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建筑隔熱降溫涂料的研究及展望,隔熱降溫涂料作為降低能耗的一種手段,正從石油行業向建筑行業發展
2019年12月24日    閱讀量:646    新聞來源:中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站  |  投稿

0 引言

隔熱涂料作為一種隔熱手段,對它的研究起源于飛行器控溫的需要,然后將其用于石油工業中取得了良好的降溫效果,減少了油品的揮發,保證了貯罐的安全。目前在我國,以空調為主的降溫制冷設備所引起的能耗占整個能耗的1/3 左右。


研發適宜的建筑隔熱降溫涂料,降低或防止太陽光強烈輻照所引起的升溫,對節約能源,改善人們的生活和工作環境具有重要意義涂料在線coatingol.com


1 建筑隔熱降溫涂料的種類及其機理

建筑隔熱降溫涂料屬于功能性建筑涂料,根據隔熱作用機理的不同,可以分為阻隔型、反射型和輻射型3 類。


1.1 阻隔型建筑隔熱降溫涂料

阻隔型建筑隔熱降溫涂料的隔熱機理是阻止熱傳導。這種涂料成膜后,涂膜中充滿著孔隙,干涂膜的密度很低,其導熱系數(λ)一般小于0.06 W/(m·K),所以具有很好的隔熱性能。阻隔型隔熱涂料的隔熱效果與涂膜厚度密切相關。


目前,外墻外保溫涂料在我國得到廣泛應用,涂料也開始從過去的膏狀涂料向粉狀涂料轉變,并且以粉狀涂料為主;組成材料由初期以膨脹珍珠巖作為絕熱骨料逐步轉變成以膨脹聚苯顆粒為絕熱骨料。國家建工行業標準 JG158—2004《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統》頒布實施后,將這類材料稱為膠粉聚苯顆粒保溫漿料,但在開發應用初期仍稱為保溫隔熱涂料。


1.2 輻射型建筑隔熱降溫涂料

輻射型建筑隔熱降溫涂料的隔熱機理是通過波的輻射形式把建筑物吸收的日照光線和熱量以一定的波長發射到空氣中,從而起到降溫效果。該類涂料不同于阻隔型隔熱涂料和反射型隔熱涂料,因為這兩類涂料只能減慢但不能阻擋熱能的傳遞。


輻射型建筑隔熱降溫涂料能夠以熱輻射的形式將吸收的熱量輻射掉,從而促使室內和室外以同樣的速率降溫,因而具有較高的降溫速率。這類涂料的實際應用目前僅在冶金、煉鋼系統的工作服以及紅外輻射窗簾布等方面,在建筑絕熱領域中的應用尚處于研究階段。


1.3 反射型建筑隔熱降溫涂料

反射型建筑隔熱降溫涂料的隔熱機理是通過涂膜的反射作用將日光中的可見光和近紅外光部分反射到外部空間,從而避免物體自身因吸收輻射導致的溫度升高。太陽輻射的能量絕大部分處于可見光和近紅外區,按波長可分為3 部分:在200~300 nm 紫外光區的輻射能量占5% ;在400~720 nm 的可見光區占45% ;在720~2 500 nm 的近紅外區占50%。可見,太陽輻射的能量絕大部分處于400~2 500 nm 范圍內。


在該波長范圍內,涂層的反射率越高,隔熱效果越好。反射型建筑絕熱涂料就是通過適當選擇透明性好的樹脂和反射率高的填料,使太陽照射到涂膜上的大部分能量反射,而不是被涂膜吸收。 涂膜超過一定厚度時,其反射性能只與涂膜表面的反射率有關,而與涂膜厚度無關。這與阻隔型絕熱涂料的隔熱效果與涂膜厚度密切相關的原理完全不同。


2 建筑隔熱降溫涂料用原材料的選擇

任何物質都能反射或吸收一定波長的太陽光。入射在涂層上的太陽光能被吸收、透射或反射,其吸收率(σ)、透射率(ρ)和反射率(τ)之間有如下關系:

σ + ρ + τ =1

由于涂層是不透明的,其透射率ρ 近似為0。因此,只有提高涂層的反射率τ,才能減少涂層表面吸收的能量。進入涂層內部的能量一部分被吸收,另一部分又以紅外輻射的形式發射出去。在大氣的主要成分中,水、二氧化碳及一些微小顆粒對紅外輻射具有強烈的吸收作用,而且主要分布在3~5 μm、8~14 μm范圍之外。


因此,地面上的物體在發射紅外輻射時,在此兩區域內的能量大部分能透過,形成2 個大氣窗口,而此范圍外則大部分被吸收。為了達到降溫的目的,所設計的涂料在固化成膜后應具有如下效果:第一,在8~14 μm 內的發射率達到0.9 以上,甚至接近于1 ;第二,在此波段范圍外,最大限度地增加對外界輻射能量的反射,最好是全反射;第三,采用合適的基料,將涂料所吸收的輻射能量全部轉化成在8~14 μm 波段內的輻射能;第四,從傳熱學的角度來看,目標內部的溫度變化在很大程度上取決于材料的導熱能力,采用中空微結構等阻隔技術能有效地起到隔熱降溫的作用。


2.1 基料

用于建筑隔熱涂料的樹脂基料對可見光和近紅外光的吸收應越小越好。由于合成樹脂的折光指數一般都在1.45~1.5 之間,因此不同樹脂對涂料的太陽熱反射效果沒有太大影響。在實際應用過程中通常要求樹脂的透明度高、透光率在80% 以上,太陽能吸收少,所以在選擇樹脂基料時,應盡量選用那些結構中不含或少含-C-O-C、C=O、O-H 等吸熱基團的樹脂。以往在工業上主要是用于金屬貯罐表面,要考慮防腐性能,所以基本是溶劑型涂料。現在用于建筑上,要考慮環保要求,主要是水性涂料,采用高聚物乳液作為基料,對現有乳液進行有機硅改性從而提高涂料的耐候性是當前基料的研究方向之一。


2.2 反射型顏填料

反射型功能性顏填料的主要作用是反射太陽光輻射,減少熱量的吸收。涂料對太陽光輻射的散射能力取決于顏料和樹脂折光系數的差異。散射比m定義為顏料與樹脂折光指數的比值:

m=np/nr( np、nr分別為顏料和樹脂的折光指數)

由于不同樹脂的折光指數大致相同,因此要達到高散射比,必須選取折光指數高的顏料。顏填料與樹脂的這種折光指數的關系,與顏填料的遮蓋力有一定的關聯。顏填料的遮蓋力越強,散射熱的能力越強。金屬粉末(如鋁粉等)對可見光具有較強的反射率,常用于溶劑型隔熱涂料中,但由于金屬粉末在水性涂料中會氧化變色,失去反射作用,所以在建筑隔熱降溫涂料中不能使用金屬粉末。


鈦白和氧化鋅等白色顏料具有較高的折光指數,對可見光反射率高,所以目前的降溫涂料主要集中在白色和淺色。對于要求深色涂料的情況,因為彩色顏料對可見光有強烈的吸收,所以降溫只能靠提高顏料對近紅外光的反射和增強涂層在8~14 μm 的輻射,研制難度較大,目前國內外尚無理想產品問世。


江晴等人計算出理想灰色降溫涂料的降溫極限是23℃,實際上灰色紅外反射涂料的降溫效果要小得多,用無機顏料配制成的灰色熱反射涂料,其降溫效果很難超過10℃。預計目前可能配制灰色降溫涂料的顏料主要有三氧化二鉻顏料系列、苝顏料系列和偶氮化合物顏料系列。孫元寶等人研制成綠色太陽熱反射涂料,在近紅外區的反射率超過75%,能使涂覆物的表面溫度降低10~15℃,內部溫度降低8~10℃。

除了顏料類型之外,顏料粒徑對涂料的熱反射性也有重要影響。對應于最大反射的顏料顆粒粒徑d 可用下式計算:

d =0.9λ(m2+1)/[nrπ(m2-1)]

式中:m為散射比;nr 為樹脂折光指數。

當顏料顆粒的粒徑與入射光波長的比例(d /λ)為0.1~10 時,則顏料表現為菲涅耳型反射,對溫控有用;若d /λ < 0.1,顏料表現為瑞利散射,對溫控沒用。熱反射率還取決于涂層的厚度、顏料純度以及涂料的顏料體積濃度。


2.3 隔熱型顏填料

隔熱型顏填料應具備低導熱系數(即高熱阻性能)的特性。目前,使用最多的是空心玻璃或陶瓷微珠。這類材料具有較多優點:導熱系數小,一般為0.03~0.1 W/(m·K);堆積密度小,用很少的空心微珠即可達到良好的隔熱效果;表面積小,大量添加而黏度保持在可接受的范圍;耐久性、耐候性、耐腐蝕性優良。隨著中空微珠添加量的增加,涂膜比重逐漸減小,隔熱性能提高。然而空心微珠的添加量不是越高越好,過多的空心微珠會導致涂料的機械性能下降。


2.4 輻射型顏填料

制備輻射型建筑保溫隔熱涂料的關鍵技術是制備具有高熱發射率的涂料組分。研究表明:多種具有反型尖晶石結構的摻雜型物質具有熱發射率高的特點,廣泛用作隔熱節能涂料的填料。


這種填料主要是金屬氧化物的復合物和碳化物,最大輻射波段在2.5~12 μm。常用的金屬氧化物有Fe2O3、MnO2、NiO、CuO、Co2O3、Cr2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、A12O3、MgO、La2O3、CeO 等。馮春霞等人制備的堇青石- 過渡金屬氧化物復合紅外輻射材料在8~14 μm 的紅外發射率達95.4% ;用其為填料制備隔熱涂料的熱反射率達73.2%,顏色由黑色至灰色不等。沃群鳴通過在硅酸鹽結晶相中加入A12O3、TiO2 等金屬氧化物細粉作為填料,研制成的紅外輻射涂料輻射5~15 μm 波段內紅外線的能力在85% 以上。


具有遠紅外輻射性能的陶瓷粉體材料稱為遠紅外陶瓷粉。與高溫遠紅外輻射陶瓷粉相比,常溫遠紅外陶瓷粉具有如下特點:(1)常溫下發射率一般大于85% ;(2)光熱轉換效率高,無需熱源,可吸收環境熱量,然后以遠紅外能量形式輸出。


它是一種新型光熱轉換功能陶瓷材料,將其應用于降溫涂料中,可以達到增強涂層的熱輻射能力,降低表面溫度的目的。紅外輻射填料的超細化也是提高發射率的一種手段。如果微觀松散粒子間的間距較大,粒子間就基本上無相互作用力,從外界投射的輻射能全部進入這層物質中,無論是在物質表面還是在物質內部基本上無反射現象發生,輻射能在傳播的過程中逐漸地被物質所吸收,因此反射率與吸收率都接近于1,可以認為是黑體模型。


實際上物體基本粒子間都是有相互作用的,但只要減小粒子間距就能減小粒子間的作用力,有效提高物體的發射率和吸收率。減小粒子間距最簡單可行的方法就是將物質超細化或納米化。針對涂料來說,就是將填料超細化,以提高涂層輻射。


2.5 助劑

助劑作為涂料原材料的一部分,它的用量雖然很少,但它既可以避免產生許多漆膜缺陷,又可很方便地控制施工,是水性涂料生產和施工中必不可少的成分。助劑主要包括:成膜助劑、分散劑、潤滑劑、消泡劑、增稠流變劑等多種類型。除了選擇正確的助劑之外,還需對助劑用量和添加順序進行研究選擇,保證涂料體系的匹配和施工的穩定性。


3 建筑隔熱降溫涂料的發展方向

3.1 多種隔熱手段結合的功能性顏填料

以前,為了達到良好的隔熱效果,多是采用幾種手段結合的辦法,比如在底漆和中涂漆中添加隔熱型顏填料,在面漆中添加反射型顏填料,這樣多道涂料涂刷,容易造成涂層過厚或者表面不平整。近些年,我國對反射- 隔熱功能復合填料展開了大量的研究。


馬承銀等人以Ti(SO4)2 為主要原料,通過化學沉積方式將TiO2 包覆在中空玻璃微珠表面,制得具有反射近紅外光的新型隔熱材料。研究指出:TiO2 的包覆厚度以1 μm 為宜,在此條件下配制的涂料對可見光和近紅外光的反射比分別為86% 和81%。李文丹等人也以Ti(SO4)2 為母體,以NH3·H2O 為沉淀劑,采用非均相沉淀法在空心玻璃微珠表面包覆一層銳鈦型TiO2,探討了溫度和pH 值對制得材料的影響。楊富民以TiCl4 為主要原料,成功地制成具有散射- 隔熱結構的微珠包膜材料。


3.2 相變材料應用的可能性

在軍事上,實現紅外偽裝的技術途徑有2 種:一是控制表面發射率;二是控制表面溫度。這與建筑物用隔熱降溫涂料也有共同之處。在偽裝中,為降低目標表面的溫度變化范圍,采用大熱慣量材料是人們首選的方法。大熱慣量材料主要分為:相變材料和隔熱材料兩類。相變材料的偽裝方式是利用其在相變溫度發生相變時伴隨有大量的吸熱和放熱效應而溫度保持不變的特性來實現偽裝目的。


當前相變材料的使用方式是將內裝有相變材料的微膠囊埋置在泡沫狀物質中、分散在織物中或是與膠黏劑混合后用在軍事目標上,通過吸收目標放出的熱量,降低其熱紅外輻射強度。微膠囊的粒徑分布在5~200 μm 之間,能夠在其中封閉固態微粒和液態微滴。可以制成中間包裹有熔點30~50℃的固態物質的微膠囊,將這種物質混入偽裝涂料中并控制其含量,所形成的涂層具有良好的控溫性。


當涂層溫度過高時,微膠囊中的固態物質就會吸熱而熔融,由于熔融是一個大量吸熱的過程,且物質由固態變成液態,體積變化不大也不會對膠囊壁造成破壞;當環境溫度下降時,則又由液態轉化到固態并放出一定的熱量。這樣涂層就達到了良好的降溫效果,并且對敵方的熱紅外觀察可以起到有效的屏蔽作用。若能選擇合適的相變材料,使其熔點在20~30℃,則所配制的建筑涂料不僅具有隔熱降溫的作用,在冬季氣溫較低時也有保溫的作用。


3.3 透明化及納米化

透明隔熱涂料是最近發展起來的一種在可見光區具有透明性的隔熱涂料,與傳統用于建筑物的大面積窗口及透明頂棚的金屬鍍膜和各種熱反射貼膜相比,透光性更好。它主要是利用納米氧化錫銻(ATO)、氧化銦錫(ITO)、氧化鋁鋅(AZO)等摻雜半導體粉體對可見光良好的透過率及對紅外光區極高的發射率來達到透明隔熱的目的。納米化顏填料不僅可以用在透明隔熱涂料中,而且也可以增強反射型和輻射型降溫涂料的功效。筆者認為:如能在深色建筑外墻涂料的表面使用一層透明隔熱涂料也是研制深色降溫涂料的一條途徑。

目前在我國,隨著建筑節能法規的頒布,掀起了建筑物降溫涂料研究的高潮,但研究方向仍然只考慮節能,研究的重點也僅局限在白色涂料,不太考慮建筑的裝飾效果。如能對各種顏填料的反射率、吸收率等光譜屬性進行更深入的研究,并能建立數據庫,將更有利于彩色建筑降溫涂料的研發。

建筑隔熱降溫涂料的研究及展望


黃 潔 張 松 李 永 蔡 森 劉宏宇 ( 海軍后勤技術裝備研究所,北京 100072)


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