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功能性顏填料在建筑熱反射隔熱涂料中的應用

蔡青青，張漢青,史立平,張雷（中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇常州213016）

     建筑物能耗占據了地球總能耗的約40%，其中大部分能耗是由供暖及制冷設施產生的。雖然有許多因素影響著室內溫度以及由此發生的空調制冷能耗，如氣候、建筑物結構、材料等，但建筑物屋頂和墻面承載建筑與外部環境之間超過50%的熱量傳遞，是影響室內環境溫度的重要因素。通過阻隔屋頂及墻面與外部環境之間的熱量傳遞來降低屋頂及墻面溫度、減少建筑物的熱量累積以及降低采暖/制冷費用，該項技術被稱為被動屋頂面冷卻技術， 是全球建筑節能領域關注的焦點。在屋頂及外立面涂裝太陽熱反射隔熱涂層是最常見以及安全可靠、切實有效的技術手段。國外已有不少研究人員試驗證明涂裝高反射率涂料的建筑物可以比普通建筑物降溫10~25 ℃， 能有效保持適宜的室內溫度以及節約能源。

      國內目前建筑物節能主要依靠在外墻面粘貼導熱系數低的保溫材料來阻隔熱量傳遞， 相關技術包括聚苯板薄抹灰技術及巖棉板外保溫技術等， 這些技術可以很好實現現有的節能目標， 然而也存在以下諸多問題：（1）工序繁瑣，施工難度較大且對工人技術水平要求高；（2）施工工期長，造價高；（3）因施工和配套不當容易引起脫落及開裂的質量問題；（4）材料易燃，存在火災安全隱患。因此，研究人員致力于探索尋找其他途徑來實現建筑節能， 輕質薄層的太陽熱反射涂料由于其出色的熱反射能力已成為建筑涂料領域研究的熱點，在功能材料的選擇和改性、性能測試以及配方篩選方面取得了不少研究進展。

    有研究人員質疑單獨采用薄層熱反射涂料能否完全達到現有聚苯乙烯保溫板（EPS/XPS）等隔熱材料層的外保溫體系的隔熱保溫效果[5]，若將熱反射面涂層與熱阻隔型中涂層與熱阻隔型膩子層組合成復合涂層，有望達到更好的節能目標。未來，政府對建筑的節能標準定會日益提高，要求建筑物能量利用更有效率，碳排放更小，如歐盟就決定到2020 年將住宅及商業建筑能耗減少20%（和1995 年相比）, 到2050 年減少50%。Ali Joudi 等通過實地涂裝考察試驗發現，外墻涂裝熱反射涂料能夠節省建筑制冷費用，但會損耗內部熱能，內墻涂裝熱反射涂料能節省建筑采暖費用， 但對制冷費用沒有作用， 由此建議寒冷地區采用內墻熱反射涂料，夏熱冬暖地區采用外墻熱反射涂料，夏熱冬冷地區同時采用內外墻熱反射涂料， 針對不同地區的氣候特點巧妙設計不同的組合方案， 可以更充分發揮熱反射涂料的產品優勢。中國地域寬廣，從北到南不同區域氣候類型各不相同， 以往建筑熱反射涂料產品只是面向南方夏熱冬暖地區及夏熱冬冷地區進行開發， 若針對嚴寒地區開發內墻熱反射涂料， 則可以大大拓寬產品應用范圍及思路，使其在建筑領域得到更多應用，后期需要做的研究工作還很多。

      熱反射隔熱涂料主要通過其功能性顏填料所具備的材質與結構的優勢， 將太陽熱量通過反射及輻射發射到外部空間，從而降低被照射物體溫度，保護其不受高溫破壞[7]。功能性顏填料的選擇和應用是熱反射涂料研究的關鍵技術， 本文總結了幾種較新型熱反射功能性顏填料的特點和應用效果， 希望能為以后熱反射涂料的研究提供一些參考和借鑒。

    最佳的太陽熱反射隔熱涂層需滿足：（1）具有盡可能高的反射率；（2）具有盡可能低的吸收率和盡可能高的發射率。提高涂層的熱反射率是熱反射隔熱涂料研究的主要目標，關鍵在于選擇反射率高的顏填料。顏色越淺的材料反射率越高， 傳統建筑熱反射涂料多為白色， 因為白色鈦白粉顏料會反射大部分可見光及紅外光能量，從而達到較高的太陽光反射率。但白色涂層存在耐沾污性差、炫目刺眼、色調單一的缺點，建筑物外墻面需要更豐富的色彩。通過選用紅外熱反射率較高的顏料（即冷顏料）可以制備出彩色的建筑反射隔熱涂料，經測試發現，大多數復合無機顏料都具備較高的太陽反射率TSR（Total Solar Reflectance）數值，雖然不及白色顏料的反射率， 然而與相同色的其他顏料相比還是有相當高的太陽光反射率， 可作為冷顏料用于制備彩色建筑熱反射隔熱涂料。

       復合無機顏料CICP/MMO（Complex Inorganic ColorPigment/Mix Metal Oxide Pigments） 大多數由幾種金屬混合物如金屬氫氧化物、硝酸鹽甚至是金屬氧化物經過高溫煅燒（800 ℃以上）化合而成。在高溫的作用下，這些固體混合物變得有活性， 其中的金屬和氧離子重排而形成新的更穩定的結晶結構如紡錘形或金紅石型之類。在此顏料里通常含有鈦、鎳、錳、鉻、銅、鐵、鈷等

有色金屬離子，以及晶體電荷平衡離子，如鋰、鎂、鈦、鈣、鉭、鈮、鉬、鎢、鋁、銻等，該類顏料獨特的結構及含有的過渡金屬使得其在紅外區域有較強的反射能力。

    具有熱反射功能的彩色復合無機顏料在可見光區域反射其本色波長的熱量，而吸收其余波長的熱量，其反射率并不低于普通彩色顏料； 但其在紅外光譜范圍內的反射率明顯高于普通彩色顏料， 而且該類顏料具有優異的戶外耐光耐候性， 適合用于建筑外表面的涂裝，能夠制備出優質的熱反射功能涂料。

      目前在中國，供應復合無機顏料的除了國外公司，如美國福祿(Ferro)公司、美國薛特顏料(Shepherd)公司、德國巴斯夫(BASF)公司等外，也有不少國內企業擁有此類產品，如湖南巨發顏料、廣東華山、湖南科勒顏料、南京培蒙特等公司。復合無機顏料相比其他無機顏料價格較高，這是阻礙其大范圍推廣應用的主要原因，在選擇該類顏料時應對顏料的添加方式及實際效果進行仔細考察。

孫順杰等研究了彩色熱反射涂料制備中原材料對性能的影響， 主要是冷顏料和其他填料及樹脂的影響。研究發現，添加冷顏料的彩色熱反射涂料與普通外墻涂料相比，具有更好的熱反射性能，如普通深灰外墻涂料的太陽光反射比為0.092，而相同顏色的熱反射涂料太陽光反射比為0.297， 兩者1 h、1.5 h 隔熱溫差達到8.5 ℃和8.7 ℃。同時研究發現基材和涂膜厚度對熱反射率也有一定影響。

曹延鑫等人對不同色系的復合無機顏料對彩色反射隔熱涂料隔熱性能的影響進行了考察，并與同色系普通隔熱涂料進行了對比，發現灰色和棕色系深色反射隔熱涂料的隔熱效果提升顯著，而黃色熱反射顏料與普通顏料作用相同。

       實際應用中，彩色外墻涂料的顏色往往需要兩種以上的顏料色漿進行復配調色， 對于彩色熱反射涂料的調色則應該小心對待， 因為不同的冷顏料會在不同的區域吸收， 當兩種反射區域不同的顏料混在一起時可能會造成反射區域互相加和，起到了反作用，得到比單獨使用兩種顏料時更低的反射率。劉成樓等人采用不同顏色的顏料復配，調制深色熱反射隔熱涂料，考察了不同顏料復配對涂料反射率的影響。另外，復合無機顏料要求在700～1 100 nm 的近紅外區域能最大限度地反射太陽光能量， 顏料粒徑應該在0.35～0.55 μm 范圍內，因此顏料在使用過程中應避免過分研磨，過度的研磨將打碎粒子，影響顏料的顏色和紅外反射率。

    空心微珠是近年來出現的一種新型隔熱填料，具有中空輕質的特點，外觀多為球形。和其他形狀的填料相比，空心微珠的表面積體積比最小，吸油量低，可降低樹脂的用量。更重要的是空心微珠具有相互獨立的中空微觀結構，折光指數高，能有效阻隔熱量傳遞，具有較高的隔熱性能，是制備反射隔熱涂料的常見填料，通常有玻璃空心微珠和陶瓷空心微珠兩種材質。已經有不少試驗證明， 采用空心微珠可以制得效果良好的熱反射涂料。

       李冰等分別采用玻璃空心微珠以及陶瓷空心微珠作為隔熱功能性填料制得了反射率和半球發射率均達0.89 以上的水性薄型熱反射保溫涂料。柏林股份有限公司的呂琪萍通過試驗發現當功能填料陶瓷空心微珠在涂料中的加量從2%提高到15%時， 涂料的太陽熱反射率可以由25%提高到52%。使用此類填料應該注意材料的粒徑、壁厚以及表面處理方式，如空心微珠的粒徑大，則涂層隔熱效果好，但耐沾污能力差，反之粒徑小，則涂層隔熱效果差，耐沾污能力好，可以考慮將不同粒徑的空心微珠復配使用。

         隨著研究的深入漸漸發現，空心微珠存在以下無法回避的問題：(1)空心微珠的粒徑一般較大，在那些對涂料細度要求嚴格的裝飾性涂料中則限制了其使用，此外空心微珠的薄壁多孔結構易在高剪切作用下破碎而喪失隔熱效果；(2)以空心微珠為主要功能填料的熱反射涂料，其隔熱效果除了與熱反射、紅外反射率有關之外，還與熱導系數直接相關，一般需要厚涂，使用成本高，表面平整度差，抗污能力差，導致了在使用過程中發射率和反射率的下降， 進而影響隔熱性能；(4)空心微珠由于質輕，在涂料貯存過程中容易出現向上漂浮聚集現象以及施工流平性差的問題。有不少研究人員對空心微珠進行改性處理以獲得性能更佳的反射隔熱涂料，并取得了較為理想的結果。

       朱明等采用化學沉積法使TiO2 以納米粒子的形式包覆于空心玻璃微珠表面，成功制備了TiO2 納米晶/空心玻璃微珠復合填料。經光譜分析表明該復合粉體對可見光和近紅外波段的太陽光輻射具有很高的反射率(>95％)。作為填料制備的熱反射隔熱涂料平均光反射率＞85％，該性能指標優于空心玻璃微珠及國外同類產品。

       曾國勛等采用水漿混合燒結法將空心玻璃微珠與SnO2、Sb2O3 微納粉水漿混合并在530 ℃燒結， 制備出了核殼型結構的氧化錫銻（ATO）/空心玻璃微珠復合材料，由此制備的有機硅涂層在800～2 100 nm 近紅外波段的反射率是4l%～50％； 在5～12 μm 紅外波段，涂層的吸收率超過90％， 預示該復合材料有較高的紅外輻射率，可作為一種彩色冷顏料。

     近年來大量的納米材料被用于隔熱保溫涂料的開發，與傳統的隔熱填料相比，納米材料加入涂料中除可對涂膜性能進行改善外，還可賦予涂膜特殊的性能[20]。其中最早應用于納米隔熱涂料中的金屬氧化物是納米氧化銦錫（ITO）和氧化錫銻（ATO）。ITO 與ATO 薄膜的可見光透過率達到80%～90%， 紅外反射率為75%～80%。

   余麗蓉等添加納米氧化釔、納米氧化錫到水性涂料中，與改性空心玻璃微珠、遠紅外陶瓷粉配合制備了環保型彈性反輻射隔熱涂料， 具有良好的隔熱效果和施工性。

       陳中華等應用納米ATO 漿料和納米Ti02 粉體與高反射、高輻射性能的顏填料配合，制備了一種水性納米復合隔熱涂料， 確定涂層全波段太陽熱反射比為86％，輻射率為0.86。

        孫仕梅等通過加入納米氧化硅濃縮漿制備了一種納米水性太陽能熱反射涂料， 并考察了顏填料對涂料熱反射率的影響。

納米粉體的比表面積大，表面能高，顆粒間容易通過界面相互作用而產生團聚， 因此納米粒子在涂料中的分散難題一直阻礙其在涂料中的應用。研究人員嘗試改性納米粒子來解決這個問題， 其中改性方法主要分為有機改性和無機改性兩種。有機改性是將納米粒子與有機樹脂進行原位聚合、共混，通過化學鍵連接實現這兩種材料納米級別的復合。如王有軒等通過原位聚合法和共混法分別制備了摻銻二氧化錫(ATO)/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、硼酸釤(SmB03)/PET、ATO/氟碳樹脂、氮化鈦(TIN)/氟碳樹脂復合涂料，可以很好地解決了納米材料在樹脂中的分散問題， 并對其光學性質進行了表征和研究。

      無機改性方面，有研究嘗試以無機填料做載體復合納米粒子。如蔡偉煒將納米二氧化鈦與無機纖維素復合、納米氧化鋅與云母粉進行復合用作熱反射涂料的填料，既解決了納米材料的分散難題，同時又保持了無機填料的熱穩定性和耐高溫性， 可以作為新型的熱反射功能材料。

    阻隔型保溫涂料只能減慢但不能阻擋熱能的傳遞，在熱反射涂料中加入適量的紅外輻射功能粉體，使得涂層中未被反射而吸收留下來的熱能很快能以紅外線的方式輻射出去[26]，釋放在空氣中，從而降低涂層表面溫度，達到散熱節能的目的。

     涂層的熱輻射能力采用半球發射率進行考察。半球發射率的定義是熱輻射體在半球方向上的輻射出射度與處于相同溫度的全輻射體(黑體)的輻射出射度之比值。如何提高涂層的半球發射率也是熱反射涂料研究人員關注的重點。經研究發現，物體表面的發射率取決于物質種類、表面溫度和表面狀況，說明發射率只與發射輻射的物體本身有關，而不涉及外界條件。一般認為非金屬材料比金屬材料有較高的發射率， 粗糙表面比光滑表面有較高的發射率。

    具有遠紅外發射性能的陶瓷粉是有效的高發射率填料，一般稱為遠紅外陶瓷粉，是一種將所吸收的太陽能以長波的形式發射到大氣空間去的材料。以SiO2、Al2O3 為基料，以Fe2O3、CuO、MnO 為添加劑，經高溫燒結、粉碎后研磨成的陶瓷粉，可大大提高對太陽熱的反射率和發射率。李建濤，蔡會武[30]采用過渡區金屬氧化物摻雜、高溫固相燒結法制備紅外輻射功能粉體，以此為功能填料制得在“大氣窗口”波段內發射率大于78%的外墻節能涂料。

       SiO2 氣凝膠是一種納米多孔網狀結構材料， 是由二氧化硅單元簇擁在一起組成的低密度多孔材料，其孔隙率高達95％，孔徑分布在2～50 nm，能有效地限制氣體分子的運動并增加固相傳熱通路， 使熱傳導的固態傳導和氣態傳導分量極低，是目前導熱系數最低、隔熱性能最好的材料之一, 適合用于熱反射外墻涂料或在熱反射涂層體系中起隔熱節能效果。

       許多研究者正在努力將氣凝膠新型材料應用于隔熱涂料的制備，許輝等以SiO2 氣凝膠為功能填料，丙烯酸樹脂為成膜劑，制備透明隔熱涂料，性能測試結果表明涂料具有良好的化學穩定性和隔熱性能。王慧制備了SiO2 氣凝膠/苯丙原位復合乳液，并對不同SiO2氣凝膠含量的隔熱涂料的隔熱效果進行了檢測， 結果表明，SiO2 氣凝膠含量為4%時隔熱效果最好， 實際隔熱效果模擬實驗顯示， 樣品與空白玻璃的底板溫差達10 ℃以上，具有良好的隔熱效果。

      氣凝膠作為一種剛剛進入大眾市場的新型材料，憑借優異的保溫性能正引起越來越多研究人員的重視。由于其獨特的納米結構和物理性能，氣凝膠在外墻保溫涂料中的添加方式以及添加量、注意事項、實際效果等問題還需要深入研究， 將成為以后研究的重要努力方向。

      未來隨著全球變暖、環境惡化以及社會環保意識的提高， 政府與民眾對建筑節能的目標要求定會日益提高， 選擇水性熱反射外墻涂料來涂裝保護建筑物使之節能舒適將成為必然趨勢。本文介紹的功能性顏填料有些已經工業化生產形成了穩定產品， 有些還停留在實驗室摸索試制階段，市場上找不到成熟產品，給熱反射涂料的性能提高帶來了困難。但隨著研究的深入，性能更優異的熱反射功能顏填料定會逐漸涌入市場，進一步提高熱反射涂料的性能， 預期建筑熱反射隔熱涂料將會有廣闊的發展前景。