大型船舶长期在水面停泊或航行时,上层建筑和甲板长期受太阳光直接照射,能量则被舰船外壁吸收,因此室内温度提高,不仅给船员生活带来不利,也使仓储货物安全受到威胁和增加降温制冷设备的能耗。另一方面，同时温度的升高也会增加舰船的热红外特征信号,在军事上，不利于热红外伪装。

船舶用隔热反射涂料体系是一种功能性涂料体系。

该涂料体系涂覆于舰船船壳及上层建筑等的外表面,可减少舰船外壁对太阳光照射能量的吸收,达到降低船体内部温度的效果,从而改善船员生活和工作条件,节约大量降温费用。它有底、中、面3层:725-BS67-23节能型反射面层、725-H67-010隔热中间漆和725-H06-21防锈漆。

1试验

1.1仪器设备

搅拌釜、多功能分散机、砂磨机、有气喷涂设备、紫外-可见-近红外分光光度计、发射率测试仪、降温试验箱(自制)、隔热温差试验装置(自制)等

1.2原材料

多羟基树脂、环氧树脂、金红石型钛白粉、空心玻璃微珠、其他颜、填料,分散剂、溶剂、消泡剂、基材等。

1.3涂料配方及涂层配套体系设计

1.3.1反射面漆与隔热中间漆配方反射面漆与隔热中间漆配方见表1。

1.3.2涂层体系设计

假设底板为钢、铝等金属基材,涂层体系设计为防锈底层,隔热中间层,反射、耐候面层。

表1反射面漆和隔热中间漆配比(质量比)

表1反射面漆和隔热中间漆配比(质量比)

1.4涂料体系涂层样板的制备及性能试验

船舶用隔热反射涂料体系配套体系如下:725-H06-21环氧富锌底漆;725-H67-010隔热中层;725-BS67-23节能型反射型面漆。制备了涂层样板,研究并确定了涂层体系的最佳厚度设计方案。配套涂层体系样板共制备21块:其中15块用于附着力、耐盐雾性

、耐人工老化、耐碱性(5%NaOH)、耐油性(柴油)试验,3块用于耐候性试验,3块用于太阳能反射率和半球发射率测试。

选择市售的同类产品,制备样板,进行样板的太阳能反射率、半球发射率测试及隔热温差效果试验,将结果与725-H06-21、725-H67-010、725-BS67-23形成的船舶用隔热反射涂料体系进行比较。所有测试所采用的标准见表2。

表2试验采用的测试标准

1.5涂料体系的制备工艺

1.5.1725-BS67-23反射面层的制备工艺725-BS67-23反射面层的制备工艺具体如下:

首先按比例备好一定量的粉料(即颜、填料),将备好的粉料用电热烘箱烘干,然后据总量按照配方计算出其他原材料的投料分量。依次在容器内加入多羟基树脂、分散剂、消泡剂、混合溶剂等,高速分散若干分钟至混合液变成粘稠状,按量加入已准备好的粉料,高速分散半小时后将分散好的甲组份用砂磨机进行砂磨,直至细度达到40μm以下,过滤、出料、装罐。

1.5.2725-H672010隔热中间层的制备工艺

725-H67-010隔热中间层的制备工艺如下:

首先按比例备好粉料(即颜、填料),并用电热烘箱烘干备用,然后据总量按照配方计算出其他原材料的投料分量。依次在容器内加入环氧树脂、分散剂、消泡剂、溶剂等,高速分散若干分钟至混合液变成粘稠状(触变),按量加入已准备好的粉料,高速分散半小时后出料、装罐。

2结果与讨论

2.1涂层厚度设计

2.1.1中层厚度设计对隔热效果的影响

由于船舶用隔热反射涂料体系的中间层主要是隔热作用,而隔热涂层的厚度大小是影响其隔热效果的一个重要因素。选择隔热中间层不同厚度的涂膜,使用隔热温差试验装置进行中层厚度对其隔热性能的影响研究。结果见图1。

图1 中层厚度对其隔热性能的影响

从图1可以看出中层厚度在300μm厚度时曲线出现一个转折点,当中层大于300μm厚度时,隔热效果变化不大,隔热作用趋于平衡。因此船舶用隔热反射涂料体系的隔热中层最佳厚度设计为300μm。

2.1.2反射面层厚度设计对反射率的影响反射面层选取了50μm、100μm、150μm、200μm和250μm五个涂膜厚度进行研究测试。涂层样板委托上海华东理工大学分析测试中心进行太阳能反射率,使用的测试仪器是日本岛津产的紫外2可见光2近红外分光光度计,依据标准GJB2502-2006进行测试。试验结果如图2所示。

图2 太阳能反射率随面层厚度的变化

从图2可以看出在涂膜厚度小于150μm时,随厚度的增加反射率有较大幅度的提高,当涂层厚度从150μm增加到250μm时,反射率仅增加了0.1%。分析认为,由于光线经过涂层时总是发生反射、透射和吸收,这3部分光能总和为1。当面层厚度较薄时,光线有可能穿透面层涂层,被下面的涂层或基材吸收;反射率随涂层厚度不断增大而增大,而当厚度增加到一定值时,光线基本不可能透过面层射入到下面的涂层,反射能力趋于一定。试验结果表明所研制的船舶用隔热反射涂料体系的反射面层最佳厚度设计为150μm。

2.2反射隔热机理

船舶用隔热反射涂料体系是将反射和隔热作用相结合。据文献资料报道,折光指数越大的颜、填料,其遮盖力越强,从而散射太阳光的能力越大。表3列出常见颜、填料的折光指数[2]。

表3颜、填料的折光指数

从上表中可以看出,同种折光指数下白色颜料要比其他深色颜料的太阳光反射比要高。显然二氧化钛是较理想的白色颜料,有资料报道二氧化钛对白光的散射能力达到1.9。因此反射面层配方采用了金红石型钛白粉作为面层的主要颜料,金红石型钛白粉主要成分是二氧化钛,可反射掉大部分的太阳能,这使得面层太阳能反射率可达到较高的数值。

中空玻璃微珠具有容量轻、强度高、导热系数小等特点。有资料报道具有中空结构的物体一般受热后内部空气会产生对流,将热量传递,然而许多研究表明:当气孔直径是毫米级以下时,孔内气体对流交换热量可以忽略不计,材料的密度和温度变得都不显著,可起到隔热效果[3]。中层配方中选用尺寸是微米级的中空玻璃微

珠作为填料,这等同于运用微孔技术,因此隔热中间层起到较好的隔热效果。

2.3涂料体系对太阳能的反射

船舶用隔热反射涂料体系经测定及计算得出太阳能反射比为85.5%,半球发射率为0.9。涂层样板的反射光谱见图3。

图3 涂层的太阳能反射比光谱图

测试结果表明:船舶用隔热反射涂料体系具有较高的太阳能反射率和半球发射率,可将照射在涂层样板的太阳光反射掉85.5%,吸收的能量能以长波的形式较快的辐射掉。

2.4常规性能试验

船舶用隔热反射涂料体系样板常规性能试验结果

见表5。

表5 船舶用隔热反射涂料体系样板常规性能试验结果

表中数据表明所研制的隔热反射涂料体系具有良好的耐候性,能够适应海洋大气暴晒等实际使用环境的要求。

2.5隔热温差试验

两个降温试验箱由8mm厚的钢板制备而成,试验箱是模拟船舱舱壁内外环境的小型试验件。将两个降温试验试验箱空腹朝下放置,一个试验箱5个面均涂上船舶用隔热反射涂料体系,另一个则未涂上述涂料体系中的面漆,只涂了防锈底漆。每个试验箱的侧壁上都插有测试范围是0～100℃的温度计,将两个试验箱放置在太阳下暴晒,室外温度为32.5℃,测得两试验箱内部温度情况如表4所示。

表4 两个试验箱内部温度对比

从以上对比试验结果可看出在环境温度32.5℃,暴晒了105min时表面涂有船舶用隔热反射涂料体系的盒子与未涂装盒子的内部温度差13℃,可见本产品具有良好的降温效果。

2.6与国内外其他同类产品相比

选择市售同颜色的美国某品牌隔热反射涂料进行隔热温差试验,环境温度32～34℃,与研制的船舶用隔热反射涂料体系进行对比,结果可见下表。

表6 涂料降温性能比较

从表6可以看出,由725-H06-21、725-H67-010、725-BS67-23组成的隔热反射涂料体系与同颜色的美国某品牌隔热反射涂料的隔热温差效果相当。

3结论

(1)船舶用隔热反射涂料体系具有较高的太阳能反射率和半球发射率,可将照射在涂层样板的太阳光反射掉85.5%,吸收的能量能以长波的形式较快的辐射掉。

(2)试验结果证明本产品可运用在舰船船壳及上层建筑等的外表面,将能起到明显的降温节能效果。

(3)本产品具有良好的耐候性,能够适应海洋大气暴晒等实际使用环境的要求。

(4)本产品既节省能源又利于环保,还可推广到石化、储运等行业,具有良好的发展趋势和广阔的市场前景。