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反射隔热涂料研究进展及应用,综述了国内外反射隔热涂料的最新研究进展
2020年02月04日    阅读量:3125     新闻来源:中网信息    |  投稿

近年来极端气候正日益频繁发生,二氧化碳等温室气体加剧了全球变暖的趋势。与此同时,太阳以大约1.77×1017 J/s 的速度将能量辐射到地球表面,给地球生命提供了生存条件,但强烈的热辐射也给人类生活带来诸多不便。


自20 世纪70 年代以来,美国、英国、日本等国家开始研究能反射太阳热量的隔热涂料,因其具有经济、使用方便和隔热效果好等优点而越来越受到人们的青睐中国建材网cnprofit.com。我国各地区气候差异很大,不同地区的建筑节能设计要求不同。


在南方地区,夏季炎热时间漫长,冬季寒冷时间较短,常年气温高,太阳辐射强烈。相关数据显示[1-2],将温度降低1℃所需能耗是将温度升高1℃所需能耗的4 倍。因此,开发反射隔热涂料,以降低建筑物、设备表面温度是一种被动利用太阳能的方法,对节约能源、保护环境、创建人与自然的和谐关系具有重要的意义。


1 反射隔热涂料的作用机理

一般物体对能量入射有3 种响应方式[3-7]:反射、吸收和透过。若定义反射率为P,吸收率为E,透过率为T,则它们的关系如式(1)所示。

P+E+T=1 ( 1)

大部分物体都是不透明的(包括色漆固化后的涂层),此时T=0,式(1)简化为式(2)。

P+E=1 ( 2)

大气对红外辐射在2.5~5 μm 和8~13.5 μm 有两个窗口,即大气对这两个区域的红外辐射吸收能力较弱,透过率一般在80%以上。因此,要实现物体的持续降温,就要把吸收的热量尽可能通过这两个窗口辐射到外层空间去。任何物质都具有反射或吸收一定波长的太阳光的性能。


由太阳辐射能量分布(表1)可知,太阳能绝大部分处于可见光区和近红外区,即0.4~1.8 μm范围内。在该波长范围内,反射率越高,涂层的隔热效果就越好。因此通过选择合适的树脂、金属或金属氧化物颜填料及生产工艺,可制得高反射率的涂层,反射太阳热,以达到隔热的目的。

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太阳辐射能量分布

反射隔热涂料是在铝基反光隔热涂料的基础上发展而来的,其涂层中的金属一般采用薄片状铝粉。为了强化反射太阳光的效果,涂层一般为银白色。理想的反射隔热涂料形成的涂层应具有以下特点:(1)对太阳光全波段,至少是可见光和红外光波段具有高反射率;(2)能够将所吸收的辐射能全部转化为2.5~5 μm 和8~13.5 μm 波长范围内的红外光辐射到外层空间去;(3)成膜物质具有尽可能低的传热系数;(4)具有较好的耐候性和其他综合性能。


2 反射隔热涂料的研究进展

2.1 国外研究进展

国外反射隔热涂料的起步较早,研究也较为深入,取得了很大的进展[8-10]。20 世纪40 年代,美国Alexander Schwartz 等人在多层铝膜之间引入导热系数低的空气,制成复合材料,开发出了新型的反射隔热组合系统,揭开了反射隔热涂料的新纪元。


70 年代末期,随着科学技术的快速发展,辐射隔热和反射隔热技术取得了巨大的进步。N.M.Nahar 等人[11]对干旱地区太阳光的冷却技术进行研究后发现,涂有反射涂层的测试室内的温度比未涂反射层的测试室内的温度低得多。R.Neil 采用马来酸二丁酯- 乙酸乙烯共聚物为成膜物[12],通过加入一种Ceramic Sil32珠光隔热剂,制得了隔热性能优良的水性隔热涂料,具有高效的节能性能和环保性能。


近20 余年来,使被涂物在太阳光辐照下温度降低的各类涂料研究十分活跃。有代表性的如美国盾牌(Thermo-shield)节能涂料,用于航天飞机的隔热保温。该涂料中含有极细的陶瓷泡,对太阳光有较高的反射率,且成膜后陶瓷泡紧密排列形成完整的隔热层。这类涂料可使被涂物(如房屋)内部温度大大降低,明显减少空调费(节能约40%),同时兼有较好的防蚀、阻燃、防水功能,安全无毒,已广泛用于美国、日本、马来西亚和新加坡等国的油气储罐、房屋建筑领域,取得了较好效果。


2.2 国内研究进展

我国从1992 年开始,使被涂物降温的各类涂料层出不穷,至今约有50 余家研究及生产单位从事相关研发。我国反射隔热涂料的研究虽起步较晚,但由于不少高等学校及研究单位介入这一领域,研发工作不再单纯是企业行为。刘先春[13]以改性丙烯酸醇酸树脂为主要成膜物质,并与颜料、溶剂及助剂配用,制得表面隔热涂料。


这种涂料具有优异的物理化学性能及极强的亮度,对太阳热的反射率高,可明显降低房屋表面的温度。由于金属薄片在溶剂型涂料中能够较长时间稳定存在,而在水性体系中则不能,因此大多数反射隔热涂料为溶剂型体系,然而水性涂料是建筑涂料的发展趋势。


张敏[14]采用鳞片状铝粉为颜料制得了一种综合性能优良的水性反光隔热罩面涂料。经实体测定,当气温高达35~37℃时,采用该涂料可使房屋内部降温11~13℃。但总的说来,我国目前高性能的水性反射隔热涂料尚处于研究开发阶段。

总之,反射隔热涂料自国外20 世纪40 年代研制成功并投产,70~80 年代其理论表述已经形成。如今,随着技术的发展,高性能树脂的合成、高反射率颜填料的出现,以及更精确、更快捷检测仪器的研制成功,将使隔热反射涂料技术更加完善。


3 反射隔热涂料节能性能的影响因素

研究表明[15-16]:反射隔热涂料的反射隔热性能与选用的树脂、颜填料的种类有关。

3.1 树脂的影响

反射隔热涂料处于强太阳光的直接照射下,树脂必须能耐紫外线照射,因此,环氧树脂、芳香族聚氨酯树脂等不宜用作基料树脂,而大部分树脂,如醇酸树脂、丙烯酸树脂、氨基树脂、聚酯树脂、有机硅改性醇酸树脂、有机硅改性聚酯树脂、有机硅改性丙烯酸树脂、有机硅树脂、含氟树脂等都可以用作太阳热反射隔热涂料的基料树脂。要求树脂的透明度高,透光率在80% 以上(以利于颜填料反射),对辐射能吸收率低(树脂分子中尽量少含C-O-C、C=O、-OH等吸能基团)。

随着环保要求的不断提高,采用高固体分、无溶剂和水性树脂已成为涂料工业的发展趋势,因此,耐候性好、符合环保要求的无溶剂聚氨酯、硅丙乳液、水性聚氨酯、水性氟树脂等成为反射隔热涂料的首选树脂。

3.2 颜填料的影响

涂层的热辐射率取决于颜填料折光指数(n1)与树脂折光指数(n2)的比值(n1/n2)、涂层厚度、颜填料粒径d、颜填料纯度以及颜料体积浓度(PVC)等。

3.2.1 颜填料光学性质的影响

当颜填料的折光指数与基料的折光指数相等时,涂料是透明的;当颜填料的折光指数大于基料的折光指数时,涂料就有了遮盖力。涂料的遮盖力F 取决颜填料和基料折光指数之差,见式(3)。

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物体对光的反射包括全反射和散射,涂层中颜填料对光的反射主要以散射为主。颜填料折光指数与树脂折光指数的比值(n1/n2)为颜填料对太阳光的散射能力m。m值越大,散射能力越强。颜填料遮盖力越强,散射能力越强。



3.2.2 颜填料粒径的影响

颜填料粒径与反射入射光的波长有关,对应于最大反射的颜填料粒径可用式(4)计算:

太阳辐射能量分布

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式中:d—颜填料粒径;n1—基料树脂的折光指数;m—颜填料散射能力;λ—入射光波长。

当颜填料粒径与入射光波长比(d/λ)为0.1~10时,表现为菲涅耳型反射,对温控有利;当d/λ<0.1时,表现为瑞利散射,对温控无效。根据上述分析,颜填料粒径大,对反射太阳热辐射有利,最小粒径不应小于0.02 μm。但是颜填料粒径过大,涂膜表面粗糙,孔隙多,易沾污,会导致表面反射能力下降,因此,应有一个合适的粒径搭配,使涂膜既有良好的反射能力,又有良好的耐沾污性,使涂膜表面保持平整光滑。


3.2.3 颜填料辐射性能的影响

通过选择合适的树脂、颜填料及设计合理的配方,可以将大部分(85% 以上)太阳辐射能反射出去,但仍有一部分会被涂层吸收,被吸收的这部分热量可以通过传导向内传递。这部分热量会不断积累,若不通过其他方式排除掉,也会引起涂层及涂层下物体温度不断上升。传导是通过分子振动传递热量的方式,分子振动产生电磁波,因此,涂层所吸收的热量一部分会以电磁波——红外光的方式辐射出去。金属氧化物,如Fe2O3、MnO2、Co3O2 等掺杂形成的具有反尖晶石结构的物质有高红外光发射率,可作为隔热节能涂料的填料。


4 反射隔热涂料的应用及发展

从2007 年起,我国已开始在建筑、石油化工、舰船上全面推广使用反射隔热涂料,呈现蓬勃发展的趋势。在建筑上,反射隔热涂料主要用于外墙及屋顶。图1 是外墙反射隔热涂层系统。

外墙反射隔热涂层系统

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如图1 所示:在外墙中应用的涂层系统主要由防腐蚀涂层、隔热涂层和热反射涂层构成[17]。其中防腐蚀涂层厚度约60~80 μm,要求耐蚀性及力学性能优良;隔热涂层厚度约120~140 μm,要求干膜中空心微球紧密排列,形成多层空心夹层,可有效阻隔热传递,具有保温、隔热的效果;热反射涂层厚度约40~60 μm,在可见光及近红外波段反射率很高。随着科技的发展,反射隔热涂料呈现出以下发展趋势:

(1) 高耐候性、长效性。改性丙烯酸树脂、聚硅氧烷树脂、含氟树脂等耐紫外线性能优异的树脂的不断开发,配以高光学性能的颜填料,使得高耐候性、长效性的反射隔热涂料的开发成为可能。

(2) 高隔热性、保护和装饰性。现在,几乎所有的反射隔热涂料都是根据材料的导热系数或根据各种物质对光、热的反射、吸收、辐射来选用合适的原材料,配制隔热涂料,实现对建筑物的隔热保温目的。因此通过开展对光、热的反射、吸收及辐射等基本理论的研究,充分发挥阻隔、反射和辐射之间的协同效应,研制出高隔热性、可薄层涂装、具有优良保护和装饰性能的反射隔热涂料。

(3) 环境友好性。社会发展要求人类活动对环境的负面影响越小越好,因此,水性、高固体分、无溶剂型反射隔热涂料成为发展趋势。


5 结语

随着资源的日益紧缺,节能减排已经成为当今各国普遍面临的问题。相关数据显示,建筑能耗在人类能源总消耗中所占比例达到30%~40%,建筑反射隔热涂料作为一种节能涂料具有广阔的前景。国外反射隔热涂料研究起步较早,研究成果令人瞩目。


我国研究起步较晚,但是发展十分迅速,已经在建筑、石油化工、舰船和航空航天等诸多领域得到推广应用。反射隔热涂料的反射隔热性能主要取决于选用的基料树脂和颜填料,另外金属表面用的反射隔热涂料还要求具有一定的防腐蚀性。因此,应研制出超长耐久性、水性环保型反射隔热涂料。


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