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反射隔热涂料技术展望
2022年10月09日    阅读量:1301     新闻来源: PCI可名    |  投稿

专栏作者|徐凯斌、彭军、虞荟星

上海澳润化工有限公司


由于全球气候变暖和城市化进程加快,各种极端气候频发给人类敲响了警钟,人类活动已经给气候造成了显著的影响,减少化石能源使用、开发新能源、实现碳达峰和碳中和是一场广泛而深刻的系统性变革,各国均在实施节能减排政策。


建筑反射隔热涂料作为一种节能材料,在建筑外墙、屋顶和工业储罐等领域得到了广泛应用。大量的工程应用带来显著经济效益和社会效益的同时,也促进了反射隔热涂料用材料、生产和应用技术的发展涂料在线coatingol.com


通过对国内外热反射涂料市场的调查研究,我们总结了未来热反射涂料总的发展趋势有:


● 高隔热效率:相关标准对太阳光反射率的要求越来越高,白色或浅色甚至能达到夏天全日“辐射致冷”的效果。

● 颜色多样:白色和浅色已不能满足人们对于建筑外墙和屋顶的审美要求,开发极具个性化鲜艳的深色热反射涂料十分迫切。

● 材料复合:单一涂层的隔热材料效率低,很难满足日益严苛的节能减排需要,将多种复合反射隔热材料一起使用是未来发展的必然趋势。

● 性能全面:未来的隔热反射涂料除了需要满足隔热反射性能外,还应满足不燃、超耐候、抗沾污、耐酸雨腐蚀等恶劣环境所需的优异性能。


反射隔热涂料就生产技术来说,应当包括原材料、配方、生产工艺和质量控制等多方面。但从本质上来说,建筑反射隔热涂料是一种再加工产品,因此反射隔热涂料生产技术的进步和发展主要体现在涂料原材料的发展以及配方优化等方面。因此,本章主要讨论反射隔热涂料用关键原材料现存的问题和缺陷,并结合最新的研究进展,分析其未来技术发展方向。


建筑反射隔热涂料作为一种功能性涂料,是由成膜物质、红外反射颜料、功能性反射隔热材料、助剂和分散介质等组成的。其中最重要的材料是红外反射颜料和功能性反射隔热材料。


成膜物质对反射隔热性能可能也有一定影响,同时成膜物的耐候保色性、耐沾污性也影响反射隔热的持久性。因此,我们重点从建筑反射隔热涂料用原材料中的成膜物质、反射隔热颜料和功能性隔热材料以及其他隔热技术进行探讨和展望,并结合我国现行建筑反射隔热涂料技术存在的问题进行讨论。


反射隔热涂料用树脂


目前市场上反射隔热涂料用树脂大多为有机高分子聚合物,最广泛使用的是苯丙乳液和丙烯酸乳液。这些有机高分子聚合物存在不少问题:


● 长期受太阳光照射会降解,使其涂层的耐候性和耐久性变差,使用寿命较短;

● 有机聚合物涂层由于表面硬度较低且冬硬夏软,以及表面易产生静电等因素,容易被各种有机或无机大气污染物沾污,反射率下降,反射隔热效果不能持久保持;

● 有机高分子聚合物易燃,难满足日益严苛的外墙保温材料A级不燃要求;

● 乳液成膜需要挥发性有机成膜助剂,这些挥发性的有机溶剂会污染环境;

● 有机高分子聚合物需要消耗化石能源,不符合双碳减排节能政策。


与有机涂料相比,无机涂料凭借更高的太阳光反射率、A级不燃、高耐候性、抗沾污性优异、环保低碳等性能特点,愈发引起人们的关注。


无机硅酸盐涂料是建筑内外墙用无机涂料的主要品种,在欧洲更多应用于外墙,水玻璃和硅溶胶作为反射隔热涂料用无机树脂有许多独特的优点。


最重要的是无机硅酸盐涂料比有机高分子聚合物外墙反射隔热涂料具有更高的太阳光反射率。我们偶然发现这一现象:一个涂料用户发现夏天户外同是白色涂料,无机涂料表面的温度比外墙乳胶漆明显要低,向我们咨询原因。经检测发现,相同颜填料的白色无机硅酸盐涂料的太阳光反射率较反射隔热乳胶漆要高3~5%,高质量白色反射隔热涂料的太阳光反射比一般只能达到85~87%,但白色无机涂料可达到90~92%。分析原因发现,这主要是因为无机涂料在成膜过程中会形成大量微、纳米级中空骨架结构,使漆膜对太阳光的散射加强,大幅提高了太阳光反射比;另一个原因是无机涂料中有机树脂要少得多,也稍减弱了有机树脂对红外光的吸收。


无机树脂不会被紫外线破坏,因此无机反射隔热涂料的耐候性也好得多,使用寿命更长。无机涂料表面亲水,不会产生静电,同时表面持久地保持高硬度,夏天不会发粘,因此有极佳的耐粘污性。无机树脂是光催化材料最好的载体,可实现超亲水自清洁效果,能使涂料长期保持亮丽如新和高反射率。无机粘结剂不燃无烟,使无机反射隔热涂料很容易达到A级不燃要求。无机粘结剂成膜不需要成膜助剂,VOC更低、更加环保。无机涂料不需要石油、煤等含碳化石能源,且自然界中硅较碳的含量高得多,资源更丰富,符合国家低碳政策。


除无机硅酸盐反射隔热涂料外,地聚物反射隔热涂料也是一个研究热点,国内学者也进行了一些研究。


地质聚合物也被称为地聚物,它是通过水玻璃的碱性激发偏高岭土制备而成的,是一种硅氧、铝氧四面体之间通过桥氧在三维空间聚合而成的无机聚合物。这类以地聚物为基料、以空心玻璃微珠为功能性填料制备的反射隔热涂料属于无机类涂料,具有强度高、耐久性好、耐沾污和反射效率高等特点,且隔热效果显著。例如,某研究所以地聚物制备反射隔热涂料,反射率达到90%以上,隔热温差可达到24℃。


红外反射颜料


► 红外反射钛白

金红石型钛白粉因折射率高,是最好的太阳光反射材料,而被广泛用于反射隔热涂料中。


大粒径的钛白粉对波长更长的近红外光具有更强的反射率、更低的消色力,用在不同明度的彩色反射隔热涂料中更有优势,如泛能拓ALTIRIS® W-400、550和800红外反射钛白粉。


经计算,金红石型钛白对可见光(380~780nm)的最佳反射粒径为170~350nm,对近红外光(780~2500nm)的最佳反射粒径为350~1130nm。采用粒径单一的颜料,其理论最佳反射太阳光的波长范围很窄,通过不同粒径的钛白粉以一定比例混合,能够在比较大的太阳光区内获得高反射率。在连载专栏丨第三章:红外反射钛白中我们介绍过美国普渡大学的研究人员通过五种不同粒径钛白粉的混合获得了比单一粒径更高反射率的白色反射隔热涂料。


据了解,现行商业反射隔热涂料的生产中使用的钛白粉除粒径在250~350nm的普通颜料钛白外,还有专用于反射隔热涂料的更大粒径的红外反射钛白粉,如泛能拓ALTIRIS® W-400、550和800,它们的中粒径分别为400、700和1000nm。这样共有四种不同粒径的钛白粉可供商业生产使用。


反射理论和普渡大学的实验结果都说明:使用这四种粒径的钛白粉按适当比例混合得到的宽粒径混合钛白会有更高的太阳光反射率。但现行反射隔热涂料在实际生产中,无论是白漆还是用来调色的基础漆仍多采用单一或两种粒径的钛白混合,这种方式远未达到最佳反射效率,对价格昂贵的钛白粉也是一种浪费。究其原因,一是更多不同粒径钛白粉的复配会给采购和生产带来麻烦,二是目前还没有系统研究优化最佳混合比例。因此未来应重点系统地研究反射隔热白漆和各种明度的基础漆中红外反射钛白最适合的粒径分布以及它们的最佳混合比例。


► 辐射致冷(Radiative Cooling)

主动冷却需要电力来驱动制冷循环,与主动冷却相反,辐射冷却是利用大气透明窗口(即 “天窗”)直接向深邃的天空发射热辐射而不消耗任何能量的一种被动冷却技术(Passive Cooling Technology)。被动致冷技术可用来降低建筑温度,缓解城市热岛效应,并通过减少用于冷却而产生的二氧化碳排放来减缓全球变暖。


若建筑物表面由辐射放出的热能超过吸收的太阳能,则表面温度可低于环境温度,这一现象称为“辐射致冷”。商业反射隔热涂料,即便是白色的,在中午烈日下表面温度会高于环境温度,尽管人们非常希望用单层涂料来实现全天辐射冷却,但这一技术尚未在商业上实现。


一般认为要实现夏天整个日间的辐射致冷需要涂料同时满足太阳光反射率大于90%和发射率大于0.9。商业涂料实现夏天整日辐射致冷的主要问题是反射率不足,彩色反射隔热涂料的太阳光反射率一般不到80%,即使是白色反射隔热涂料的太阳光反射率一般也仅在80-85%,太阳光反射率大于85%已属于高质量反射隔热白色涂料,反射率大于90%则非常困难。这是因为反射率最高的白色涂料一般是基于金红石型钛白粉,其电子带隙较小(3.2eV),导致其对紫外光有很高的吸收率(一般在90%以上)。虽然紫外光仅占总太阳光能量的4%,但对于要求TSR大于90%的辐射致冷涂料来说,4%的紫外光这部分能量仍很重要。


美国普渡大学华人学者用高电子带隙的填料碳酸钙(>5eV)和硫酸钡(~6eV)来代替钛白粉作为反射填料以消除紫外吸收,用丙烯酸乳液作为粘结剂分别制得“超白”涂料和“最白”涂料。由于它们的折射率低,对光的散射较弱,为了获得对太阳光的高反射率,在配方设计时采用高填料浓度,涂料的颜料体积浓度(PVC)为60%,超过临界颜料体积浓度(CPVC),远高于一般商业外墙涂料,通过漆膜中的孔隙来提高散射效率,同时更少的高分子聚合基料也可稍微降低对红外光的吸收。同时通过使用宽粒径分布的填料,提高涂层对不同波长的太阳光的散射效率来提高太阳光反射比。这样制得的干膜厚度为400µm涂层的反射率可分别达到95.5%和98.1%,发射率分别为0.94和0.95。现场测试发现,中午时涂料表面温度均低于环境温度,平均冷却功率分别达到37W/m2和117W/m2。


这种辐射致冷白色涂料表现出极好的致冷效果,具有很好的开发应用前景,但距离实际商业应用还有许多问题需要解决:


* 干膜厚度达400µm,是一般以钛白为颜料的普通白色涂料膜厚的5倍左右(普通白色涂料的干膜厚度以75µm计),耗漆量大,材料成本和施工成本均大幅提高;

* PVC大于CPVC的多孔结构涂膜吸水性强,不适合外墙使用,更不能用于屋顶;

* 无钛白的漆膜,有机聚合物树脂很容易被紫外光破坏,高PVC涂料更易粉化,因此户外耐候性很难保证。


普渡大学的学者们正在同涂料企业联合解决这些问题,力求早日让这种“辐射致冷”反射隔热涂料实现商业化生产和实际应用。


► 彩色红外反射颜料

虽然白色涂料具有更高的太阳光反射比,但屋顶和墙面对色彩的需求十分丰富,随着人们物质生活水平的提高,会更加青睐深色色彩,因此对高红外反射比的彩色反射隔热颜料的需求也越来越急迫。


彩色红外反射颜料又分为复合无机彩色红外反射颜料(属于CICP)和有机红外透射颜料(一般为有机颜料)。现国内商品类反射隔热涂料中使用的彩色颜料一般仅有复合无机彩色红外反射颜料铁铬黑(PBr29)、钛铬黄(PBr24)和普通外墙涂料中使用的有机颜料。它们存在的问题主要有:


* 复合无机彩色红外反射颜料的品种太少,色谱不全,无法满足高耐候要求的屋顶用反射隔热涂料和高质量外墙涂料的要求;

* 复合无机彩色红外反射颜料的价格较普通外墙使用最多的氧化铁颜料和碳黑高得多,且着色力差,调色成本较高;


* 具有红外透射特性的有机颜料配合红外反射钛白或白色底漆,可获得较高的太阳光反射率,在一般墙面上使用耐候性尚可,但在屋顶涂料和高耐候要求的外墙涂料(如氟碳、硅丙、无机硅酸盐涂料)中使用则不能满足要求;

* 红外透射黑色颜料-苝黑对可见光的吸收率高,对近红外吸收率低,着色力强,配合钛白或白色底漆的反射率也很高,但供应商太少,价格昂贵,目前在建筑涂料上也很少使用,仅在军工上有少量应用;

* 钴蓝、铬绿等金属氧化物颜料虽然也推荐应用于反射隔热涂料,其耐候性极好,但红外反射率较低。


因此,开发色谱齐全、红外反射效率更高、价格适宜的彩色红外反射颜料是未来反射隔热涂料应重点关注的方向。


开发彩色红外反射颜料的主要方法有表面包覆改性和离子掺杂。


表面包覆改性一般是在彩色颜料表面包覆白色颜料或在白色颜料表面包覆彩色颜料,制备出包覆后的改性彩色颜料的近红外反射率大幅提高。但是,这样制备的颜料稳定性较差,产量一般也较低,真正大规模工业化生产还有很长一段路要走,必须改进生产工艺和设备等条件才能真正投入市场应用。


离子掺杂改性通常是在无机颜料中掺杂其他金属离子替换原有离子,进而改变颜料化学性质。其原理是通过掺杂金属离子来破坏原晶体结构的整齐性,从而使晶格结点的离子种类增多,引起晶格畸变,局部产生能级变化,使吸收光的波长发生变化而产生不同颜色,同时使红外反射性能提高。


常见的掺杂金属离子主要有过渡金属元素和稀土金属,目前文献中常见的金属元素有Ti、V、Ni、Zn、Y、La、Ce等。由于稀土元素具有特有的光学性能,当其进入晶体结构中时,可作为活化剂,使得晶体结构呈现特有色彩的同时兼具良好的红外反射效果,因此这种含有稀土的颜料正成为彩色红外反射颜料研究的热点。


其他功能性红外反射材料


反射隔热涂料中除使用白色和彩色红外反射颜料外,也常常用到其他一些功能性红外反射材料,如各种材质的中空微球,常用的有中空玻璃微球、陶瓷微球和聚合物微球等。


由于我国外墙真石漆的使用量大,真石漆中需要使用大量的彩砂和彩色聚合物岩片来着色。因此,具有红外反射功能的人造彩砂和彩色聚合物岩片将受到欢迎,这是未来开发的一个重点。


► 反射隔热中空微球

目前中空微球在反射隔热涂料中使用主要是基于其低导热系数的特点,用于隔热中涂。基于其高太阳光反射比而用于反射隔热面漆的实际应用并不多,这主要是由于中空微球作为太阳光反射材料仍存在以下问题需要解决:

* 由于受生产工艺的限制,即使是最细粒径的中空微球相对于红外反射颜料而言仍然太粗,影响反射隔热平面涂料的外观及抗沾污性;

* 由于粒径较粗,单位体积的漆膜内反射点会较少,太阳光反射比较低。虽然有些研究文献报导使用中空微球也获得了较高的太阳光反射比,甚至超过90%,但这是基于超高的干膜厚度;

* 由于中空微球的壳体与空气的折射率差较小,对太阳光的散射效率较低,故太阳光反射比较低。


因此,未来通过改进生产工艺和设备,制造粒径更细的中空微球是重点开发方向之一,这样不但可以改善普通平面涂料的外观,还可以提高太阳光反射效率。另一重点开发方向是采用钛白等高反射率材料对中空微球进行表面改性处理以获得更高的太阳光反射比。国内外学者都进行了相关研究,并取得了较为理想的结果。


► 红外反射彩砂和岩片

红外反射彩砂在国内已有一些研究,一些专业人造彩砂厂和大型建筑涂料生产企业也有小批量生产。但目前存在的主要问题有:

* 商品化反射隔热彩砂品种太少,但商业生产对不同颜色、不同粒径的彩砂的要求又很多,而国内一般涂料企业的生产计划性不强,彩砂生产商很难满足涂料企业对反射隔热彩砂的需求;

* 由于工艺、配方、材料等多种原因导致目前市场上的红外反射彩砂的太阳光反射率仍不够高,反射隔热真石漆较普通真石漆的反射率虽然有所提高,但仍不能完全满足相关标准的要求;

* 目前生产红外反射彩砂按粘结树脂和生产工艺的不同,主要分为树脂彩砂和烧结彩砂:树脂彩砂的牢度较差、成本偏高;烧结彩砂存在能耗高、有机颜料耐温性差难以使用的缺点。


因此,未来反射隔热真石漆的发展重点是为市场提供不同粒径、更多色彩、高反射率的红外反射彩砂;进一步研究人造彩砂的粘结剂配方和生产工艺,优化包膜用红外反射颜料的组成和最佳包膜厚度,以提高彩砂的太阳光反射比,同时降低成本,才能被市场接受。


据了解,国内岩片生产企业也正在进行反射隔热彩色岩片的开发,相信在不久的将来,反射隔热岩片也会推向市场用于反射隔热真石漆的生产。


其他隔热技术


除以上讨论的反射隔热涂料今后将会使用更高效率的反射隔热颜料、功能性反射隔热材料及更高性能的树脂体系外,相信还会有更多的新技术和新材料可用于建筑反射隔热涂料或配合反射隔热涂料一起来提高建筑的保温效果,降能降耗。例如开发反射隔热涂料自动配色技术,在提高彩色反射隔热涂料生产效率的同时提高涂料的太阳光反射比;用无色透明的红外反射填料生产红外反射罩光清漆,用于建筑涂层的表面来提高太阳光反射比。将室温相变材料(PCM-Phase Change Materials)同反射隔热涂料配套用于建筑节能等。


► 反射隔热涂料自动配色技术

现代涂料生产使用的自动配色技术在欧美等发达国家已有了近七十年的历史,技术已非常成熟。我国从2000年开始引进,目前也已被涂料行业接受认可,特别是大型建筑涂料企业均普遍采用。自动配色技术使彩色涂料的生产效率大幅提高,颜色配方更加合理、经济,颜色的重现性和准确性更高,还可减少生产清洗用水和废水处理,环保性更好。总之,自动配色技术使涂料生产水平发生了质的飞跃,是现代涂料企业必备的生产技术之一。


反射隔热涂料在我国应用也有近十年的历史,技术也日趋成熟。特别是标准JG235-2014《建筑反射隔热涂料》和GB/T25261-2018《建筑用反射隔热涂料》对彩色反射隔热涂料的太阳光反射比和近红外反射比有了明确且较高的要求,这对彩色反射隔热涂料的调色技术也提高了要求。


但据了解,目前国内绝大数涂料企业并没有建立起反射隔热涂料生产用红外反射色浆系统及基于该色浆系统和反射隔热涂料基础漆的数据库,即没有建立起反射隔热涂料的自动调色系统,仍然使用传统的人工调色方法生产。因此在实际生产中也不能利用现代计算机调色技术自动计算合理的调色配方,更不能对彩色涂料的太阳光反射比进行预测,这样给涂料生产带来很多麻烦。


标准JG235-2014和GB/T25261-2018均是根据颜色的明度来计算反射隔热涂料的太阳光反射比和近红外反射比的要求,因此对每一个颜色的反射比要求不同,在生产时需要对每个颜色的反射比进行检测,以判断是否达到标准要求。实际生产时常出现所调配的颜色已在色差范围内,但反射比经常不能达到要求的现象,就需要重新配色,这种情况下,要保证颜色色差和反射比都同时满足要求可能需要反复多次配色,严重影响生产效率。若利用现代计算机自动调色技术,用全波段分光光度计(紫外、可见光和近红外)测量并收集色浆系统中每支色浆的原色和冲淡色在300~2500nm间的反射比,建立起调色系统所需的数据库,就可以准确自动计算出每个颜色的合理调色配方,并对该颜色的太阳光反射比和近红外反射比进行计算预测,使彩色反射隔热涂料的生产同普通内外墙一样方便快捷,提高效率。


► 透明反射隔热涂料

透明隔热涂料目前主要用于玻璃窗和玻璃幕墙的隔热节能。透明隔热涂料中一般是通过加入纳米金属氧化物填料来实现透明和隔热双重功能。纳米金属氧化物填料对可见光的吸收和反射均很低,是基本透明的,可见光的透过率一般在80%以上。对近红外光则表现出反射或吸收两种特性,故透明隔热涂料分为反射型透明隔热涂料和吸收型透明隔热涂料,它们均可用于玻璃的隔热,阻挡近红外线透入室内,起到隔热作用的同时又不影响可见光透入室内,故不影响玻璃的采光功能。


建筑涂料工程师一直想把这种玻璃用透明隔热涂料应用于一般反射隔热墙面涂料或屋顶涂料的罩光,用来提高涂层的总太阳光反射比。由于其是无色透明的,不影响涂层原来的颜色和装饰效果,故可用于白色和各种彩色涂层表面,甚至可直接使用在原建筑基层材料表面,如石材、清水混凝土等表面,这样可在保持原有外观的条件下赋予墙体反射隔热功能。但是目前玻璃用透明隔热涂料很少能用于墙面,主要存在以下问题:


* 市场上透明隔热涂料大多为红外吸收型隔热涂料,只能用于玻璃表面,不可用于墙面。红外吸收型隔热涂料用于墙面会使太阳光反射比降低,墙体温度升高,加大建筑能耗;

* 透明隔热涂料一般不是完全无色的,对某些波段的可见光会有弱的吸收而稍带颜色,同时透明度也难达到一般罩光清漆的水平,这样对涂层原来的色彩会有一定影响;

* 透明隔热涂料的价格昂贵,限制了其在一般建筑墙面上广泛应用。


因此,未来必须为一般建筑墙体开发红外反射型透明隔热涂料,这种涂料对近红外有高的反射比,同时对可见光的吸收少,透过率高。大量研究表明,金属掺杂的纳米金属氧化物粉体在可见光区域高透光,而在近红外光区域高反射,具有十分优异的光学性能,是墙面透明反射隔热涂料的理想材料。


►相变材料(PCM-Phase Change Materials)

相变是指物质从一种状态变化为另一种状态,主要包括液-液相变、液-汽相变、固-汽相变、固-固相变四种形式。相变过程中物质可以在等温或近似等温的状态下吸收或释放大量的能量,这一现象使得相变技术具有广泛的应用潜力,成为近年来研究的热点领域。


相变蓄能技术以相变材料为基础,具有能量密度大、状态稳定等优点。可以有效解决能量供求在时间和空间上的不匹配问题,提高能源利用效率,可广泛应用于电力负荷的削峰填谷、工业余热的回收利用、新能源、航空航天、国防装备等方面。


室温相变材料也非常适合用于民用建筑节能,未来可用来生产相变隔热涂料,其相变温度接近于室温,在冬季气温较低时可利用太阳辐射吸收能量,相变储能为室内升温,而夏季气温较高时利用相变使墙体温度保持不变或升高得较少,减少向室内的传热。


结 语

反射隔热涂料能降低建筑能耗,符合国家“双碳”减排政策,应用范围越来越广,但目前反射隔热涂料还存在一些问题和不足。反射隔热涂料未来的研究和开发重点应放在高性能树脂或粘结剂、高红外反射颜料和红外反射功能性材料上,使全色系、多品种的外墙反射隔热涂料均可获得更高的太阳光反射效率,高白色和浅色甚至可望实现夏季全天辐射致冷效果。同时开发利用或配套使用其他隔热技术和新材料可使反射隔热涂料在节能减排方面发挥更大的作用。


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