系如表6所示，试验涂层厚度为0.4 mm。一方面，内部空隙相当于在涂层内部增加静态空气，静态空气可增加涂层整体的热阻，但当颜料体积浓度过高时，填料颗粒裸露的机率增加，内部空隙易于彼此串通，甚至在涂层中形成不易观察到的裂纹，隔热效果反而不增反降。因此，砖粉水性涂料的阻隔隔热的最佳颜料体积浓度处于47.2%～55.6%之间。

表6 颜料体积浓度对砖粉水性涂料反射隔热的影响

2.3 功能填料种类对保温隔热效果的影响

由于砖粉水性涂料本身的隔热效果并不突出，因此添加功能填料来提升其保温隔热性能。图5为空白对照、膨胀珍珠岩和海泡石三种水性涂料的涂层厚度与保温隔热性能的关系，其中T30与T60分别指在第30 min和第60 min时的水温，试验初始水温为90℃。从图5中可观察到，当涂层厚度为3 mm时，膨胀珍珠岩-砖粉(膨-砖)水性涂料与空白对照组之间的T30和T60温差出现明显差异，分别由2 mm时的0.2℃和0.3℃增加至0.6℃和0.7℃，当涂层厚度为7 mm时，温差可达1.8℃和1.3℃。海泡石-砖粉(海-砖)水性涂料与空白对照组的温差值没有膨-砖水性涂料的大，但也相对明显，涂层3 mm时T30与空白组温差为0.4℃。因此添加功能填料后，砖粉水性涂料隔热性能会显著提高，涂层相对较薄时也可表现出阻隔隔热的效果。虽然厚涂层的效果更显著，但综合考虑试验的涂装和样品的制备，最终选择3 mm为接下来功能填料隔热性能探究的涂层厚度。

图5 功能填料-砖粉涂层厚度对保温隔热性能的影响

Fig.5 Effect of the thickness of functional filler-brick powder coating on heat insulation

图6为添加不同功能填料后，砖粉水性涂料的隔热情况，初始水温为90℃。由图易得，6种功能填料的添加均可改善砖粉水性涂料的隔热性能。其中，空心玻璃微珠-砖粉(空-砖)水性涂料和粉煤灰漂珠-砖粉(粉-砖)水性涂料的隔热效果较好，T30温度分别为66.3℃和65.6℃，膨-砖水性涂料和海-砖水性涂料次之，T30温度分别为65.2℃和65.0℃，木质纤维-砖粉(木-砖)水性涂料和硅酸铝-砖粉(硅-砖)水性涂料的隔热效果较差，与空白组的64.2℃相比，两者T30仅为64.7℃和64.8℃。第60 min后，木-砖、硅-砖和海-砖水性涂料的温度与空白组温差为0.3～0.4℃，此时保温隔热效果已经不明显；空-砖、粉-砖和膨-砖水性涂料涂层仍表现出一定的隔热效果，与空白组T60温差分别为2.0℃、1.7℃和0.9℃。

图6 功能填料-砖粉水性涂料隔热效果

3 结论

(1)砖粉水性涂料厚涂时应采取多次薄涂的方式进行测试。涂料层大于7 mm时砖粉水性涂料涂层发挥阻隔隔热效果，且厚度增加对隔热效果影响显著。在实验范围内，反射隔热效果受涂层厚度影响不明显。

(2)砖粉填料中添加功能填料有利于提高阻隔隔热效果，降低隔热所需涂层厚度，其中空心玻璃微珠和粉煤灰漂珠效果最好，膨胀珍珠岩和海泡石效果次之，而木质纤维和硅酸铝的效果较差，与空白对照组差异不大。