中國(guó)新型涂料網(wǎng)訊：
功能性顏填料在建筑熱反射隔熱涂料中的應(yīng)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）
0 引言
建筑物能耗占據(jù)了地球總能耗的約40%，其中大部分能耗是由供暖及制冷設(shè)施產(chǎn)生的。雖然有許多因素影響著室內(nèi)溫度以及由此發(fā)生的空調(diào)制冷能耗，如氣候、建筑物結(jié)構(gòu)、材料等，但建筑物屋頂和墻面承載建筑與外部環(huán)境之間超過(guò)50%的熱量傳遞，是影響室內(nèi)環(huán)境溫度的重要因素。通過(guò)阻隔屋頂及墻面與外部環(huán)境之間的熱量傳遞來(lái)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(fèi)用，該項(xiàng)技術(shù)被稱(chēng)為被動(dòng)屋頂面冷卻技術(shù)， 是全球建筑節(jié)能領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。在屋頂及外立面涂裝太陽(yáng)熱反射隔熱涂層是最常見(jiàn)以及安全可靠、切實(shí)有效的技術(shù)手段。國(guó)外已有不少研究人員試驗(yàn)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(nèi)溫度以及節(jié)約能源。
國(guó)內(nèi)目前建筑物節(jié)能主要依靠在外墻面粘貼導(dǎo)熱系數(shù)低的保溫材料來(lái)阻隔熱量傳遞， 相關(guān)技術(shù)包括聚苯板薄抹灰技術(shù)及巖棉板外保溫技術(shù)等， 這些技術(shù)可以很好實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的節(jié)能目標(biāo)， 然而也存在以下諸多問(wèn)題：（1）工序繁瑣，施工難度較大且對(duì)工人技術(shù)水平要求高；（2）施工工期長(zhǎng)，造價(jià)高；（3）因施工和配套不當(dāng)容易引起脫落及開(kāi)裂的質(zhì)量問(wèn)題；（4）材料易燃，存在火災(zāi)安全隱患。因此，研究人員致力于探索尋找其他途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能， 輕質(zhì)薄層的太陽(yáng)熱反射涂料由于其出色的熱反射能力已成為建筑涂料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，在功能材料的選擇和改性、性能測(cè)試以及配方篩選方面取得了不少研究進(jìn)展。
有研究人員質(zhì)疑單獨(dú)采用薄層熱反射涂料能否完全達(dá)到現(xiàn)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?zhàn)訉咏M合成復(fù)合涂層，有望達(dá)到更好的節(jié)能目標(biāo)。未來(lái)，政府對(duì)建筑的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)定會(huì)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(yè)建筑能耗減少20%（和1995 年相比）, 到2050 年減少50%。Ali Joudi 等通過(guò)實(shí)地涂裝考察試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外墻涂裝熱反射涂料能夠節(jié)省建筑制冷費(fèi)用，但會(huì)損耗內(nèi)部熱能，內(nèi)墻涂裝熱反射涂料能節(jié)省建筑采暖費(fèi)用， 但對(duì)制冷費(fèi)用沒(méi)有作用， 由此建議寒冷地區(qū)采用內(nèi)墻熱反射涂料，夏熱冬暖地區(qū)采用外墻熱反射涂料，夏熱冬冷地區(qū)同時(shí)采用內(nèi)外墻熱反射涂料， 針對(duì)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)巧妙設(shè)計(jì)不同的組合方案， 可以更充分發(fā)揮熱反射涂料的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。中國(guó)地域?qū)拸V，從北到南不同區(qū)域氣候類(lèi)型各不相同， 以往建筑熱反射涂料產(chǎn)品只是面向南方夏熱冬暖地區(qū)及夏熱冬冷地區(qū)進(jìn)行開(kāi)發(fā)， 若針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)開(kāi)發(fā)內(nèi)墻熱反射涂料， 則可以大大拓寬產(chǎn)品應(yīng)用范圍及思路，使其在建筑領(lǐng)域得到更多應(yīng)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(guò)其功能性顏填料所具備的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)， 將太陽(yáng)熱量通過(guò)反射及輻射發(fā)射到外部空間，從而降低被照射物體溫度，保護(hù)其不受高溫破壞[7]。功能性顏填料的選擇和應(yīng)用是熱反射涂料研究的關(guān)鍵技術(shù)， 本文總結(jié)了幾種較新型熱反射功能性顏填料的特點(diǎn)和應(yīng)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。
1 復(fù)合無(wú)機(jī)顏料
最佳的太陽(yáng)熱反射隔熱涂層需滿(mǎn)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(fā)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(biāo)，關(guān)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(tǒng)建筑熱反射涂料多為白色， 因?yàn)榘咨伆追垲伭蠒?huì)反射大部分可見(jiàn)光及紅外光能量，從而達(dá)到較高的太陽(yáng)光反射率。但白色涂層存在耐沾污性差、炫目刺眼、色調(diào)單一的缺點(diǎn)，建筑物外墻面需要更豐富的色彩。通過(guò)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(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)復(fù)合無(wú)機(jī)顏料都具備較高的太陽(yáng)反射率TSR（Total Solar Reflectance）數(shù)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(dāng)高的太陽(yáng)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(fù)合無(wú)機(jī)顏料CICP/MMO（Complex Inorganic ColorPigment/Mix Metal Oxide Pigments） 大多數(shù)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(jīng)過(guò)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(wěn)定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)如紡錘形或金紅石型之類(lèi)。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(lèi)顏料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及含有的過(guò)渡金屬使得其在紅外區(qū)域有較強(qiáng)的反射能力。
具有熱反射功能的彩色復(fù)合無(wú)機(jī)顏料在可見(jiàn)光區(qū)域反射其本色波長(zhǎng)的熱量，而吸收其余波長(zhǎng)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(nèi)的反射率明顯高于普通彩色顏料， 而且該類(lèi)顏料具有優(yōu)異的戶(hù)外耐光耐候性， 適合用于建筑外表面的涂裝，能夠制備出優(yōu)質(zhì)的熱反射功能涂料。
目前在中國(guó)，供應(yīng)復(fù)合無(wú)機(jī)顏料的除了國(guó)外公司，如美國(guó)福祿(Ferro)公司、美國(guó)薛特顏料(Shepherd)公司、德國(guó)巴斯夫(BASF)公司等外，也有不少?lài)?guó)內(nèi)企業(yè)擁有此類(lèi)產(chǎn)品，如湖南巨發(fā)顏料、廣東華山、湖南科勒顏料、南京培蒙特等公司。復(fù)合無(wú)機(jī)顏料相比其他無(wú)機(jī)顏料價(jià)格較高，這是阻礙其大范圍推廣應(yīng)用的主要原因，在選擇該類(lèi)顏料時(shí)應(yīng)對(duì)顏料的添加方式及實(shí)際效果進(jìn)行仔細(xì)考察。
孫順杰等研究了彩色熱反射涂料制備中原材料對(duì)性能的影響， 主要是冷顏料和其他填料及樹(shù)脂的影響。研究發(fā)現(xiàn)，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(yáng)光反射比為0.092，而相同顏色的熱反射涂料太陽(yáng)光反射比為0.297， 兩者1 h、1.5 h 隔熱溫差達(dá)到8.5 ℃和8.7 ℃。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)基材和涂膜厚度對(duì)熱反射率也有一定影響。
曹延鑫等人對(duì)不同色系的復(fù)合無(wú)機(jī)顏料對(duì)彩色反射隔熱涂料隔熱性能的影響進(jìn)行了考察，并與同色系普通隔熱涂料進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)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(shí)際應(yīng)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(jìn)行復(fù)配調(diào)色， 對(duì)于彩色熱反射涂料的調(diào)色則應(yīng)該小心對(duì)待， 因?yàn)椴煌睦漕伭蠒?huì)在不同的區(qū)域吸收， 當(dāng)兩種反射區(qū)域不同的顏料混在一起時(shí)可能會(huì)造成反射區(qū)域互相加和，起到了反作用，得到比單獨(dú)使用兩種顏料時(shí)更低的反射率。劉成樓等人采用不同顏色的顏料復(fù)配，調(diào)制深色熱反射隔熱涂料，考察了不同顏料復(fù)配對(duì)涂料反射率的影響。另外，復(fù)合無(wú)機(jī)顏料要求在700～1 100 nm 的近紅外區(qū)域能最大限度地反射太陽(yáng)光能量， 顏料粒徑應(yīng)該在0.35～0.55 μm 范圍內(nèi)，因此顏料在使用過(guò)程中應(yīng)避免過(guò)分研磨，過(guò)度的研磨將打碎粒子，影響顏料的顏色和紅外反射率。
2 空心微珠
空心微珠是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型隔熱填料，具有中空輕質(zhì)的特點(diǎn)，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(shù)脂的用量。更重要的是空心微珠具有相互獨(dú)立的中空微觀結(jié)構(gòu)，折光指數(shù)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(jiàn)填料，通常有玻璃空心微珠和陶瓷空心微珠兩種材質(zhì)。已經(jīng)有不少試驗(yàn)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(fā)射率均達(dá)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(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)功能填料陶瓷空心微珠在涂料中的加量從2%提高到15%時(shí)， 涂料的太陽(yáng)熱反射率可以由25%提高到52%。使用此類(lèi)填料應(yīng)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(fù)配使用。
隨著研究的深入漸漸發(fā)現(xiàn)，空心微珠存在以下無(wú)法回避的問(wèn)題：(1)空心微珠的粒徑一般較大，在那些對(duì)涂料細(xì)度要求嚴(yán)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(jié)構(gòu)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(guān)之外，還與熱導(dǎo)系數(shù)直接相關(guān)，一般需要厚涂，使用成本高，表面平整度差，抗污能力差，導(dǎo)致了在使用過(guò)程中發(fā)射率和反射率的下降， 進(jìn)而影響隔熱性能；(4)空心微珠由于質(zhì)輕，在涂料貯存過(guò)程中容易出現(xiàn)向上漂浮聚集現(xiàn)象以及施工流平性差的問(wèn)題。有不少研究人員對(duì)空心微珠進(jìn)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(jié)果。
朱明等采用化學(xué)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(fù)合填料。經(jīng)光譜分析表明該復(fù)合粉體對(duì)可見(jiàn)光和近紅外波段的太陽(yáng)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(biāo)優(yōu)于空心玻璃微珠及國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。
曾國(guó)勛等采用水漿混合燒結(jié)法將空心玻璃微珠與SnO2、Sb2O3 微納粉水漿混合并在530 ℃燒結(jié)， 制備出了核殼型結(jié)構(gòu)的氧化錫銻（ATO）/空心玻璃微珠復(fù)合材料，由此制備的有機(jī)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(guò)90％， 預(yù)示該復(fù)合材料有較高的紅外輻射率，可作為一種彩色冷顏料。
3 納米功能材料
近年來(lái)大量的納米材料被用于隔熱保溫涂料的開(kāi)發(fā)，與傳統(tǒng)的隔熱填料相比，納米材料加入涂料中除可對(duì)涂膜性能進(jìn)行改善外，還可賦予涂膜特殊的性能[20]。其中最早應(yīng)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(jiàn)光透過(guò)率達(dá)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(yuǎn)紅外陶瓷粉配合制備了環(huán)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(yīng)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(fù)合隔熱涂料， 確定涂層全波段太陽(yáng)熱反射比為86％，輻射率為0.86。
孫仕梅等通過(guò)加入納米氧化硅濃縮漿制備了一種納米水性太陽(yáng)能熱反射涂料， 并考察了顏填料對(duì)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(guò)界面相互作用而產(chǎn)生團(tuán)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(yīng)用。研究人員嘗試改性納米粒子來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題， 其中改性方法主要分為有機(jī)改性和無(wú)機(jī)改性?xún)煞N。有機(jī)改性是將納米粒子與有機(jī)樹(shù)脂進(jìn)行原位聚合、共混，通過(guò)化學(xué)鍵連接實(shí)現(xiàn)這兩種材料納米級(jí)別的復(fù)合。如王有軒等通過(guò)原位聚合法和共混法分別制備了摻銻二氧化錫(ATO)/聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、硼酸釤(SmB03)/PET、ATO/氟碳樹(shù)脂、氮化鈦(TIN)/氟碳樹(shù)脂復(fù)合涂料，可以很好地解決了納米材料在樹(shù)脂中的分散問(wèn)題， 并對(duì)其光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征和研究。
無(wú)機(jī)改性方面，有研究嘗試以無(wú)機(jī)填料做載體復(fù)合納米粒子。如蔡偉煒將納米二氧化鈦與無(wú)機(jī)纖維素復(fù)合、納米氧化鋅與云母粉進(jìn)行復(fù)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(shí)又保持了無(wú)機(jī)填料的熱穩(wěn)定性和耐高溫性， 可以作為新型的熱反射功能材料。
4 紅外輻射粉體
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(lái)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(dá)到散熱節(jié)能的目的。
涂層的熱輻射能力采用半球發(fā)射率進(jìn)行考察。半球發(fā)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(fā)射率也是熱反射涂料研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類(lèi)、表面溫度和表面狀況，說(shuō)明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。一般認(rèn)為非金屬材料比金屬材料有較高的發(fā)射率， 粗糙表面比光滑表面有較高的發(fā)射率。
具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射性能的陶瓷粉是有效的高發(fā)射率填料，一般稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外陶瓷粉，是一種將所吸收的太陽(yáng)能以長(zhǎng)波的形式發(fā)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(jīng)高溫?zé)Y(jié)、粉碎后研磨成的陶瓷粉，可大大提高對(duì)太陽(yáng)熱的反射率和發(fā)射率。李建濤，蔡會(huì)武[30]采用過(guò)渡區(qū)金屬氧化物摻雜、高溫固相燒結(jié)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(nèi)發(fā)射率大于78%的外墻節(jié)能涂料。
5 氣凝膠
SiO2 氣凝膠是一種納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料， 是由二氧化硅單元簇?fù)碓谝黄鸾M成的低密度多孔材料，其孔隙率高達(dá)95％，孔徑分布在2～50 nm，能有效地限制氣體分子的運(yùn)動(dòng)并增加固相傳熱通路， 使熱傳導(dǎo)的固態(tài)傳導(dǎo)和氣態(tài)傳導(dǎo)分量極低，是目前導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)能效果。
許多研究者正在努力將氣凝膠新型材料應(yīng)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(shù)脂為成膜劑，制備透明隔熱涂料，性能測(cè)試結(jié)果表明涂料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和隔熱性能。王慧制備了SiO2 氣凝膠/苯丙原位復(fù)合乳液，并對(duì)不同SiO2氣凝膠含量的隔熱涂料的隔熱效果進(jìn)行了檢測(cè)， 結(jié)果表明，SiO2 氣凝膠含量為4%時(shí)隔熱效果最好， 實(shí)際隔熱效果模擬實(shí)驗(yàn)顯示， 樣品與空白玻璃的底板溫差達(dá)10 ℃以上，具有良好的隔熱效果。
氣凝膠作為一種剛剛進(jìn)入大眾市場(chǎng)的新型材料，憑借優(yōu)異的保溫性能正引起越來(lái)越多研究人員的重視。由于其獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)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(xiàng)、實(shí)際效果等問(wèn)題還需要深入研究， 將成為以后研究的重要努力方向。
6 結(jié)語(yǔ)
未來(lái)隨著全球變暖、環(huán)境惡化以及社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高， 政府與民眾對(duì)建筑節(jié)能的目標(biāo)要求定會(huì)日益提高， 選擇水性熱反射外墻涂料來(lái)涂裝保護(hù)建筑物使之節(jié)能舒適將成為必然趨勢(shì)。本文介紹的功能性顏填料有些已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)形成了穩(wěn)定產(chǎn)品， 有些還停留在實(shí)驗(yàn)室摸索試制階段，市場(chǎng)上找不到成熟產(chǎn)品，給熱反射涂料的性能提高帶來(lái)了困難。但隨著研究的深入，性能更優(yōu)異的熱反射功能顏填料定會(huì)逐漸涌入市場(chǎng)，進(jìn)一步提高熱反射涂料的性能， 預(yù)期建筑熱反射隔熱涂料將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。
