3M玻璃微珠在保温涂料中的性能优势

本文作者：3M公司应用工程专家Kevin Rink，经许可转载自2024年2月的油漆与涂料行业杂志 。 版权归2024年BNP Media所有。

3M™空心玻璃微球已在建筑、油漆和涂料领域应用数十年，其在轻量化、粘度控制、提高厚膜的抗收缩性和抗裂性以及隔热性能方面均有着优异的表现。空心玻璃微珠的隔热性能的实现，得益于其空心结构以及其中含有空气的特性，从而增加了孔隙体积。玻璃微珠有多种等级和化学成分可供选择。3M 提供真正的钠钙硼硅酸盐空心玻璃微珠，其规格由强度/密度关系决定。强度越高，外壳越厚，密度越高，因而空隙率越低，导热系数也越高。相反，密度较低的玻璃微珠由于颗粒尺寸较大，空隙率更高，所以导热系数更低，因而隔热性能更好。表1¹列出了部分牌号的3M玻璃微珠的导热系数。

表1：部分3M玻璃微珠的导热系数

使用3M™ 玻璃微珠配制涂料时，应注意选择具有合适强度/密度比的牌号，以确保其在加工和施工过程中保持完好。虽然选择粒径较大的微珠有助于提高隔热性能，但最终的选择需要综合考虑混合、施工、性能和成本等因素。玻璃微珠的密度远低于其他常见的矿物填料，因此在各种配方中进行替换时，需要根据体积进行调整，这通常会导致按重量计的添加量大幅降低。最终，强度、密度和相应的粒径决定了其对各种涂料应用的适用性。通常，3M 玻璃微珠的等静压强度范围为 250-28,000 psi，密度范围为 0.125-0.600 g/cc，平均粒径范围为 15-65 微米。

能源成本持续攀升与城市人口不断增长，使得降低城市热岛效应成为持续关注的焦点。近年来，业界开发出多种能提升总太阳反射率（TSR）和发射率的新型涂层，其中一种方法是在涂层基材中加入微米级的空心玻璃微珠。这些空心玻璃微珠能有效散射入射光，显著增强反射 率——特别是在近红外波段（该波段占太阳辐射的很大比例）。将此类涂层应用于特定等级的屋顶和外立面，不仅能有效降低室内温度，还能实现长期节能效果。相关研究成果已在前期提交的论文中得到验证²。

另一个值得关注的领域是隔热涂料（TIC）。这类涂料通常以环氧树脂、丙烯酸或硅酮为基础，用于为储罐、管道等物体提供隔热保护，通过减少热量流失来提升节能效果。目前隔热涂料正作为矿棉隔热材料的替代方案，既能有效降低保温层下的腐蚀风险（CUI），又可为 人员提供意外接触高温/低温表面的防护。

在配制热绝缘涂层（TIC）时，玻璃微珠是值得考虑的一种选择。其中空结构有着理想的隔热性能。虽然最终的隔热效果可能无法超越传统材料（如R值或U值），但液态TIC的应用具有诸多潜在优势：可实现基材全覆盖（包括复杂几何形状）、在设备运行时直接涂覆所有表面以最大限度减少停机时间，以及更长的使用寿命。

本文的这一部分评估了在水性苯乙烯化丙烯酸乳胶漆中添加3M公司的玻璃微珠对隔热性能的影响。陶氏化学的网站上提供了一些该领域先前研究的示例。³——Maincote IC-1001 Resin, 884-00438-0314-NAR-EN-CDP, February 2014, REV 0.

实验方法与材料

本研究使用的白色涂料配方示例如表2所示。⁴

表2：基础涂料配方

所有配方中，矿物填料的添加量均为52.8体积百分比，这需要根据填料的密度调整其重量添加量。所有配方的目标PVC值为74.6，非挥发性物质的体积百分比为73.4%。需要注意的是，空心填 料是在配方接近尾声时通过低速搅拌器搅拌添加的，以防止破碎。碳酸钙填料采用考尔斯搅拌法进行混合，以获得良好的分散性。表3列出了所评估填料的一般性能。对于钢材表面的应用，可能需要添加闪锈抑制剂等其他添加剂。

表3：所评价填料的一般特性⁵

选用的玻璃微球覆盖了广泛的密度、强度和粒径范围。选择碳酸钙作为对照材料，因其是许多涂料配方中常见的矿物填料。对每种材料制备的0.26 英寸（6-7 毫米）圆片进行导热系数测量，这些圆片经多层干燥以达到所需的厚度。表4列出了本研究采用的测试方法。

表4：检测方法

结果与讨论

热导率测量结果与填料密度呈现良好相关性，低密度填料具有较低的热导率，因而具备更高的隔热潜力。这些固化后的涂料圆片厚度为0.26毫米，采用热导率仪进行测量。结果如图1所示。

图1：热导率与密度的关系

为了评估填料浓度对导热系数的影响，我们进行了第二个实验。本实验采用 ASTM E-1530 方法（稳态法），对厚度约为2.5mm 的自由成膜圆片进行测试。 玻璃微球#4的填充量从23.5%至52%体积百分比变化，并与52%体积百分比的碳酸钙进行对比。结果如表5所示，数据为两组测量结果的平均值（23年9月和23年11月）。

表5：平均导热率

实验结果表明，随着玻璃微珠添加量的增加，材料的热导率明显降低，且导热系数远低于传统填料。为进一步验证中空玻璃微珠在热绝缘复合材料（TICs）中的隔热效果，我们基于表2配方制备了2.5-3毫米厚的自由成膜试样，进行了第三次热传导实验。试样置于150℃的加热平板上，底部平板温度设定为25℃。分别在5分钟和10分钟时测量响应温度，结果详见表6。

表6：平均反应温度

结果显示，与碳酸钙相比，玻璃微珠可提供更优的隔热性能，表现为10分钟内温差达11°C

所有涂料均表现出剪切稀化（假塑性）特性，其剪切稀化值范围从低剪切时的30,000cps到高剪切时的500-2,000cps。该范围应使其适用于多种涂装工艺，如刷涂、辊涂、无气喷涂或料斗喷涂。需谨慎选择适用于特定涂装方法的玻璃微珠，以最大限度降低破损风险。

为了评估抗垂流性能，我们将3M玻璃微珠 #1、#4 和 #6 与碳酸钙 (CaCO₃) 进行了比较。结果表明，三种微珠的抗垂流性能均优于碳酸钙，其膜厚均大于60mils，而碳酸钙的膜厚则小于30mils。这证实了低密度填料能够以更少的涂覆次数形成更厚的膜层，从而在安装/涂覆时间方面具有潜在的成本节约优势。此外，低密度玻璃微球在干燥过程中收缩和开裂的倾向也更低，从而形成更均匀的膜层，并降低了水分渗入的可能性。

红外热灯试验

为评估热绝缘涂层（TICs）的隔热性能，我们设计了一项实验室实验。实验采用厚度为0.032英寸的冷轧钢板，分别涂覆不同干膜厚度的涂层后，置于250W/R40 reflector/120V红热灯泡下测试0.5小时。测试样品尺寸约为4×6英寸，灯泡与基材间距为3英寸。实验采用K型热电偶和记录仪，将钢板背面固定在泡沫支架上。图2展示了3M玻璃微珠#4涂层与碳酸钙涂层及未涂敷钢板的温度曲线对比。结果显示，涂覆玻璃微珠#4涂层的钢板温度比未涂敷钢板低100华氏度，比传统填充物涂层低27华氏度。

图2：红外灯测试

第二项研究评估了两种不同的粘合剂，分别以3M玻璃微珠#4和碳酸钙为填料，并采用两种不同的添加量（18V%和52V%）。此次研究将干膜厚度降低至80微米（0.08毫米）。图3的结果表明，填料类型、添加量和干膜厚度均会影响涂层的热性能，但与图2的结果相比，在较低的干膜厚度下，这种影响较小。

图3：红外灯测试

一个简单的视觉演示表明，用热水（120°F）流经涂层管道和未涂层管道，仅5分钟的测试就显示出5-10°F的温度梯度。将管道涂覆一层1-2毫米厚的含填料4的涂料，并与未涂覆的钢管进行比较，以测量其外部管道温度（图4和图5）。如先前图表所示，干膜厚度等诸多因素可能会对温度梯度产生较大的影响。

图4与图5：涂层管与非涂层管的对比

对部分样品进行的机械性能测试表明，添加任何填料都会显著降低延伸率。然而，如表7所示，3M玻璃微珠#4的性能与标准矿物填料和同类玻璃微珠相当或更优。此外，值得注意的是，较低的PVC含量反而表现出更高的延伸率，这进一步证实了应采用结构化的实验设计来优化每种涂料应用所需的各项性能。表7中的配方基于表2中的原始模型配方。

表7：性能评估

个人防护涂料

数据显示，当配制成高质量隔热涂料时，空心玻璃气泡有助于降低导热系数并提供隔热性能。评估防护等级的方法之一是ASTM C-1055/1057，该方法评估与高温表面温度和防止接触灼伤能力相关的防护性能。本研究对三种不同填料（体积填充比均为52%）的涂层样品进行了三组平行测试，并在80、120和150℃三个不同的初始温度下进行热敏电阻测试。所有样品的干膜厚度目标值均为2.5 mm。本研究采用表2中的配方。结果见表8。

表8：干膜厚度结果⁹

结果表明，在所有三个温度设置下，使用空心玻璃微珠的涂层表面和手指接触温度均显著低于使用传统填料的涂层。事实上，即使在最高温度 150 °C 下，使用3M玻璃微珠#4的手指接触温度也仅为 47.6 °C，远低于测试方法中规定的60°C的典型阈值。

能源：储存和分配

液氢经济的最新发展为探索提高低温储存和配送等领域的节能效果打开了大门，而这些领域正是价值链的重要组成部分。珍珠岩和3M公司的玻璃微珠（#1）等空心填料已被用于低温储存，以填充环形空间并减少容器内物质的蒸发。⁶/⁷ 鉴于玻璃微珠等空心填料能够改善隔热（传导）并提高太阳反射（辐射），因此，考虑将其应用于储罐、气瓶和运输车辆外表面涂层及其效果就显得尤为重要。目前，许多此类表面已采用多层底漆/面漆体系进行涂覆，该体系运用了多种技术，例如双组分聚氨酯，通常具有优异的耐候性和耐化学性。

一项小型研究对涂覆有白色双组分溶剂型FEVE体系（基于Lumiflon® LF-200F/Desmodur® N3300）的0.032英寸CRS面板进行了测试。在体积添加量27%/重量添加量7W%的条件下添加3M玻璃微珠#4，并采用前述方法，将面板与白色底漆进行比较，测试其太阳反射率和红外灯热反射率。结果如图6所示。添加玻璃微球使热反射率(TSR)提高了5.2%，同时面板背面温度降低了30°F。较低的温度和较高的热反射率均为储罐内容物保护的理想特性。

需要注意的是，添加任何等级的空心玻璃微珠都会导致最终光泽度的降低。对于该双组分体系，光泽度从76降低至24。

图6：红外灯测试结果

为了进一步展示保温材料在储罐系统中的隔热效果，我们用沸水灌满一个钢罐，并监测其外部温度30分钟。本研究采用表2中的基本配方，并将玻璃微珠#4与标准白色涂料（涂覆于罐体外部1-2毫米）和未涂覆的钢罐进行比较。如图7所示，结果表明，使用3M公司的玻璃微珠后，钢罐外部温度显著降低，从而展现出良好的隔热性能。未来的研究可以着重量化其在液氢或液氮等物料运输中的隔热效果。

图7：沸水容器外表温度

还对两种不同的水性乳胶进行了加速老化试验，并与双组分溶剂型FEVE涂料进行了比较。试验中改变了填料类型和PVC含量，部分样品同时使用了白色底漆和双组分FEVE清漆。

经过 1000 小时的加速老化试验，FEVE系统表现优异，光泽度和颜色变化极小。为了获得最佳的太阳总反射率 (TSR)，需要在白色涂层中添加空心玻璃微珠，并使其靠近表层。例如，当在FEVE白色涂层中添加 27%（体积百分比）的3M玻璃微珠#4时，TSR从83%提高到88%。而当在白色乳胶底漆上涂覆一层含有相同比例的玻璃微珠#4的FEVE透明面漆时，TSR则降至79%。

对表2中标准乳胶配方的比较显示，当用3M玻璃微珠#4代替CaCO₃时，TSR值从85.8提高到91.8。粘合剂的化学性质会对最终的耐候性能产生重大影响。虽然FEVE的性能非常出色，但表2中含有丙烯酸苯乙烯共聚物的乳胶与另一种100%丙烯酸乳胶相比，泛黄和光泽损失更为严重。两种乳胶体系在整体颜色和光泽变化方面均不如双组分FEVE溶剂型涂料，但除表2中含有CaCO₃的配方外，所有体系在1000小时后的整体色差(DE)值均小于2个单位。该含有CaCO₃的配方的DE值为4.8，但其中大部分来自Db，Db的泛黄程度高于其他体系。

摘 要

作为一种经济高效的无机填料，3M空心玻璃微珠几十年来一直被广泛应用于建筑、工业和汽车等众多领域，为材料带来轻量化和隔热等性能优势。随着人们对节能减排的持续关注，玻璃微珠有望为涂料研发人员提供一种“工具箱”选择，助力他们开发出新一代涂料。例如在冷屋顶涂料等应用场景中，只需将实验室数据输入美国能源部橡树岭国家实验室官网提供的成本计算模型，即可精准测算节能效果⁸。

参考文献

¹3M reference 98-0212-3859-1, issued 03/13.

²Rink & Rodriguez, CoatingsTech, September 2016.

³Maincote IC-1001 Resin, 884-00438-0314-NAR-EN-CDP, February 2014, REV 0

⁴All trademarks */registered materials are property of their respective owners.

⁵Glass bubble #8 true density via gas pycnometer measured 0.291 g/cc & #7 was 0.6543 g/cc
   Reference for designations #7-#9: Sphericel General PDS-2011-lr; CaCO₃ reference Duramite SYL-2019-07;
   3M™ Glass Bubble designations: #1=K1, #2=K37, #4=S28HS, #5=iM16K, #6=iM30K.

⁶nasa.gov-citation 20180006604, Fesmire, Glass Bubbles Cryo Insulation History, Sept. 2017.

⁷https://www.3m.com/3M/en_US/power-generation-us/solutions/cryogenic-insulation/.

⁸https://web.ornl.gov/sci/buildings/tools/cool-roof/.

⁹Testing performed by 3rd party lab per ASTM C1055/1057.

本文件所含技术信息、建议及其他声明或由3M人员提供的内容，均基于3M认为可靠的测试或经验，但此类信息的准确性或完整性不作保证。由于测试类型和条件的差异，您的结果可能有所不同。本信息 仅供具备分析、处理和使用此类信息所需知识与技术技能的人员使用。
*在本研究中，Glass bubbles与HGMS 这两个术语可互换使用。