建筑隔熱節(jié)能涂層研究進(jìn)展*

陳虹合，楊春陽，李 震

（中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶401331）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和低碳環(huán)保的迫切要求，節(jié)能降耗已成為能源領(lǐng)域和科學(xué)研究中的關(guān)注焦點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，建筑能耗通常會占到社會總能源消耗的40%。人們通過使用空調(diào)風(fēng)扇等制冷設(shè)備降低室內(nèi)溫度，而同升高室內(nèi)溫度1℃相比，降低室內(nèi)溫度1℃要增加約30%的能源消耗，因此，研制和開發(fā)具有隔熱降溫的建筑節(jié)能材料具有降低能源消耗的作用[1，2]。目前，已大規(guī)模應(yīng)用的建筑節(jié)能材料如EPS板薄抹灰外墻保溫系統(tǒng)、EPS顆粒外墻保溫系統(tǒng)、保溫砂漿、隔熱門窗及墻體內(nèi)置隔熱保溫板等存在較多缺陷[3]，前兩種EPS保溫系統(tǒng)體系中存在大量的EPS板縫，會形成許多熱橋，在炎熱的夏季EPS板會發(fā)生開裂脫落等現(xiàn)象，而后幾種缺點(diǎn)為施工繁瑣、配制困難、填料易破碎、價格較高及整體隔熱層較厚且表面粗糙度不利于裝飾性，進(jìn)一步降低了其隔熱節(jié)能效果。

建筑節(jié)能涂料是一種功能型涂料，由于能夠有效地阻止熱傳導(dǎo)，降低建筑表面溫度，進(jìn)而降低室內(nèi)溫度，從而達(dá)到降低能耗的目的，被廣泛應(yīng)用于建筑屋頂、外墻和軍事裝備等領(lǐng)域[4]。建筑節(jié)能涂料因施工方便、應(yīng)用簡單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。本文系統(tǒng)總結(jié)了阻隔型、輻射型以及反射型建筑隔熱涂層的節(jié)能機(jī)理及研究現(xiàn)狀，能夠較好的為新型建筑節(jié)能隔熱涂層的設(shè)計(jì)及性能研究提供一定的參考價值。

1 阻隔節(jié)能涂層

1.1 阻隔節(jié)能涂層節(jié)能機(jī)理

太陽光輻射的熱傳遞的主要方式可劃分為3個類型：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射[5]。太陽光主要通過熱傳導(dǎo)的方法向建筑內(nèi)部輸送熱量，而熱輻射和熱對流是基本不存在的，據(jù)此，為了降低熱傳導(dǎo)，可以添加導(dǎo)熱系數(shù)低的隔熱填料，選擇導(dǎo)熱系數(shù)低的涂料成膜物質(zhì)，通常來說，將依據(jù)此原理的節(jié)能建筑涂料叫做隔熱保溫涂料。

阻隔型節(jié)能涂層是通過熱傳遞的阻抗作用來實(shí)現(xiàn)被動降溫的[6]。此類型的涂層通過添加導(dǎo)熱系數(shù)較低的填料來降低涂層的導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而使涂層具有較好的隔熱性能[7]。阻隔型節(jié)能涂料涂裝成膜后涂膜中充滿著孔隙，涂膜的干密度很低，其熱導(dǎo)率（λ）一般小于0.06W·（m·K）-1[8]，而空氣的熱導(dǎo)率為0.023W·（m·K）-1，涂層的熱導(dǎo)率越接近空氣，則其隔熱效果越好。但此類型的隔熱涂層并不能完全將外部的熱量阻隔起來，只是減緩?fù)獠康臒崃肯騼?nèi)部蔓延，并不能從根源上起到隔熱降溫節(jié)能的效果，發(fā)展前景十分有限，近年來研究此類型隔熱涂層的報(bào)道較少。阻隔型節(jié)能涂層的體系結(jié)構(gòu)見圖1[9]。

圖1 外墻外保溫體系示意圖Fig.1 Schematic illustration of exterior insulation system

由圖1可知，涂層體系可分為4個部分，分別是抗裂保護(hù)層、保溫層、界面層和墻面，由此可見，此類涂層體系較厚，施工困難，界面之間已發(fā)生分離，不適合大規(guī)模應(yīng)用。

1.2 阻隔節(jié)能涂層研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)70～80年代，美國就有資料顯示，由丙烯酸乳液和絕熱填料制備的阻隔絕熱涂層應(yīng)用于金屬表面可以起到隔熱降溫的作用，隨后美國開始研發(fā)陶瓷型隔熱涂層，并將其主要應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)等行業(yè)[10]，可以大幅降低機(jī)器表面的溫度，延長機(jī)器的使用壽命。我國的阻隔型隔熱涂層的研發(fā)和使用較晚，自上世紀(jì)80年代末開始，前期主要應(yīng)用在抗高溫用途。應(yīng)用最為廣泛的阻隔型節(jié)能涂層是硅酸鹽復(fù)合涂層。王瑾璐[11]等以純丙乳液為基料，加入海泡石的粉末、Al2O3·SiO2制成的纖維以及膨脹珍珠巖作為主要應(yīng)用的隔熱填料，此類涂層不僅隔熱性能較好，而且具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

中空微珠由于其密度小和導(dǎo)熱系數(shù)與空氣接近等優(yōu)點(diǎn)，是作為阻隔型節(jié)能涂層常用的隔熱填料。在建筑節(jié)能涂層中加入適量的中空玻璃微珠，可在一定程度上降低涂層的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，涂層的隔熱平衡溫度有一定程度的降低。陳中華等[12]制備了具有防腐性能的單組分水性防腐隔熱涂層，確定了空心微珠的添加量為8%時，涂層的綜合性能最好。李少香研究表明[13]硼硅酸鹽類的空心玻璃微珠、陶瓷微珠和粉煤灰漂珠3種隔熱填料的反射隔熱性能具有一定程度的差異，其中，硼硅酸鹽類的空心玻璃微珠具有較高的太陽光反射比（0.88），隔熱性能也相對較好。

2 輻射型節(jié)能涂層

2.1 輻射型節(jié)能涂層節(jié)能機(jī)理

輻射型節(jié)能涂層也被稱為高發(fā)射率涂層，其隔熱節(jié)能的原理是將涂層吸收的熱量通過熱輻射散熱的方法，將建筑吸收的太陽熱能通過一定波長輻射出建筑物，進(jìn)而具備較好的隔熱性能[14]。輻射型節(jié)能涂層首先應(yīng)有盡可能低的傳熱系數(shù)且在中遠(yuǎn)紅外波段有較高的輻射率，能將吸收的熱量轉(zhuǎn)化成2.5～5μm和8～14μm波長范圍的輻射，同時涂層要具備高耐候性、自潔性以及優(yōu)良的綜合性能[15]。

根據(jù)韋恩位移定律，存在以下等式

式中 λm：一定溫度下絕對黑體的最大輻射值對應(yīng)的波長；T：黑體溫度；b：常數(shù)。

由此可知，當(dāng)涂層攝氏溫度介于0～50℃之間時，最大輻射值對應(yīng)的波長就介于8.97～10.6μm之間，因此，以8～14μm波段的法向發(fā)射率作為涂層輻射制冷的大氣窗口[16]。高紅外輻射率有助于將涂層吸收的太陽熱能以熱輻射的方式散掉，產(chǎn)生一定的降溫節(jié)能效果[17]。在8～14μm波段內(nèi)，地面輻射到大氣層外空間的輻射能要高于大氣層外部輻射至地面物體的輻射能，若能提高涂層在此波段內(nèi)的發(fā)射率/輻射率，就能把涂層吸收的熱量以紅外輻射的方式輻射出去，因此，這種方法可以降低物體吸收的熱能，進(jìn)而降低暴露在太陽光下物體的溫度。

2.2 輻射型節(jié)能涂層研究現(xiàn)狀

輻射型節(jié)能涂層多通過加入具有反尖晶石型結(jié)構(gòu)的功能填料來提高涂層的紅外發(fā)射率，進(jìn)而進(jìn)一步提高涂層的輻射熱散熱性能[18]。王黔平[19]等人以Cr2O3、MnO2為主要原料，輔以多種氧化物制備高發(fā)射率涂層。對涂層進(jìn)行了性能表征，結(jié)果表明：不同溫度下煅燒生成的顏料結(jié)構(gòu)不同，1250℃煅燒物表現(xiàn)出良好的紅外輻射性能，尤其是在1～22μm波段，涂層的法向發(fā)射率可達(dá)0.90。彭紅[20]等人采用單摻、復(fù)摻試驗(yàn)方法，優(yōu)化輻射型功能填料的添加量，優(yōu)化得到輻射型外墻節(jié)能涂層的最佳配方。該涂層可以使室內(nèi)的降溫速率大大提高，其節(jié)能降溫性能優(yōu)異。陸磊[21]等人以堇青石、SiC、Cr2O3、TiO2、SiO2為填料，與磷酸鹽膠粘結(jié)劑配料混勻后制備了紅外輻射涂層，通過表征后結(jié)果表明，SiC添加量為40%時，制備的輻射型建筑節(jié)能涂層體現(xiàn)了最佳的隔熱效果，在炭磚焙燒窯上使用該紅外輻射涂層后，爐內(nèi)溫度相比于未使用該涂層降低了128℃，降低能耗8%左右。

上世紀(jì)80年代之后，輻射型建筑節(jié)能涂層發(fā)展十分迅速，主要應(yīng)用的填料多為陶瓷類材料，該類材料紅外發(fā)射率較高，比如美國CRC公司研制出了以鋯英石、SiO2和陶瓷為主要成分的輻射制冷涂層[22]。日本日上公司研發(fā)了的HRC型輻射制冷涂層以SiO2、陶瓷、鐵黑、鉻綠為主要成分，當(dāng)涂層在600～1300℃時，其紅外發(fā)射率仍不低于0.85，在爐子內(nèi)壁上的使用壽命可達(dá)5～10年[23]。Kournyts[24]等人通過實(shí)驗(yàn)對比研究，認(rèn)為具有反尖晶石型結(jié)構(gòu)的金屬氧化物諸如MnO2和SiC等的加入，可以極大提高涂層的紅外輻射率，繼而提高涂層的輻射制冷性能。

3 反射型節(jié)能涂層

3.1 反射型節(jié)能涂層節(jié)能機(jī)理

太陽光波段（TSR）可分為3個光譜區(qū)域[25]：紫外區(qū)（UV），波長200～400nm，能量占比為5%；可見光區(qū)（VIS），波長400～720nm，能量占比為45%；近紅外區(qū)（NIR），波長720～2500nm，能量占比50%。據(jù)此可知，太陽光的輻射能絕大部分的能量均集中于可見光和紅外光光譜區(qū)域。太陽輻射在涂層表面的路徑有3種形式：吸收、反射和透射。其吸收比σ、反射比γ和透射比α之間具有如下關(guān)系[26]：

涂層用于金屬基及水泥基底材時涂層透射比α可視作為0。提高涂層反射比γ，涂層吸收的太陽輻射降低，就能達(dá)到較好的節(jié)能效果。

3.2 反射型節(jié)能涂層研究現(xiàn)狀

蔡偉煒[27]等人采用TiO2/乙基纖維素復(fù)合型微珠做為紅外反射填料，制備了隔熱涂層，探究了TiO2/乙基纖維素復(fù)合型微珠的摻量對涂層反射隔熱特性的影響。結(jié)果表明：TiO2的加入不改變微球形貌，降低了乙基纖維素微球內(nèi)部通孔孔徑。當(dāng)TiO2/乙基纖維素復(fù)合型微珠的摻量為成膜物質(zhì)的5%左右時，涂層反射隔熱特性較好，紅外燈照射涂層試板30min以后，空白板的溫度高達(dá)85.6℃，而涂層試板的溫度僅為67.7℃，可見隔熱性能優(yōu)異。孟昭輝[28]等人通過自制的反射隔熱模擬箱，對涂層配方中的成膜基料、顏料、功能填料進(jìn)行篩選，研制出反射隔熱涂層。考察了成膜物質(zhì)、功能性顏料和填料的種類、添加量對涂層隔熱性能的影響，并篩選了合適的助劑。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃微珠的添加量為13%時,隔熱效果最佳，此外，當(dāng)玻璃微珠與其他填料配合使用，能夠有效地提高涂層的反射隔熱效果。

Paul Weber[29]采用云母粉和SiO2等為載體，將100～500μm的金屬，如Au、Ag、Pt、Zn、Ni、Cu和Al等沉積在載體表面，之后再在這些金屬表面沉積10～30μm的電介質(zhì)，例如TiO2和ZnS，制備得到的此類紅外反射顏料的紅外反射比約0.75，在波長3000nm的紅外反射比峰值達(dá)1.00。文獻(xiàn)[30]報(bào)道了一種紅外反射比較高的反射型建筑節(jié)能涂層，以金屬氧化物做為紅外反射顏料，以改性聚氨酯做為成膜物質(zhì)，該涂層還具有較優(yōu)異的耐化學(xué)品特性，耐久性較好，主要性能達(dá)到美軍標(biāo)MIL-C-46186（ME）的要求。

4 結(jié)論

建筑節(jié)能隔熱涂料施工方便，性能優(yōu)異，具有巨大的發(fā)展空間。研制開發(fā)和推廣應(yīng)用具有良好節(jié)能效果的建筑節(jié)能隔熱涂料，不僅有利于提高建筑物的保溫隔熱性，改善室內(nèi)居住環(huán)境，而且可以節(jié)約能源、降低能耗，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。目前，建筑節(jié)能涂料的研究和應(yīng)用多以白色或淺色系和溶劑型涂料體系為主，開展彩色水性建筑節(jié)能涂料方面的研究在未來具有重要意義。