淺析建筑隔熱降溫涂料的研究及未來(lái)展望

隔熱涂料作為一種隔熱手段，對(duì)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(yè)中取得了良好的降溫效果，減少了油品的揮發(fā)，保證了貯罐的安全。目前在我國(guó)，以空調(diào)為主的降溫制冷設(shè)備所引起的能耗占整個(gè)能耗的1/3左右。研發(fā)適宜的建筑隔熱降溫涂料，降低或防止太陽(yáng)光強(qiáng)烈輻照所引起的升溫，對(duì)節(jié)約能源，改善人們的生活和工作環(huán)境具有重要意義。

1 建筑隔熱降溫涂料的種類(lèi)及其機(jī)理

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

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(jī)理是阻止熱傳導(dǎo)。這種涂料成膜后，涂膜中充滿(mǎn)著孔隙，干涂膜的密度很低，其導(dǎo)熱系數(shù)（λ）一般小于0.06W/（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(guān)。

目前，外墻外保溫涂料在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，涂料也開(kāi)始從過(guò)去的膏狀涂料向粉狀涂料轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變成以膨脹聚苯顆粒為絕熱骨料。國(guó)家建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG158—2004《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)》頒布實(shí)施后，將這類(lèi)材料稱(chēng)為膠粉聚苯顆粒保溫漿料，但在開(kāi)發(fā)應(yīng)用初期仍稱(chēng)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(jī)理是通過(guò)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(zhǎng)發(fā)射到空氣中，從而起到降溫效果。該類(lèi)涂料不同于阻隔型隔熱涂料和反射型隔熱涂料，因?yàn)檫@兩類(lèi)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(nèi)和室外以同樣的速率降溫，因而具有較高的降溫速率。這類(lèi)涂料的實(shí)際應(yīng)用目前僅在冶金、煉鋼系統(tǒng)的工作服以及紅外輻射窗簾布等方面，在建筑絕熱領(lǐng)域中的應(yīng)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(jī)理是通過(guò)涂膜的反射作用將日光中的可見(jiàn)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(dǎo)致的溫度升高。太陽(yáng)輻射的能量絕大部分處于可見(jiàn)光和近紅外區(qū)，按波長(zhǎng)可分為3部分：在200~300nm紫外光區(qū)的輻射能量占5%；在400~720nm的可見(jiàn)光區(qū)占45%；在720~2500nm的近紅外區(qū)占50%?？梢?jiàn)，太陽(yáng)輻射的能量絕大部分處于400~2500nm范圍內(nèi)。在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)，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(guò)適當(dāng)選擇透明性好的樹(shù)脂和反射率高的填料，使太陽(yáng)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(guò)一定厚度時(shí)，其反射性能只與涂膜表面的反射率有關(guān)，而與涂膜厚度無(wú)關(guān)。這與阻隔型絕熱涂料的隔熱效果與涂膜厚度密切相關(guān)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(zhì)都能反射或吸收一定波長(zhǎng)的太陽(yáng)光。入射在涂層上的太陽(yáng)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(guān)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(jìn)入涂層內(nèi)部的能量一部分被吸收，另一部分又以紅外輻射的形式發(fā)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(duì)紅外輻射具有強(qiáng)烈的吸收作用，而且主要分布在3~5μm、8~14μm范圍之外。因此，地面上的物體在發(fā)射紅外輻射時(shí)，在此兩區(qū)域內(nèi)的能量大部分能透過(guò)，形成2個(gè)大氣窗口，而此范圍外則大部分被吸收。為了達(dá)到降溫的目的，所設(shè)計(jì)的涂料在固化成膜后應(yīng)具有如下效果：第一，在8~14μm內(nèi)的發(fā)射率達(dá)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(duì)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(zhuǎn)化成在8~14μm波段內(nèi)的輻射能；第四，從傳熱學(xué)的角度來(lái)看，目標(biāo)內(nèi)部的溫度變化在很大程度上取決于材料的導(dǎo)熱能力，采用中空微結(jié)構(gòu)等阻隔技術(shù)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(shù)脂基料對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光的吸收應(yīng)越小越好。由于合成樹(shù)脂的折光指數(shù)一般都在1.45~1.5之間，因此不同樹(shù)脂對(duì)涂料的太陽(yáng)熱反射效果沒(méi)有太大影響。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中通常要求樹(shù)脂的透明度高、透光率在80%以上，太陽(yáng)能吸收少，所以在選擇樹(shù)脂基料時(shí)，應(yīng)盡量選用那些結(jié)構(gòu)中不含或少含-C-O-C、C=O、O-H等吸熱基團(tuán)的樹(shù)脂。以往在工業(yè)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(xiàn)在用于建筑上，要考慮環(huán)保要求，主要是水性涂料，采用高聚物乳液作為基料，對(duì)現(xiàn)有乳液進(jìn)行有機(jī)硅改性從而提高涂料的耐候性是當(dāng)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(yáng)光輻射，減少熱量的吸收。涂料對(duì)太陽(yáng)光輻射的散射能力取決于顏料和樹(shù)脂折光系數(shù)的差異。散射比m定義為顏料與樹(shù)脂折光指數(shù)的比值：

m=np/nr（rnp、nr分別為顏料和樹(shù)脂的折光指數(shù)）由于不同樹(shù)脂的折光指數(shù)大致相同，因此要達(dá)到高散射比，必須選取折光指數(shù)高的顏料。顏填料與樹(shù)脂的這種折光指數(shù)的關(guān)系，與顏填料的遮蓋力有一定的關(guān)聯(lián)。顏填料的遮蓋力越強(qiáng)，散射熱的能力越強(qiáng)。金屬粉末（如鋁粉等）對(duì)可見(jiàn)光具有較強(qiáng)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(huì)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(shù)，對(duì)可見(jiàn)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(duì)于要求深色涂料的情況，因?yàn)椴噬伭蠈?duì)可見(jiàn)光有強(qiáng)烈的吸收，所以降溫只能靠提高顏料對(duì)近紅外光的反射和增強(qiáng)涂層在8~14μm的輻射，研制難度較大，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)理想產(chǎn)品問(wèn)世。江晴等人計(jì)算出理想灰色降溫涂料的降溫極限是23℃，實(shí)際上灰色紅外反射涂料的降溫效果要小得多，用無(wú)機(jī)顏料配制成的灰色熱反射涂料，其降溫效果很難超過(guò)10℃。預(yù)計(jì)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(yáng)熱反射涂料，在近紅外區(qū)的反射率超過(guò)75%，能使涂覆物的表面溫度降低10~15℃，內(nèi)部溫度降低8~10℃。除了顏料類(lèi)型之外，顏料粒徑對(duì)涂料的熱反射性也有重要影響。

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(chǎn)生許多漆膜缺陷，又可很方便地控制施工，是水性涂料生產(chǎn)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(rùn)滑劑、消泡劑、增稠流變劑等多種類(lèi)型。除了選擇正確的助劑之外，還需對(duì)助劑用量和添加順序進(jìn)行研究選擇，保證涂料體系的匹配和施工的穩(wěn)定性。

3 建筑隔熱降溫涂料的發(fā)展方向

3.1 多種隔熱手段結(jié)合的功能性顏填料

以前，為了達(dá)到良好的隔熱效果，多是采用幾種手段結(jié)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(guò)厚或者表面不平整。近些年，我國(guó)對(duì)反射-隔熱功能復(fù)合填料展開(kāi)了大量的研究。馬承銀等人以Ti（SO4）2為主要原料，通過(guò)化學(xué)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1μm為宜，在此條件下配制的涂料對(duì)可見(jiàn)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(duì)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(jié)構(gòu)的微珠包膜材料。

3.2 相變材料應(yīng)用的可能性

在軍事上，實(shí)現(xiàn)紅外偽裝的技術(shù)途徑有2種：一是控制表面發(fā)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(biāo)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(lèi)。相變材料的偽裝方式是利用其在相變溫度發(fā)生相變時(shí)伴隨有大量的吸熱和放熱效應(yīng)而溫度保持不變的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)偽裝目的。當(dāng)前相變材料的使用方式是將內(nèi)裝有相變材料的微膠囊埋置在泡沫狀物質(zhì)中、分散在織物中或是與膠黏劑混合后用在軍事目標(biāo)上，通過(guò)吸收目標(biāo)放出的熱量，降低其熱紅外輻射強(qiáng)度。微膠囊的粒徑分布在5~200μm之間，能夠在其中封閉固態(tài)微粒和液態(tài)微滴?？梢灾瞥芍虚g包裹有熔點(diǎn)30~50℃的固態(tài)物質(zhì)的微膠囊，將這種物質(zhì)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(dāng)涂層溫度過(guò)高時(shí)，微膠囊中的固態(tài)物質(zhì)就會(huì)吸熱而熔融，由于熔融是一個(gè)大量吸熱的過(guò)程，且物質(zhì)由固態(tài)變成液態(tài)，體積變化不大也不會(huì)對(duì)膠囊壁造成破壞；當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，則又由液態(tài)轉(zhuǎn)化到固態(tài)并放出一定的熱量。這樣涂層就達(dá)到了良好的降溫效果，并且對(duì)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(diǎn)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(shí)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(fā)展起來(lái)的一種在可見(jiàn)光區(qū)具有透明性的隔熱涂料，與傳統(tǒng)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(dǎo)體粉體對(duì)可見(jiàn)光良好的透過(guò)率及對(duì)紅外光區(qū)極高的發(fā)射率來(lái)達(dá)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(qiáng)反射型和輻射型降溫涂料的功效。筆者認(rèn)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(guó)，隨著建筑節(jié)能法規(guī)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(jié)能，研究的重點(diǎn)也僅局限在白色涂料，不太考慮建筑的裝飾效果。如能對(duì)各種顏填料的反射率、吸收率等光譜屬性進(jìn)行更深入的研究，并能建立數(shù)據(jù)庫(kù)，將更有利于彩色建筑降溫涂料的研發(fā)。

　　

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