CN113072847A - 一种具有自主调温功能的温致变色路面涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有自主调温功能的温致变色路面涂层，包括以下质量份的原料：颜填料18～30份、水性硅丙乳液50～60份、各类添加剂共5～10份、成膜助剂5～10份、去离子水20～30份。所述颜填料包括：二氧化钛2～5份、温致变色粉16～25份。所述二氧化钛与温致变色粉的质量比为1:(4‑10)；所述二氧化钛采用金红石型二氧化钛；所述二氧化钛的平均粒径为0.2μm。本发明路面涂层在夏季高温环境条件下反射更多的太阳辐射，更有效地降低路表温度；在冬季低温环境条件下使路面吸收更多的太阳辐射，避免高反射涂层在低温情况下对路表温度的继续降低，保证路面处于较适宜的温度。同时涂层变色前后的亮度均控制在中低明度范围内，可有效缓解浅色高反射涂层带来的眩光以及城市光污染等问题。

Description

一种具有自主调温功能的温致变色路面涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于路面调温技术与材料领域，涉及具有路面自主调温功能的有机可逆温致变色涂层及其制备方法。
背景技术
沥青路面的夏季路表温度高达70～80℃，在行车荷载作用下极易形成车辙、推移、拥包等病害，威胁行车安全，同时大大缩短沥青路面的使用寿命。此外，城市沥青路面由于吸收太阳辐射，影响周围热环境，还加剧城市“热岛效应”。而到了冬季，随着气温的降低，容易出现脆性破坏和开裂现象。
目前已有的固定颜色的高反射降温涂层在夏季能够实现路面温度的有效降低，缓解热岛效应，然而冬季其使得路面温度的继续降低会加剧路面的低温开裂现象，缩短路面使用寿命，且低温使路面更易结冰变滑。
目前已有可逆热变色路面涂层，如申请号为CN201910701119.4的发明公开了可逆热变色路面涂层的制备方法，其主要目的为路面视觉警示，而非调节路面温度，所用颜填料仅包含温致变色材料，制备成涂层涂于路面时在浅色状态下易呈半透明态，遮盖力较差，在实际应用时仅可以图案的形式局部涂于路面。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种具有自主调温功能的温致变色路面涂层及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有自主调温功能的温致变色路面涂层，包括以下质量份的原料：颜填料18～30份、水性硅丙乳液50～60份、各类添加剂共5～10份、成膜助剂5～10份、去离子水20～30份。
进一步，所述颜填料包括：二氧化钛2～5份、温致变色粉16～25份。
优选地，所述二氧化钛与温致变色粉的质量比为1:(4-10)；优选地，所述二氧化钛采用金红石型二氧化钛；优选地，所述二氧化钛的平均粒径为0.2μm。
所述的温致变色粉为微胶囊型温致变色粉，原料包括质量分数为1～5％的保护芯材的微胶囊外壳材料，2～10％的隐色剂(电子供体)，5～15％的显色剂(电子受体)以及50％～80％的溶剂。
所述微胶囊外壳材料为三聚氰胺甲醛树脂；所述隐色剂为二苯甲烷系、荧烷系、吲哚基苯酞系染料中的一种或几种；优选地，为3-二乙氨基-6-甲基-7-2,4-二甲代苯氨基荧烷、3,3-双(4-二甲氨苯基)-6-二甲氨基苯酞、2-苯胺基-6-二乙胺基荧烷、3,6-二甲氧基荧烷中的一种或几种；所述显色剂为酚醛树脂系化合物；优选地，为4，4-亚异丙基二酚(双酚A)；所述溶剂为醇类、酯类、醚类、酮类、羧酸类中的一种或几种；优选地，为硬脂酸甲酯、十二醇、十四醇、十六醇、1-十八烷醇中的一种或几种。
优选地，所选微胶囊型温致变色粉平均粒径为3～10μm，变色温度为30～35℃。温度低于此值时温变色粉呈现较深的色彩，温度高于此值时则逐渐褪色，呈现偏白的浅色态，且该过程可逆。
进一步地，所述的金红石型二氧化钛粉末在可见光与近红外光波段具有较高的反射率(>0.8)，且遮盖力较强(折射率为2.75，是所有白色颜料中折射率最大的一种，遮盖力>90％)，可防止涂层高温变浅后透明化，能够进一步提高温致变色涂层高温情况下的反射降温效果。
由于树脂类路用涂层易产生老化现象，且含有有机挥发性化合物(VOC)，施工时易对周围环境和人体健康造成一定的危害，因此采用污染较小、价格低廉、施工方便的水性丙烯酸乳液，并采用有机硅改性，提高乳液的耐污性和耐老化性。
所述的添加剂包括流平剂、分散剂、水性消泡剂；优选地，所述的各添加剂其质量比为1:1:1；优选地，所述的流平剂为聚氨酯RM-2020型水性流平剂，分散剂为SN5040聚羧酸钠盐类分散剂，消泡剂为S-10型水性消泡剂。流平剂可增加涂层覆盖性，改善流平性，保证成膜均匀；成膜助剂可提高涂层聚结性能；分散剂可提高颜填料在乳液中的润湿性、分散性、稳定性；水性消泡剂可降低表面张力，减少气泡现象造成水性涂层表面的陷穴，提高涂层的整体性能。
优选地，所述的成膜助剂为酯醇12Texanol(2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯)型成膜助剂。
所述的涂层还包括能增加涂层摩擦系数的防滑粒料；优选地，所述防滑粒料的用量为0.6～1.0kg/m2；优选地，所述防滑粒料为机制砂。
上述的具有自主调温功能的温致变色路面涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将水性硅丙乳液、二氧化钛按比例加入搅拌器中低速均匀搅拌；
(2)将流平剂、分散剂和消泡剂等比例均匀混合；
(3)将温致变色粉、混合好的三种助剂和水按比例加入到搅拌器中高速均匀搅拌；
(4)最后加入成膜助剂，低速均匀搅拌，得到所述温致变色路面涂料。
采用本方法可以使原材料充分混合，得到各方面性能优良的涂料。
进一步，还包括以下步骤：在路面上先均匀涂布一层最终获得的温致变色涂料，涂布量为0.5～0.8kg/m2；涂刷完成后紧接着撒布防滑粒料，用量为0.6～1.0kg/m2；第一层涂料硬化、防滑粒料固定后，涂布第二层涂料，涂布量为0.5～0.8kg/m2。涂刷完成后使其在自然条件下固化，得到所述温致变色路面涂层。
优选地，步骤(1)中，低速均匀搅拌10～15分钟，转速为100～150转/分钟；步骤(3)中，高速均匀搅拌15～25分钟，转速为150～250转/分钟；步骤(4)中，低速均匀搅拌15～25分钟，转速为100～150转/分钟。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明采用复合功能型颜填料，将遮盖力较强且具有高反射率的二氧化钛材料与可逆温致变色材料结合制备路面涂层，通过大量试验调节涂层变色前后的色度值(L亮度，红绿值a，黄蓝值b)以及各波段的反射率，确定涂层中两种材料的最优配比，使其与同色系且颜色固定的高反射路面涂层相比，在高温时具有更高的反射率与亮度，低温时则具有较低的反射率与亮度，并且该变色材料的掺量能以较低的成本达到使用需求。
2)本发明有机可逆温致变色路面涂层与同色系且颜色固定的高反射路面涂层相比，在夏季高温环境条件下使路面反射更多的太阳辐射，更有效地降低路表温度，削减温度峰值，缓解高温带来的车辙等病害，提高路面耐久性，同时缓解城市热岛效应。
3)本发明有机可逆温致变色路面涂层与同色系且颜色固定的高反射路面涂层相比，在冬季低温环境条件下使路面吸收更多的太阳辐射，避免高反射涂层在低温情况下对路表温度的继续降低，使路面始终保持在适合其良好性能发挥的温度范围内，在一定程度上缓解路面冬季低温开裂以及结冰现象，从而延长路面的使用寿命与提高行车安全性。
4)本方案中的涂层变色前后的亮度均控制在中低明度范围内，与常用白色高反射涂层相比，仅提高了近红外波段的反射率，变色前后可见波段反射率仍较低，可缓解可见波段反射率过高的浅色涂层对路面视觉环境造成的负面影响，如眩光、光污染等，同时达到有效调温的目的。
附图说明
图1(a)为有机可逆温致变色路面涂层与同色系且颜色固定的高反射路面涂层的反射率对比图之一(红色与白色涂层反射波谱图)。
图1(b)为有机可逆温致变色路面涂层与同色系且颜色固定的高反射路面涂层的反射率对比图之二(黑色与白色涂层反射波谱图)。
图2(a)为本发明有机可逆温致变色路面涂层与同色系且颜色固定的高反射路面涂层的降温效果对比图之一(有机可逆温致变色路面涂层温度变化图)。
图2(b)为本发明有机可逆温致变色路面涂层与同色系且颜色固定的高反射路面涂层的降温效果对比图之二(同色高反射路面涂层温度变化图)。
具体实施方式
本发明采用复合功能型颜填料，将遮盖力较强且具有高反射率的二氧化钛材料与可逆温致变色材料结合制备路面涂层，通过大量试验调节涂层变色前后的色度值以及各波段的反射率，确定涂层中两种材料的最优配比，达到从高低温两方面有效调节路表温度的目的。同时涂层变色前后的亮度均控制在中低明度范围内，可有效缓解浅色高反射涂层带来的眩光以及城市光污染等问题。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1至实施例4为三种不同颜色的有机可逆温致变色路面涂层的原材料组成，如下表1所示：
表1有机可逆温致变色路面涂层的原材料组成
组分(单位g) 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
水性硅丙乳液 60 50 60 55
金红石型二氧化钛 2 4 5 3
微胶囊型温致变色粉 红色粉：20 黑色粉：16 蓝色粉：25 棕色粉：24
流平剂 2 2 3 2
水性消泡剂 2 2 3 2
分散剂 2 2 3 2
成膜助剂 5 5 10 8
去离子水 20 25 30 25
上述所用流平剂为聚氨酯RM-2020型水性流平剂，成膜助剂为酯醇12Texanol(2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯)型成膜助剂，分散剂为SN5040聚羧酸钠盐类分散剂，消泡剂为S-10型水性消泡剂。所用金红石型二氧化钛粒径为0.2μm。
微胶囊型有机可逆温致变色粉由保护芯材的微胶囊外壳材料、隐色剂、显色剂和溶剂组成，变色温度均为31℃，产自崇裕科技股份有限公司。其中微胶囊外壳材料为三聚氰胺甲醛树脂，隐色剂为二苯甲烷系、荧烷系、吲哚基苯酞系染料中的一种或几种；显色剂为酚醛树脂系化合物；溶剂为醇类、酯类、醚类、酮类、羧酸类中的一种或几种。具体的，实施例1～3中温致变色粉末所用隐色剂为三种不同的荧烷系染料，显色剂为4，4-亚异丙基二酚(双酚A)，溶剂为硬脂酸甲酯。
实施例1至实施例4中的有机可逆温致变色路面涂层的制备方法包括以下步骤：
1)将水性硅丙乳液、金红石型二氧化钛按比例加入搅拌器中，均匀搅拌10～15分钟，转速为100～150转/分钟；
2)将流平剂、分散剂和消泡剂等比例均匀混合；
3)将温致变色粉、混合好的三种添加剂和水按比例加入到搅拌器中均匀搅拌15～25分钟，转速为150～250转/分钟；
4)最后加入成膜助剂，转速调为100～150转/分钟，搅拌15～25分钟。
对具有代表性的实施例1与实施例2进行反射率测试。涂料制备完成后，将其涂在6cm×6cm的铝板上，在25℃左右的室温下干燥固化至少24小时后再进行试验。涂层的光谱反射曲线通过紫外/可见/近红外分光光度计测量，测量波长范围为250～2500nm。材料的亮度值L由高精度便携式分光测色仪测量。分别测取温致变色涂层在深色态(20℃)和浅色态(35℃)两种状态下的光谱反射曲线和色度值，并与同色系且颜色固定的高反射涂层材料对比。结果见下表与图1。
涂层类型 总反射率 亮度值
实例1(20℃) 0.26 35.1
固定红色高反射涂层 0.41 53.2
实例1(35℃) 0.53 74.1
实例2(20℃) 0.23 31.2
固定灰色高反射涂层 0.39 52.1
实例2(35℃) 0.56 76.1
固定白色高反射涂层 0.67 97.3
由图1和上表对比可知，实施例1(红色-白色)与实施例2(灰色-白色)两种温致变色涂层低温深色态反射率总值低于同色系且颜色固定的高反射涂层，而高温浅色态总反射率维持较高水平，高于同色高反射涂层且趋近于白色二氧化钛涂层，从而使其在夏季高温时吸收更少的太阳辐射，达到更高的降温幅度；冬季低温时吸收更多太阳辐射，在一定程度上维持路面温度。
实施例1与实施例2变色前为低明度(亮度值为0～40)，变色后为中明度(亮度值为40～80)，而与其同色系且颜色固定的高反射涂层为中明度或高明度(亮度值为80～100)，与其相比，可逆温致变色涂层仅提高了近红外波段的反射率而可见波段仍较低，可缓解可见反射率过高的浅色涂层对路面视觉环境产生的负面影响(眩光、光污染)，同时达到有效调温的目的。
对具有代表性的实施例1与实施例2进行室内降温效果测试。将实施例1与实施例2两种温致变色涂层与同色系且颜色固定的高反射涂层分别涂布于旋转压实试件表面，涂刷量为1kg/m2，并做好试件周围与底层的隔热。采用1000W的碘钨灯模拟太阳辐射，持续照射7h，采用热电偶每隔30秒记录试件表面的温度，结果如图2所示。
由图2可得，实施例1与实施例2两种可逆温致变色路面涂层在高温太阳辐射环境条件下与同色系且颜色固定的高反射涂层相比能够有效降低路面温度，实施例1具有更高的降温幅度，达10至13℃，降温值比同色高反射涂层提高3到5℃，且起到削减路表高温峰值的作用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种具有自主调温功能的温致变色路面涂层，其特征在于，包括以下质量份的原料：颜填料18～30份、水性硅丙乳液50～60份、各类添加剂共5～10份、成膜助剂5～10份、去离子水20～30份。
2.根据权利要求1所述的具有自主调温功能的温致变色路面涂层，其特征在于，所述颜填料包括：二氧化钛2～5份、温致变色粉16～25份。
3.根据权利要求2所述的具有自主调温功能的温致变色路面涂层，其特征在于，所述二氧化钛与温致变色粉的质量比为1:(4-10)；优选地，所述二氧化钛采用金红石型二氧化钛；优选地，所述二氧化钛的平均粒径为0.2μm。
4.根据权利要求2所述的具有自主调温功能的温致变色路面涂层，其特征在于：所述的温致变色粉为微胶囊型温致变色粉，原料包括质量分数为1～5％的保护芯材的微胶囊外壳材料，2～10％的隐色剂，5～15％的显色剂以及50％～80％的溶剂。
5.根据权利要求4所述的具有自主调温功能的温致变色路面涂层，其特征在于：所述微胶囊外壳材料为三聚氰胺甲醛树脂；所述隐色剂为二苯甲烷系、荧烷系、吲哚基苯酞系染料中的一种或几种；优选地，为3-二乙氨基-6-甲基-7-2,4-二甲代苯氨基荧烷、3,3-双(4-二甲氨苯基)-6-二甲氨基苯酞、2-苯胺基-6-二乙胺基荧烷、3,6-二甲氧基荧烷中的一种或几种；所述显色剂为酚醛树脂系化合物；优选地，为4，4-亚异丙基二酚(双酚A)；所述溶剂为醇类、酯类、醚类、酮类、羧酸类中的一种或几种；优选地，为硬脂酸甲酯、十二醇、十四醇、十六醇、1-十八烷醇中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的具有自主调温功能的温致变色路面涂层，其特征在于：所选微胶囊型温致变色粉平均粒径为3～10μm，变色温度为30～35℃。
7.根据权利要求1所述的具有自主调温功能的温致变色路面涂层，其特征在于：所述的成膜助剂为酯醇12Texanol(2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯)型成膜助剂。
8.根据权利要求1所述的具有自主调温功能的温致变色路面涂层，其特征在于：所述的添加剂包括流平剂、分散剂、水性消泡剂；优选地，所述的各添加剂其质量比为1:1:1；优选地，所述的流平剂为聚氨酯RM-2020型水性流平剂，分散剂为SN5040聚羧酸钠盐类分散剂，消泡剂为S-10型水性消泡剂。
9.根据权利要求1所述的具有自主调温功能的温致变色路面涂层，其特征在于：所述的涂层还包括能增加涂层摩擦系数的防滑粒料；优选地，所述防滑粒料的用量为0.6～1.0kg/m2；优选地，所述防滑粒料为机制砂。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的具有自主调温功能的温致变色路面涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将水性硅丙乳液、二氧化钛按比例加入搅拌器中低速均匀搅拌；
(2)将流平剂、分散剂和消泡剂等比例均匀混合；
(3)将温致变色粉、混合好的三种助剂和水按比例加入到搅拌器中高速均匀搅拌；
(4)最后加入成膜助剂，低速均匀搅拌，得到所述温致变色路面涂料。
11.根据权利要求10所述的具有自主调温功能的温致变色路面涂层的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：在路面上先均匀涂布一层最终获得的温致变色涂料，涂布量为0.5～0.8kg/m2；涂刷完成后紧接着撒布防滑粒料，用量为0.6～1.0kg/m2；第一层涂料硬化、防滑粒料固定后，涂布第二层涂料，涂布量为0.5～0.8kg/m2；涂刷完成后使其在自然条件下固化，得到所述温致变色路面涂层。
12.根据权利要求10所述的具有路面自主调温功能的有机可逆温致变色涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，低速均匀搅拌10～15分钟，转速为100～150转/分钟；步骤(3)中，高速均匀搅拌15～25分钟，转速为150～250转/分钟；步骤(4)中，低速均匀搅拌15～25分钟，转速为100～150转/分钟。
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