杨永吉, 李佩芸, 赖尹婷, 谢杰修, 吕忠韩,蔡尚桦, 简智娴, 黄耀兴 博士;永光化学
摘要:在气候变迁及全球持续暖化的大背景下,建筑节能涂料的开发及应用成为可持续发展的重要一环。而建材上门窗与遮阳板是能量损耗的主要地方,约占建筑外维护结构面积的30%,能量损耗约占建筑总能耗的三分之二,因此开发应用于透明建材的新型高性能复配型水性抗紫外线、红外线阻隔剂,是建筑产业节能环保议题中的重要趋势。
本文是首次针对透明建材涂料所开发的复配型双功能抗紫外线(UV)/红外线(IR)阻隔剂(NLS),以应用实验设计(DOE)实验手法,实验结果表明:NLS于水性聚氨酯分散性测试结果显示,残留率只有2.3%,分散效果优良;另外根据氙灯耐候500小时显示,水性UV/IR阻隔剂NLS对减缓色差变化影响度为79.9%,而膜厚对减缓色差变化的影响度只有2.1%;NLS对提高UV阻隔影响度为92%,而膜厚对UV阻隔的影响度只有0.79%;NLS对降低IR穿透影响度为78%,而膜厚对降低IR穿透的影响度只有2.5%,因此添加NLS对降低IR穿透影响度的效果较增加膜厚来得有效。根据氙灯耐候500小时主效益图显示,NLS添加剂量至4.7%,膜厚30μm可以得到综合最佳解。
此外,对于涂装在玻璃和聚碳酸酯(PC)材料上的水性聚氨酯树酯实验,根据氙灯耐候1000小时的结果显示,空白组及添加水性抗红外线产品的对照组,两者试片皆有变白、雾化等现象,甚至有涂膜劣化剥落产生,而添加水性UV/IR阻隔剂NLS的试片则变化极小,显示复合配方NLS能有效提供涂膜双重保护。
另将水性UV/IR阻隔剂NLS添加于水性清漆,涂装玻璃后进行温度测试结果,经10分钟照射后,与空白组相比,升温程度减少5.5°C;若以红外线功率辐射能测试,侦测红外功率辐射能由5879 W/m2 降至3380 W/m2,显示添加NLS可有效将红外线功率辐射能降低57.5%。
关键词:节能涂料;水性抗UV/IR阻隔剂;光劣化;水性光稳定剂;黄变;实验设计;UV阻隔;IR阻隔
1、前言
全球暖化造成各地气温攀升,每年夏季气温都在突破纪录,为了节能减排,建筑用的节能涂料开发即是近年来的环保建材重点开发项目之一。建筑中,以门窗和遮阳板是能量耗损的主要来源,面积约占建筑外围结构面积的30%,能量损耗约占建筑总能耗的三分之二,因此为了让这类透明建材能有效阻隔热能进入,兼顾环保安全及节能等要求,开发高性能复配型水性抗紫外线、抗红外线的阻隔剂即是永续发展之重要议题。
钨青铜材料与传统 LaB6、ATO、ITO材料相比,具有隔热性强、成本低以及环保性好等优点[1],另有研究显示,对 SiO2 气凝胶进行改性[2],能够实现纳米颗粒的均匀分散,当玻璃涂覆膜厚为20-25μm时,涂膜有良好的机械性能,透明性好,同时有较佳的隔热效果。
将奈米ATO与水性聚氨酯通过工艺制备出奈米隔热涂料[3],有研究采用钨酸钠和碳酸铯为原料[4],以D-苹果酸为还原剂,原料Cs/W比为0.5,在175 ℃下水热反应72小时,成功合成具有优异的近红外线吸收性能的Cs0.32WO3棒状耐米粒子,其近红外线吸收能力的提高与结晶度的提高、棒状结构的生成以及自由载流子浓度提高有关。
另有研究指出[5],根据隔热涂料的隔热机理,通过添加空心玻璃微珠、热反射隔热粉、硅藻土、氧化铝等隔热功能材料,分别制备了阻隔型、反射型、热反射型、辐射型四种水性丙烯酸酯外墙隔热涂料,测试上述4种隔热涂料的隔热温差,以此实验结果为基础,通过正交实验设计得到集阻隔、反射、辐射三种隔热机理为一体的复合型水性丙烯酸酯为外墙隔热涂料提供最佳保护,另有研究[6]论述之纳米透明隔热涂料的隔热原理,指出其隔热作用不仅与奈米半导体合金粉体本身的物理结构有关,且还与粉体粒径有关;利用纯丙和苯丙乳液为基料,制备了具有热反射和低导热协同作用的隔热涂料。通过对颜填料太阳光反射率和隔热性能的研究[7],选择以空心玻璃微珠和金红石型二氧化钛为颜填料,而空心微珠的最优含量为4%~10%(wt),以此研制建筑反射隔热涂料基础性能最为优异。
除了材料本身的隔热效能之外,为给建材提供更完整的保护,通常也会于建材表面施以多功能的涂层涂装,以兼具美观及防护。目前涂料业解决光裂化的方法为紫外线吸收剂(UVA)搭配受阻胺光稳定剂(HALS)[8-11],针对目前建筑产业最常使用的水性涂料,永光化学也开发出 Eversorb® AQ 水性光稳定剂系列,保护高分子材料暴露在自然太阳光下时,减缓涂层褪色劣化与粉化现象。
但除了紫外线之外,阳光中的红外线更是主要带来热能提升的原因,不只会提高室内温度,累积的热能更会与紫外线共同作用,加速建材高分子材料老化。但目前有关水性抗UV/IR 的复合阻隔的研究较少,本次研究将探讨永光新开发的产品于水性树酯中的分散性效果。将水性UV/IR 复合型阻隔剂NLS添加于水性聚氨酯清漆中,利用实验设计 (DOE),探讨在不同添加浓度、不同涂膜厚度下进行耐候测试,观察并检测试片色差变化及紫外光穿透率%、可见光穿透率%、IR穿透率%等影响度的研究,最后涂装玻璃上测试降温效果和红外功率辐射能效果比较,期盼对节能环保建材开发有所帮助。
2、实 验 部 分
2.1实验原料
水性聚氨酯树酯,工业级,台湾立大股份有限公司;新型水性UV/IR阻隔剂(NLS)外观(图1所示)及穿透图谱(图2所示),工业级,台湾永光化学工业股份有限公司。
图1 新型水性UV/IR阻隔剂(NLS)产品外观
图2 新型水性UV/IR阻隔剂(NLS)穿透图谱
2.2实验设备
耐黄变试验机:厂牌Q Panel/型号QUV/Basic;
色差仪:厂牌MINOLTA/型号CM-3500d
2.3水性涂料性能测试
水性UV/IR阻隔剂(NLS)于去离水分散性测试
秤取重量为5g的水性UV/IR阻隔剂(NLS),再配置100g去离水混合搅拌5分钟,再将溶液倒入含2号滤纸水流抽器机抽滤后,烘干60℃后秤重,计算其残留率。
水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性聚氨酯分散性测试
秤取不同重量的水性UV/IR阻隔剂(NLS),再配置100g水性聚氨酯混合搅拌5分钟,再将溶液倒入含2号滤纸水流抽器机抽滤后,烘干60℃后秤重,计算其残留率。
水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性清漆的配置和试片制作
秤取水性UV/IR阻隔剂(NLS)再混合水性聚氨酯透明树脂搅拌5分钟,涂装在玻璃与PC(Polycarbonate)聚碳酸脂树脂材料中测试。
水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性清漆的配制与分散性测试
2.4检验方法
人工加速老化试验
ASTM G154-1(2006年改版),测试标准(340nm 60°C8hUV光照/50°C4h凝结),利用色差仪观察加速老化试验过程变化。
红外线功率计 LS122
隔热膜温度测试仪 LS300
光谱侦测器 EDTM: SD2400
软件名称与分析
使用软件:JMP version5.0(SAS Institute)
分析使用内建分析工具。
3、结果与讨论
水性UV/IR阻隔剂(NLS)于去离水分散性测试结果
经测试结果显示,水性UV/IR阻隔剂(NLS)于去离水中,呈均匀分散系统(如图3所示),经滤纸过滤后,其残留率只有1.1%(如图4所示),表示分散效果分散性非常好,没有分散不均的问题产生。
图3 新型水性UV/IR阻隔剂(NLS)于去离水分散性测试结果
图4 新型水性UV/IR阻隔剂(NLS)于去离水分散滤纸测试结果
水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性聚氨酯分散性测试结果
测试结果显示,不同剂量的水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性聚氨酯中,呈均匀分散系统(如图5所示),5g剂量经滤纸过滤后,其残留率只有2.3%(如图6所示),表示分散效果分散性非常好,没有凝集分散不均问题产生,另将此含5%的产品涂装于玻璃上,透明度高,没有雾度不均现象产生(如图7)。
图5 不同剂量新型水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性聚氨酯分散性测试结果
图6 新型水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性聚氨酯分散滤纸测试结果
图7 新型水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性聚氨酯分散涂装玻璃结果
实验设计DOE(Design of experiment) 来设计测试参数并分析其结果
水性UV/IR阻隔剂(NLS),添加于水性聚氨酯清漆中,在不同浓度和不同涂膜厚度下进行耐候色差变化,UV穿透率%,可见光穿透率%和IR穿透率%探讨研究,实验计划如表1所示。
表1 最适化实验探讨结果
水性UV/IR阻隔剂(NLS)与涂膜厚度对减缓色差变化影响度分析研究
经耐候500小时结果显示,参数估计表如表2,ANOVA分析如表3所示,水性UV/IR阻隔剂(NLS)对于减缓涂层褪色影响度高为79.9%,而膜厚影响度只有2.1%(如表4),表示对于减缓涂层褪色而言,添加水性UV/IR阻隔剂(NLS)较改变膜厚显著有效。
表2 参数估计表
表3 变异数分析(ANOVA)表
(R2=0.87,调整后的R2=0.75,均方根误差=1.66)
注:R2:判定系数,表示该模型(model)的解释能力,R2愈大,表示该模型的解释能力强。调整后的R2:调整后的判定系数,亦是用来表示该模型(model)的解释能力,比R2更为客观。通常「R2」与「调整后的R2」差别不大,但当二者差异很大时,建议参考「调整后的R2」比较好t值:参数估计时,对应「t分配」的所在位置,可用来判断参数是否显著p值(亦做prob):上述统计量对应的机率值,用来跟「显著水平」比较用,可用来判断参数(或模型)是否显著p值(亦做prob):上述统计量对应的机率值,用来跟「显著水平」比较用,可用来判断参数(或模型)是否显著p值<0.05代表有显著差异
表4 水性UV/IR阻隔剂(NLS)和涂膜厚度 对减缓涂层褪色影响度影响度分析
水性UV/IR阻隔剂(NLS)与膜厚对提高UV阻隔效能影响度分析研究
经耐候500小时结果显示,参数估计表如表5,ANOVA分析如表6所示,水性UV/IR阻隔剂(NLS)对提高UV阻隔效能的影响度为92%,而膜厚对于提高UV阻隔效能的影响度只有0.79%(如表7),由本次实验数据显示,对于提高UV阻隔效能来说,添加水性UV/IR阻隔剂(NLS)较增加涂膜厚度来得显著有效。
表5 参数估计表
表6 变异数分析(ANOVA)表
(R2=0.95,调整后的R2=0.88,均方根误差=10.7)
表7 水性UV/IR阻隔剂(NLS)和涂膜对提高UV阻隔影影响度分析
水性UV/IR阻隔剂(NLS)与涂膜厚度,对提高可见光穿透度影响度分析研究
经耐候500小时结果显示,参数估计表如表8,ANOVA分析如表9所示,水性UV/IR阻隔剂(NLS)对提高可见光穿透度影响度为89.7%,而膜厚的影响度只有2.7%(如表10),数据显示对于提高可见光穿透度的影响度来说,添加水性UV/IR阻隔剂(NLS)较改变膜厚来得显著有效。
表8 参数估计表
表9 变异数分析(ANOVA)表
(R2=0.97,调整后的R2=0.95,均方根误差=1.21)
表10 水性UV/IR阻隔剂(NLS)和涂膜对提高UV阻隔影影响度分析
水性UV/IR阻隔剂(NLS)与涂膜厚度,对降低IR穿透效力之影响度分析研究
经耐候500小时结果显示,参数估计表如表11,ANOVA分析如表12所示,水性UV/IR阻隔剂(NLS)对降低IR穿透度影响度为78%,而膜厚对于降低IR穿透效力的影响度则只有2.5%(表13),数据显示对于降低红外线穿透的效力来说,添加水性UV/IR阻隔剂(NLS)的效能会比增加膜厚来得显著。
表11 参数估计表
表12 变异数分析(ANOVA)表
(R2=0.98,调整后的R2=0.97,均方根误差=3.75)
表13 水性UV/IR阻隔剂(NLS)和对降低IR穿透影响度分析
水性UV/IR阻隔剂(NLS)与膜厚对耐候能力、色差变化、UV穿透率%、可见光穿透率%和IR穿透率%之影响研究
主效应分析如图八所示,横坐标分别为水性UV/IR阻隔剂(NLS)添加量(%)、膜厚DFT(μm)。在水性聚氨酯涂料中添加NLS,添加量分别为0~5%不同级距;涂膜厚度则是将水性聚氨酯涂料涂层厚度控制在30~60μm等不同厚度;纵轴显示色差变化值(ΔE)变化、UV穿透率%、可见光穿透率%以及IR穿透率%。色差变化值(ΔE)的变化越小,代表减缓褪色效果佳;UV穿透率%小,代表UV阻隔效果佳;可见光穿透率%大,代表不会影响建材的透明度;IR穿透率%小,则代表IR阻隔效果佳、可能有比较好的热能隔绝效果。由此次实验的数据显示,当NLS添加剂量4.7%、而涂膜厚度在30μm时,可得到最佳效果。
图8 不同浓度NLS和膜厚度对耐候色差变化,UV穿透率%,可见光穿透率%和IR穿透率% (主效应图)
反应曲面(Response Surface Methodology)(RSM)探讨UV/IR阻隔剂(NLS)与膜厚对减缓色差变化影响分析
利用数据表1为进一步利用反应曲面图呈现表示,X横坐标分别为UV/IR阻隔剂(NLS)的添加浓度(%),Z轴横坐标为膜厚(μm),Y横座表示色差值(ΔE),红色区域则是可达到减缓色差变化之最佳组合。
图9 反应曲面图(NLS vs. DFT vs. ΔE)
反应曲面(Response Surface Methodology)(RSM)探讨UV/IR阻隔剂(NLS)与膜厚对提高UV阻隔影响度分析
利用数据表1为进一步利用反应曲面图呈现表示,X横坐标分别为UV/IR阻隔剂(NLS)的添加浓度(%),Z横座为膜厚(μm),Y横座表示UV穿透百分比,红色圈起区域即为可达到得最佳UV阻隔效能之添加比例及膜厚。
图10 反应曲面图(NLS vs. DFT vs. UV T%)
反应曲面(Response Surface Methodology)(RSM)探讨UV/IR阻隔剂(NLS)与膜厚对可见光穿透率%影响分析
利用数据表1为进一步利用反应曲面图呈现表示,X横坐标分别为UV/IR阻隔剂(NLS)添加量(%),Z横座为膜厚(μm),Y横座表示可见光穿透率%,红色区域可达到可见光穿透率%最佳解。
图11 反应曲面图 (NLS vs. DFT vs. Visible T)
反应曲面(Response Surface Methodology)(RSM)探讨UV/IR阻隔剂(NLS)与膜厚对IR穿透率%影响分析
利用数据表1为进一步利用反应曲面图呈现表示,X横坐标分别为UV/IR阻隔剂(NLS)添加量(%),Z横座为膜厚(μm),Y横座表示IR穿透率,红色区域可以得IR阻隔率%最佳解。
图12 反应曲面图 (NLS vs. DFT vs. IRT)
水性IR阻隔剂(IR)与水性UV/IR复合阻隔剂(NLS)于水性清漆涂装玻璃与PC塑料材耐候测试结果比较
将5%的水性红外线阻隔剂(/IR)与水性UV/IR复合阻隔剂(NLS)于水性清漆中混合均匀,接着涂装玻璃,经氙灯ASTM G155-1耐候1000小时照射,结果显示当只添加红外线阻隔剂时,涂膜严重劣化,甚至出现剥落等现象;而当添加水性UV/IR复合阻隔剂(NLS),经耐候后涂膜变化不大(如图13),显示复合配方可有效阻挡紫外线及红外线的伤害,保护涂层不老化。另涂装于PC塑料材也一样可以得到相同的耐候结果(图14)。
图13 水性红外线阻隔剂(IR)与水性UV/IR复合阻隔剂(NLS)于水性聚氨酯涂装玻璃耐候结果比较
图14 水性红外线阻隔剂(IR)于水性聚氨酯涂装PC塑料材耐候结果比较
水性IR阻隔剂(IR)与水性清漆涂装玻璃温度测试结果比较
将一般水性树酯与添加5%NLS之水性树酯,分别涂装在玻璃试片上,放置于温度测试仪,检测玻璃下方的温度、进行降温阻隔的测试。经10分钟红外线光源照射后(如图15所示),左边为涂装一般水性树酯之玻璃试片,其下方侦测的温度为33.1°C,右边为涂装添加5%NLS水性树脂之玻璃试片,其下方侦测温度则只有27.6°C,显示添加NLS可有效阻隔热能累积,减少温度提升约5.5°C(图16)。
图15 一般水性树酯与添加5% NLS树酯涂装玻璃后放置温度测试仪进行实际温度阻隔测试10分钟结果比较
图16 一般水性树酯与添加5% NLS树酯涂装玻璃后放置温度测试仪进行实际温度阻隔测试10分钟结果比较
水性UV/IR复合阻隔剂(NLS)于水性清漆涂装玻璃测试红外功率辐射能结果比较
将一般水性树酯与添加5% NLS之水性树酯,分别涂装玻璃后,放置于250W灯泡测试仪进行红外线功率辐射测试(如图17所示),左边为一般水性树酯,当灯泡的光线穿透过受测玻璃试片后,侦测到红外功率辐射能为5879W/m2;右边为添加5% NLS之水性树脂涂装后的玻璃试片,其侦测到的红外功率辐射能降至3380 W/m2,显示添加NLS可以有效阻隔红外线能量,将辐射能降至约57.5%。
图17 一般水性树酯与添加5% NLS树酯涂装玻璃后放置250W灯泡测试仪进行红外功率辐射能测试比较
结 语
1.新型水性UV/IR阻隔剂(NLS)于去离水分散性测试结果显示,残留率只有1.1%分散效果好;
2.新型水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性聚氨酯分散性测试结果显示,残留率只有2.3%分散效果好;
3.氙灯耐候500hrs显示,UV/IR阻隔剂(NLS)对减缓色差变化影响度为79.9%,而膜厚影响度只有2.1%,添加NLS对于减缓色差变化的效果较增加膜厚有效;
4.氙灯耐候500hrs显示,水性UV/IR阻隔剂(NLS)对提高UV阻隔影响度为92%,而膜厚影响度只有0.79%,添加NLS对于提高UV阻隔的效果较增加膜厚有效;
5.氙灯耐候500hrs显示,水性UV/IR阻隔剂(NLS)对于提高可见光穿透度影响度为89.2%,而膜厚影响度只有2.7%,表示对于提高可见光穿透度,添加NLS对于可见光穿透度影响不是很大;
6.氙灯耐候500hrs显示,水性UV/IR阻隔剂(NLS)对降低IR穿透影响度为78%,而膜厚影响度只有2.5%,添加NLS对于对降低IR穿透影响度的效果较增加膜厚有效;
7 . 氙灯耐候5 0 0 hrs主效益图显示,NLS添加剂量至4.7%,膜厚30μ可以得到综合最佳解;
8.利用反应曲面图可以找到最佳区域解;
9.氙灯耐候1 0 0 0 hrs显示, 添加水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性聚氨酯树酯涂装于玻璃和PC材料上,对于涂膜可以达到很好保护,空白组以及添加水性红外线产品耐候后变白雾化涂膜严重甚至劣化剥落产生,这是因为复合配方NLS含抗老化保护涂膜,因此持续维持抗UV与红外线阻隔剂双重保护。另涂装于PC塑料材料也一样可以得到相同耐候结果;
10.利用反应曲面图可以找到减缓黄变最佳区域解;
11.水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性清漆涂装玻璃温度测试结果比较经10分钟可以较空白组降温约5.5°C;
12.水性UV/IR阻隔剂(NLS)于水性清漆涂装玻璃温度红外功率辐射能结果比较,侦测红外功率辐射能由5879W/m2降至3380W/m2,显示添加NLS可有效阻隔红外线能量将辐射能量减少将近一半。
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本文首发于2021年9月《CITC第八届绿色工业涂料创新技术应用大会论文集》