红外热反射涂层的研究进展

2006年第25卷第2期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·167·化工进展红外热反射涂层的研究进展闫长海，陈贵清，孟松鹤，杜善义（哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨 150080）摘要：综述了红外热反射涂料的研究进展，分别介绍了喷涂红外热反射涂层及溶胶凝胶红外热反射涂层的特点及应用。

重点阐述了纳米TiO2–SiO2复合红外热反射涂层对纤维隔热材料的改进。

关键词：红外热反射涂层；散射率；涂料；溶胶–凝胶中图分类号：TQ 63；V 258 文献标识码：A 文章编号：1000–6613(2006)02–0167–04Research progress of infrared thermal reflective coatingYAN Changhai，CHEN Guiqing，MENG Songhe，DU Shanyi（Center for Composite Materials，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080）Abstract：The thermal insulation and protection principles of infrared thermal reflective coating and its research progress are reviewed. Nano-ceramic hollow bead application on infrared thermal reflective coatings is mainly introduced. Fabricating the composite infrared thermal reflective coating by means of the sol-gel method is presented and the improvement of the thermal insulating performance of fibrous thermal insulation by nano-composite infrared thermal reflective coating is introduced.Key words：infrared thermal reflective coating；refractive index；coatings；sol－gel由热辐射引起建筑物、工业设备、仪器设备等表面温度过高会给工业生产和人们的日常生活带来诸多问题和不便。

为了减小热辐射给人们的生产和生活带来的不便和危害，人们设计出多种防护热辐射的方法，其中红外热反射涂层就是其中常用的一种方法，所谓红外热反射涂层是指涂覆于物体表面，对辐射中的红外波段（0.76～1 000 µm）具有高反射比，从而抑制涂层表面温度上升并同时降低覆盖物内部温度，从而起到节能和隔热作用的涂层[1]。

一般工程中遇到的最高温度在2 000 K以下，可见光能量所占的比例小于1.5%，所以工程中遇到的热辐射，基本都在红外线热辐射范围[2]，从太阳的辐射光谱分布可知，红外线热辐射占太阳总辐射能量的53%[3]。

所以抑制了红外线热辐射，就可以隔绝大部分热辐射的能量。

红外热反射涂层根据涂覆方法的不同可以分为喷涂红外热反射涂层、溶胶凝胶（sol–gel）红外热反射涂层。

其中喷涂红外热反射涂层还包括目前还在使用的直接采用刷子进行涂刷的红外热反射涂层。

下面分别介绍这两种方法制成的红外热反射涂层的应用和涂层的特点。

1 喷涂红外热反射涂层喷涂红外热反射涂层是目前应用量最大的红外热反射涂层，这种涂层采用喷涂或是涂刷的方法把红外热反射涂层涂覆到结构表面，喷涂红外热反射涂层由于操作简便而且有效的技术特点而被广泛用于建筑、石油、运输、造船、军工、航天等行业[1]。

喷涂红外热反射涂层的发展主要是红外热反射涂料的研制和改进。

红外热反射涂料主要由基料、颜料、功能填料和助剂4种材料组成[4]。

1.1 基料衡量红外热反射涂层反射红外线的能力用散射率来表示[5]，散射率越高，反射红外线的能力越强，散射率m定义如下：m = n P/n R（1）收稿日期 2005–10–11；修改稿日期2005–11–03。

基金项目国家自然科学基金项目（No.90405016；No.90205034）。

第一作者简介闫长海（1972—），男，博士研究生。

联系人孟松鹤，教授，博士生导师。

电话 0451–86417560；E–mail mengsh@ 。

化 工 进 展 2006年第25卷·168·式中，n P 为颜料的折射系数；n R 为基料的折射系数。

由式（1）可知，要得到高散射率，必须采用折射系数高的颜料和折射系数低的基料。

用于红外热反射涂层的基料主要由有机树脂组成，目前常用的树脂有：丙烯酸树脂、醇酸树脂、含氟树脂、环氧树脂、氯化橡胶、聚乙烯聚、丙烯树脂、聚氨酯树脂、高氯化聚乙烯树脂、有机硅改性聚酯树脂、有机硅改性醇酸树脂等。

经过改性的树脂往往具有两种树脂的优点，从而克服了单一树脂的缺点[1]。

这些有机树脂的折射系数为1.45～1.50，其中聚氨酯树脂反射率最低，高氯化聚乙烯树脂反射率最高，这可能与分子结构的规整性及活性基团的种类和数量有关。

HCPE 结构规整、无活性基团，故折射率高；而醇酸、聚氨酯因含有大量活性基团，因而反射率低[6]。

中山大学的涂料专利[7]采用丙烯酸树脂、醇酸树脂、氯化橡胶树脂、环氧树脂和HCPE 等为基料，得到红外热反射涂层能在(V 1-x M x )O 2相变温度T c 以上全波段反射红外光，因而红外热反射效率更高，降温效果更好；能在T c 以下全波段透过红外光，红外光透过效率高，保温效率好，从而实现智能控温。

作为基料的树脂要求透明度高，透光率在80%以上，红外线的吸收率低，有些基团 吸热，故在设计合成树脂时，尽量使树脂中少含 C —O —C 、C ＝O 、—OH 等基团[8]。

1.2 颜料通过式（1）可知红外热反射涂层的散射率和颜料的折射系数成正比，所以颜料的折射系数越大，红外热反射涂层的散射率越高，因此在选择颜料过程中应把颜料的折射系数作为一个很重要的指标。

颜料还有很重要的指标就是发射率，表示涂层向外辐射能量的能力，它的值越大，涂层向外辐射能量的能力越强。

颜料的颗粒直径对颜料的发射率起关键作用。

实验表明颜料的平均直径越小，涂层的发射率就越大[9]，涂层的散射率也越大[10]。

随着纳米科技的发展，纳米材料被应用在颜料以提高涂层的发射系数和散射系数。

Bisht [11]和Ishihara [12]对利用纳米氧化锡锑（ATO ） 制备红外热反射涂层进行了研究。

赵石林[13]在他们的基础上利用纳米氧化锡锑（ATO ）以水性聚氨酯为成膜物制备出红外热反射涂层，经光谱分析证实其在可见光区平均透过率可达75%，在红外区阻隔率达到73%。

1.3 功能填料所谓功能填料就是为了使涂层具有某些特殊性能而向涂料中添加的一些特殊材料。

向红外热反射涂层内添加的功能填料主要是为了提高涂层的散射率和提高其隔热性能。

目前最新发展的是纳米陶瓷中空珠[4,14]，它主要是利用球形中空材料在涂层中形成的真空腔体层，形成了有效的热屏障，不仅自身热阻大，导热系数低，而且发射率也高。

这种纳米陶瓷中空珠是美国20世纪90年代为解决航天器的传热控制问题而开发出的一种太空绝热陶瓷[14]。

由于纳米陶瓷中空珠的优异性能，对它进行研究、应用与改进的文章与专利也较多。

吕艺[15]的一种隔热防晒涂料及其制备方法专利采用了1%～30%（1～400 µm ）空心陶瓷微粒制成的红外热反射涂层，其热反射率大于89%。

上海德卡精细化工有限公司[16]的一种太阳热反射隔热涂料专利采用了热塑性丙烯酸成膜树脂及空心陶瓷、空心无机纤维、工程纤维素等隔热填料，该涂料具有对可见太阳光和近红外太阳光的高反射率，在500～2 000 nm 范围内反射率大于85%。

马承银[17]的反射太阳热射线的隔热涂料专利采用反射热射线特性材料、中空微珠及疏松多孔的隔热材料制成的涂料。

其涂层对热辐射总反射率可大于90%。

王金台[4]对纳米陶瓷中空珠进行了研究，发现随着纳米陶瓷中空珠的增加，涂料的反射率也随着增加。

同时涂料的黏度变化也比较大，黏度太高会影响涂料的施工性，故纳米陶瓷中空珠的比例在4.15%～6.10%较为适宜。

纳米陶瓷中空珠的直径分布对涂料体系的隔热效果及涂膜性能有一定的影响，直径大反光隔热效果好，但涂膜表面粗糙、空隙较多，耐沾污性差;直径小涂膜表面光滑平整，耐沾污性好，但反光隔热效果不好。

试验确定较好的纳米陶瓷中空珠直径分布为：过500目筛占60%，过270目筛占20%，过80目筛占20%。

1.4 助剂助剂作为涂料原材料的一部分，它的用量虽然很少，但它既可以避免产生许多漆膜缺陷和弊病，又可以使操作人员很方便地控制施工，是在涂料的生产和施工中必不可少的成分。

红外热反射涂料的助剂主要包括：成膜助剂、分散剂、润滑剂、消泡剂、增稠流变剂等多种助剂类型。

除了选择正确的助剂之外，还需对助剂配方用量和添加顺序进行研究选择，保证涂料的体系的匹配和施工的稳定性。

2 溶胶凝胶红外热反射涂层溶胶–凝胶法[18]制备涂层的基本原理是以金属醇盐为前体，溶于溶剂中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生醇解反应，反应产物聚集成数纳米左右第2期 闫长海等：红外热反射涂层的研究进展 ·169·的粒子并形成溶液。

再以溶胶为原料对基材进行涂膜处理，溶胶膜经溶胶化及干燥处理后，得到干凝胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的涂层。

溶胶是指在液体介质中分散了1～100 nm 粒子（基本单元）的体系； 凝胶是含有亚微米孔和聚合链的相互连接的坚实的网络[19]。

2.1 溶胶凝胶红外热反射涂层的特点和喷涂红外热反射涂层相比，溶胶凝胶红外热反射涂层，涂层的厚度可以更薄，可以制备出纳米级的涂层，而且制备出的涂层的一致性和表面状况也高于喷涂红外热反射涂层。

溶胶凝胶红外热反射涂层可以制备出复合涂层，这种复合涂层可以提供更高散射率[20]。

所谓复合涂层是由高低折射系数不同的涂层组成的。

与基底接触的涂层是高折射系数的涂层，堆积的涂层的顺序为HLHLHL …直至z 层（H 代表高折射系数的涂层，L 代表低折射系数的涂层）。

式（2）给出了这种复合涂层计算散射率的公式：21111z z HL z z H Ln n n n ρ+−+−−=+⎡⎤⎢⎥⎣⎦ （2） 式中，n H 、n L 分别是高折射系数涂层折射系数、低折射系数涂层的折射系数。