浅析建筑隔热降温涂料的研究及未来展望

    隔热涂料作为一种隔热手段，对它的研究起源于飞行器控温的需要，然后将其用于石油工业中取得了良好的降温效果，减少了油品的挥发，保证了贮罐的安全。目前在我国，以空调为主的降温制冷设备所引起的能耗占整个能耗的1/3左右。研发适宜的建筑隔热降温涂料，降低或防止太阳光强烈辐照所引起的升温，对节约能源，改善人们的生活和工作环境具有重要意义。　　　　1建筑隔热降温涂料的种类及其机理　　　　　　建筑隔热降温涂料属于功能性建筑涂料，根据隔热作用机理的不同，可以分为阻隔型、反射型和辐射型3类。　　　　　　1.1阻隔型建筑隔热降温涂料　　　　　　阻隔型建筑隔热降温涂料的隔热机理是阻止热传导。这种涂料成膜后，涂膜中充满着孔隙，干涂膜的密度很低，其导热系数（λ）一般小于0.06W/（m·K），所以具有很好的隔热性能。阻隔型隔热涂料的隔热效果与涂膜厚度密切相关。　　　　　　目前，外墙外保温涂料在我国得到广泛应用，涂料也开始从过去的膏状涂料向粉状涂料转变，并且以粉状涂料为主；组成材料由初期以膨胀珍珠岩作为绝热骨料逐步转变成以膨胀聚苯颗粒为绝热骨料。国家建工行业标准JG158—2004《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》颁布实施后，将这类材料称为胶粉聚苯颗粒保温浆料，但在开发应用初期仍称为保温隔热涂料。　　　　　　1.2辐射型建筑隔热降温涂料　　　　　　辐射型建筑隔热降温涂料的隔热机理是通过波的辐射形式把建筑物吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到空气中，从而起到降温效果。该类涂料不同于阻隔型隔热涂料和反射型隔热涂料，因为这两类涂料只能减慢但不能阻挡热能的传递。辐射型建筑隔热降温涂料能够以热辐射的形式将吸收的热量辐射掉，从而促使室内和室外以同样的速率降温，因而具有较高的降温速率。这类涂料的实际应用目前仅在冶金、炼钢系统的工作服以及红外辐射窗帘布等方面，在建筑绝热领域中的应用尚处于研究阶段。　　　　　　1.3反射型建筑隔热降温涂料　　　　　　反射型建筑隔热降温涂料的隔热机理是通过涂膜的反射作用将日光中的可见光和近红外光部分反射到外部空间，从而避免物体自身因吸收辐射导致的温度升高。太阳辐射的能量绝大部分处于可见光和近红外区，按波长可分为3部分：在200~300nm紫外光区的辐射能量占5%；在400~720nm的可见光区占45%；在720~2500nm的近红外区占50%。可见，太阳辐射的能量绝大部分处于400~2500nm范围内。在该波长范围内，涂层的反射率越高，隔热效果越好。反射型建筑绝热涂料就是通过适当选择透明性好的树脂和反射率高的填料，使太阳照射到涂膜上的大部分能量反射，而不是被涂膜吸收。涂膜超过一定厚度时，其反射性能只与涂膜表面的反射率有关，而与涂膜厚度无关。这与阻隔型绝热涂料的隔热效果与涂膜厚度密切相关的原理完全不同。　　　　　　2建筑隔热降温涂料用原材料的选择　　　　　　任何物质都能反射或吸收一定波长的太阳光。入射在涂层上的太阳光能被吸收、透射或反射，其吸收率（σ）、透射率（ρ）和反射率（τ）之间有如下关系：　　　　　　σ+ρ+τ=1　　　　　　由于涂层是不透明的，其透射率ρ近似为0。因此，只有提高涂层的反射率τ，才能减少涂层表面吸收的能量。进入涂层内部的能量一部分被吸收，另一部分又以红外辐射的形式发射出去。在大气的主要成分中，水、二氧化碳及一些微小颗粒对红外辐射具有强烈的吸收作用，而且主要分布在3~5μm、8~14μm范围之外。因此，地面上的物体在发射红外辐射时，在此两区域内的能量大部分能透过，形成2个大气窗口，而此范围外则大部分被吸收。为了达到降温的目的，所设计的涂料在固化成膜后应具有如下效果：第一，在8~14μm内的发射率达到0.9以上，甚至接近于1；第二，在此波段范围外，最大限度地增加对外界辐射能量的反射，最好是全反射；第三，采用合适的基料，将涂料所吸收的辐射能量全部转化成在8~14μm波段内的辐射能；第四，从传热学的角度来看，目标内部的温度变化在很大程度上取决于材料的导热能力，采用中空微结构等阻隔技术能有效地起到隔热降温的作用。　　　　　　2.1基料　　　　　　用于建筑隔热涂料的树脂基料对可见光和近红外光的吸收应越小越好。由于合成树脂的折光指数一般都在1.45~1.5之间，因此不同树脂对涂料的太阳热反射效果没有太大影响。在实际应用过程中通常要求树脂的透明度高、透光率在80%以上，太阳能吸收少，所以在选择树脂基料时，应尽量选用那些结构中不含或少含-C-O-C、C=O、O-H等吸热基团的树脂。以往在工业上主要是用于金属贮罐表面，要考虑防腐性能，所以基本是溶剂型涂料。现在用于建筑上，要考虑环保要求，主要是水性涂料，采用高聚物乳液作为基料，对现有乳液进行有机硅改性从而提高涂料的耐候性是当前基料的研究方向之一。　　　　　　2.2反射型颜填料　　　　　　反射型功能性颜填料的主要作用是反射太阳光辐射，减少热量的吸收。涂料对太阳光辐射的散射能力取决于颜料和树脂折光系数的差异。散射比m定义为颜料与树脂折光指数的比值：　　　　　　m=np/nr（rnp、nr分别为颜料和树脂的折光指数）由于不同树脂的折光指数大致相同，因此要达到高散射比，必须选取折光指数高的颜料。颜填料与树脂的这种折光指数的关系，与颜填料的遮盖力有一定的关联。颜填料的遮盖力越强，散射热的能力越强。金属粉末（如铝粉等）对可见光具有较强的反射率，常用于溶剂型隔热涂料中，但由于金属粉末在水性涂料中会氧化变色，失去反射作用，所以在建筑隔热降温涂料中不能使用金属粉末。钛白和氧化锌等白色颜料具有较高的折光指数，对可见光反射率高，所以目前的降温涂料主要集中在白色和浅色。对于要求深色涂料的情况，因为彩色颜料对可见光有强烈的吸收，所以降温只能靠提高颜料对近红外光的反射和增强涂层在8~14μm的辐射，研制难度较大，目前国内外尚无理想产品问世。江晴等人计算出理想灰色降温涂料的降温极限是23℃，实际上灰色红外反射涂料的降温效果要小得多，用无机颜料配制成的灰色热反射涂料，其降温效果很难超过10℃。预计目前可能配制灰色降温涂料的颜料主要有三氧化二铬颜料系列、苝颜料系列和偶氮化合物颜料系列。孙元宝等人研制成绿色太阳热反射涂料，在近红外区的反射率超过75%，能使涂覆物的表面温度降低10~15℃，内部温度降低8~10℃。除了颜料类型之外，颜料粒径对涂料的热反射性也有重要影响。　　　　　　助剂作为涂料原材料的一部分，它的用量虽然很少，但它既可以避免产生许多漆膜缺陷，又可很方便地控制施工，是水性涂料生产和施工中必不可少的成分。助剂主要包括：成膜助剂、分散剂、润滑剂、消泡剂、增稠流变剂等多种类型。除了选择正确的助剂之外，还需对助剂用量和添加顺序进行研究选择，保证涂料体系的匹配和施工的稳定性。　　　　　　3建筑隔热降温涂料的发展方向　　　　　　3.1多种隔热手段结合的功能性颜填料　　　　　　以前，为了达到良好的隔热效果，多是采用几种手段结合的办法，比如在底漆和中涂漆中添加隔热型颜填料，在面漆中添加反射型颜填料，这样多道涂料涂刷，容易造成涂层过厚或者表面不平整。近些年，我国对反射-隔热功能复合填料展开了大量的研究。马承银等人以Ti（SO4）2为主要原料，通过化学沉积方式将TiO2包覆在中空玻璃微珠表面，制得具有反射近红外光的新型隔热材料。研究指出：TiO2的包覆厚度以1μm为宜，在此条件下配制的涂料对可见光和近红外光的反射比分别为86%和81%。李文丹等人也以Ti（SO4）2为母体，以NH3·H2O为沉淀剂，采用非均相沉淀法在空心玻璃微珠表面包覆一层锐钛型TiO2，探讨了温度和pH值对制得材料的影响。杨富民以TiCl4为主要原料，成功地制成具有散射-隔热结构的微珠包膜材料。　　　　　　3.2相变材料应用的可能性　　　　　　在军事上，实现红外伪装的技术途径有2种：一是控制表面发射率；二是控制表面温度。这与建筑物用隔热降温涂料也有共同之处。在伪装中，为降低目标表面的温度变化范围，采用大热惯量材料是人们首选的方法。大热惯量材料主要分为：相变材料和隔热材料两类。相变材料的伪装方式是利用其在相变温度发生相变时伴随有大量的吸热和放热效应而温度保持不变的特性来实现伪装目的。当前相变材料的使用方式是将内装有相变材料的微胶囊埋置在泡沫状物质中、分散在织物中或是与胶黏剂混合后用在军事目标上，通过吸收目标放出的热量，降低其热红外辐射强度。微胶囊的粒径分布在5~200μm之间，能够在其中封闭固态微粒和液态微滴。可以制成中间包裹有熔点30~50℃的固态物质的微胶囊，将这种物质混入伪装涂料中并控制其含量，所形成的涂层具有良好的控温性。当涂层温度过高时，微胶囊中的固态物质就会吸热而熔融，由于熔融是一个大量吸热的过程，且物质由固态变成液态，体积变化不大也不会对胶囊壁造成破坏；当环境温度下降时，则又由液态转化到固态并放出一定的热量。这样涂层就达到了良好的降温效果，并且对敌方的热红外观察可以起到有效的屏蔽作用。若能选择合适的相变材料，使其熔点在20~30℃，则所配制的建筑涂料不仅具有隔热降温的作用，在冬季气温较低时也有保温的作用。　　　　　　3.3透明化及纳米化　　　　　　透明隔热涂料是最近发展起来的一种在可见光区具有透明性的隔热涂料，与传统用于建筑物的大面积窗口及透明顶棚的金属镀膜和各种热反射贴膜相比，透光性更好。它主要是利用纳米氧化锡锑（ATO）、氧化铟锡（ITO）、氧化铝锌（AZO）等掺杂半导体粉体对可见光良好的透过率及对红外光区极高的发射率来达到透明隔热的目的。纳米化颜填料不仅可以用在透明隔热涂料中，而且也可以增强反射型和辐射型降温涂料的功效。笔者认为：如能在深色建筑外墙涂料的表面使用一层透明隔热涂料也是研制深色降温涂料的一条途径。　　　　　　目前在我国，随着建筑节能法规的颁布，掀起了建筑物降温涂料研究的高潮，但研究方向仍然只考虑节能，研究的重点也仅局限在白色涂料，不太考虑建筑的装饰效果。如能对各种颜填料的反射率、吸收率等光谱属性进行更深入的研究，并能建立数据库，将更有利于彩色建筑降温涂料的研发。

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