环保型热反射涂料的发展前景

环保型热反射涂料的发展前景

1 引言

环境与健康是21世纪人类关注的最重要主题之一。随着人们环保意识的不断提高，环保标志正成为涂料市场上最有效的“通行证”；随着世界气候变暖，气温逐年上升，建筑业、石油工业、运输业、兵器工业等迅速发展，要求使用反射绝热的新型涂料，以降低暴露在阳光辐射下装备的表面温度，阻止热传导，改善工作环境，提高安全性[1]。目前，国外在热反射涂料的理论研究方面较完善[2]，已广泛应用于各领域。例如建筑物的屋顶和玻璃幕墙用反射绝热涂料，海上钻井平台、油罐、石油管道，运输业的汽车、火车、飞机表面，造船工业的船壳、甲板；以及坦克、军舰、火箭、宇宙飞船等。硅酮树脂热反射涂料的使用可达到节约能源的效果，也可有效的保护被涂物体，而且安全无毒，对环境友好。由此可见，硅酮树脂热反射涂料具有广阔的市场前景。

2 热反射涂料的新技术

常见的隔热方法有采用隔热层、金属镀膜和热反射涂料等途径。热反射涂料有氧化铝粉反射涂料，但铝粉在太阳热波长区域内反射效率低，因为铝粉本身可传热，夏天在阳光的照射下，涂膜表面的温度可达60℃以上[3]；在相关专利技术文献报告中，中国专利公告CN1030142和CN1204672公开的白色隔热涂料配方，是以聚乙烯醇酸树脂、醇酸树脂和丙烯酸改性醇酸树脂为成膜物质，虽具有一定的隔热降温功效，但这三种树脂涂料需采用二甲苯等溶剂溶解，是环境的不友好涂料。若在物体表面镀一层SiO2/Me、SnO2／Me或ZnS/Me等金属膜[4]，其隔热效果显著，但工艺复杂，容易受到工作环境和基材的局限，进而影响其效用和耐久性。近年来广大科研工作者在环保材料方面开展了大量研究工作，硅酮树脂材料因其具有抗渗、保色、耐高温、耐久、透气、耐老化、对紫外线和大气有良好的稳定性，等特点，已引起国内外广大科研工作者的特别关注[5]，太阳热反射涂料以硅酮树脂作基料，不污染环境，是一种生态环境材料。所以这种涂料愈来愈受到重视。

2.1 原料的选择

2.1.1 基料树脂的选择

用于绝热反射涂层的树脂对可见光和近红外光的吸收越小越好，通常要求树脂的透明度高，对光热的吸收率低。基料树脂一般选择水溶性化学反应树脂，水溶性化学反应树脂有：不含尿烷键的导热系数为(17～25) ×10-4J／(cm·s·℃)、比热是0.2～0.4的硅酮树脂[5]；导热系数是(13～25)×10—4J／(cm·s·℃)、

比热是0.2～0.4的丙烯硅酮树脂；导热系数是(13～21)×10-4J／(cm·s·℃)、比热是0.2～0.3的丙烯酸树脂。总之，一般常用的涂料树脂都可以用。因此，硅酮树脂[3]、氨基甲酸乙酯树脂(尿烷树脂)、聚酯树脂、醇酸树脂、有机硅改性聚酯树脂、有机硅改性醇酸树脂、含氟树脂、丙烯酸树脂、丙烯硅酮树脂等都可用作热反射涂料的基料，只是要求树脂的透明度高，透光率在80％以上[2]、对阳光能量的吸收率低，且尽量使树脂中少含—C—O—C、>C=O、—OH等吸能基团[4]。

近年来广大科技工作者在环保材料方面开展了大量工作，因硅酮树脂涂覆材料具有优良的抗水性、耐高温性、耐潮湿性，以及对臭氧、紫外线和大气的良好稳定性，而且具有溶于水、防锈性优良、无气味、无污染、防降解等优良性能。该类树脂制作的涂料不含任何有机溶剂，对生态环境没有危害，对人类健康不产生负面影响，所以有人称该类涂料为“环境友好涂料”。该类树脂的触变性可以调节，有利于防止涂料的储存沉降，这种树脂的分子链结构中有特殊的结构单元，涂层在户外雨淋日晒的过程中，这种高分子树脂发生局部分子链断链，使涂层表面微粉化，经雨水冲刷后，又得到新鲜的涂层表面，使涂层总处于崭新状态，能保证涂层的高太阳热反射能力。

2.1.2 颜填料的选择

防锈底漆颜料的选择：一般热反射涂料选用铝粉底漆，考虑铝粉底漆的贮存稳定性不好，采用铁红、三聚磷酸铝、丹宁酸体系。

太阳光反射面漆颜料的选择：热反射涂层的主要指标——热反射率取决于颜料与树脂的折光指数以及涂层厚度。参照美国军标[2]，一般浅色涂料

的反射率标准定在75％以上，而深色涂料的反射率标准定在50％以上。目前太阳光反射涂料在国内处于研制开发阶段，没有形成批量产品[6]，因

此，查到的所有资料中显示，我国还没有建立相应的企标或国标。当树脂的折光指数以及涂层厚度一定的条件下，反射率取决于颜料的折光指数和纯度。

大家都知道太阳光线是由紫外线、可见光、近红外线组成，其能量合计是2 926kJ／m2。太阳光放射能量的分布：紫外线放射能量占总能量的

2.5％，可见光占44.3％，近红外线占53％[3]；包含紫外线、可见光、近红外线的太阳能量波长区域是(0.2—2.5)μm[3]。太阳热反射效率在波长为

(0.2～2.5)μm区域内最好，所以选择陶瓷作填料。

2.2 热反射率的影响因素

热反射率取决于颜料与树脂折光指数的比值、涂层厚度、颜料粒径、纯度以及涂料的颜料体积浓度(PVC)值。树脂的折光指数范围一般1.45～1.50[2]，其中常用的醇酸树脂和环氧树脂的折光指数接近1.48；而含氟聚合物具有相对较低的折光指数1.34～1.42。可见选择不同的有机树脂，涂层的热反射效果不会发生显著的改变。热反射的强弱主要是用物质的折光指数来表征的，折光指数越大，对阳光的反射能力越强。热反射涂料的反射率还取决于涂料中颜填料的光学属性(全反射和散射)，涂料中的颜填料主要以散射为主。颜填料的折光指数n p比树脂的折光指数n r可计算出颜填料对白光的散射能力m，即

m=n p／n r(1)

由式(1)可知，颜填料的折光指数与树脂的折光指数相差越大，对太阳光的反射能力越强。颜填料与树脂的这种折光指数的关系，与颜填料的遮

盖力有一定的关联。显然，颜填料的遮盖力越强，散射热的能力越强。二氧化钛是遮盖力最好的颜填料，对白光的散射能力值达到1.9[7]；重晶石、滑石粉等是白色颜填料，散射能力值为1.10，它们的散射光线能力弱，且不改变反射曲线的形状，但改变光线总量。因此可以将遮盖力作为选择热反射涂料用颜填料的依据。一旦颜填料选定后，颜填料的粒径对涂层的热反射性能起关键作用。

颜填料的折光指数[3]：二氧化钛为2.80；氧化锌为2.20；二氧化硅为1.54；氧化铝为1.70。

为了提高热反射效率，日本研制出了一种粒径在1／μm[3]以下的陶瓷填料(由二氧化钛、氧化锌、氧化镁、二氧化硅、氧化铝组成)，这种填料具有导热系数以及比热小的特点，将它使用于具有散热性、平滑性优良的面漆涂料树脂中；使用于粘着性优良的底漆涂料树脂中，挥发溶剂非常少，可制成不容易污染、与环境友好、保持涂膜光滑的反射涂料。这种涂料可保持涂膜表面温度与室外温度大体接近的温度，将这种遮光隔热涂料涂刷在建筑物的屋顶上、外墙表面，可防止内部温度上升，降低了空调消耗费用。另外，因为涂膜表面光滑，不容易污染，可长期维持遮光隔热的效果。再就是底漆涂料具有太阳光反射性能，又是粘着性和防水性优良的涂料，可发挥长期维持涂膜的效果，在涂料业发展前景广阔。

反射太阳热的波长在(0.2～2.5)甲的范围，反射效果最好[3]。将反射效率高的热反射陶瓷填料，通过高温烧结成粒子，在晶粒边界的界面，耐弯曲率不连续，太阳光容易错乱，所以粒径最好在1μm以下，粒径在(0.2—0.5)μm是最为理想的。因为当反射热陶瓷填料的粒径在(0.2～0.5)μm之间，就能够均匀分散于水溶性树脂内，涂刷后的涂膜面就很光滑。当反射热陶瓷填料的粒径较大时，涂膜凸凹不平，无光滑性，容易污染，导致涂膜表面温度上升，达不到降温的效果。

2.3 制备

将35份热反射陶瓷填料(成分有：二氧化钛占90％、氧化镁占5％、二氧化硅占3％、氧化铝占2％)，混合于100份硅酮树脂溶液中进行分散混合，制成分散溶液。将此溶液涂刷在厚度为0.8mm镀锌铁板(或者白铁皮)上，涂刷的涂膜厚度为70μm[3]，在常温下固化干燥1h样品就制成了。在此需要说明的是：热反射陶瓷填料与树脂的配比量是相对于100份的树脂，热反射陶瓷填料的量在20％～200％最好。当热反射陶瓷填料的量不足20％时，反射太阳热的性能差，但是，当热反射陶瓷填料的量超过200％时，涂敷时的粘着性和耐冲击性等物性欠佳。要组成这种涂料，按照需

要可使用防锈颜料、填充颜料、分散剂、粘度改良剂、表面平滑剂、沉降剂、紫外线吸收剂、分色防止剂等。作为着色剂，可任意配合各种有机以及无机系列的颜料，但基本的一条，绝不能混合有降低可见光范围内光反射率的着色剂。

3 热反射涂料的发展动态

为适应环境保护的需要，而且能保证在户外寿命过程中涂层的高热反射能力，理想的热反射涂料除了应具备折光指数大以外，还应该满足涂层有一定的厚度，而且粒径应在1μm以下[3](在0.2～0.5μm是最为理想)、纯度高、性能长期稳定、耐候性强、价格低廉、形成涂层工艺简单、对环境无污染等条件。

目前，热反射涂料一般分为底漆、中涂漆和面漆三层(即多层涂料体系的热反射涂料)。底漆以防锈为目的，需遮盖力强，中涂漆是主要的反射隔热层，传导系数小，面漆反射太阳光中的可见光和近红外光区的能量，并提供期望的颜色。隔热层的隔热效果有一定的局限，要求面漆反射绝大部分的太阳光能。但多层涂料体系的热反射涂料，在涂覆过程中很难保障面漆层的光滑度，也很难保证厚度一致，因此开发单层涂料体系(既能防锈、隔热，又有高光泽的涂料，只涂覆一层即可)的热反射涂料具有一定的经济价值。

为获得理想的热反射涂料，近年来，国外在反射功能强及无污染方面比较下功夫。热反射涂料将选择向功能化、超耐候性、与环境友好化的方向发展。

建筑涂料占涂料总产量的比重大，我国约占40％，工业发达国家占50％～60％。建筑涂料水性化的比例也高，法国、瑞士、西班牙等欧洲国家水性化比例已达70％～90％，英国为80％。高性能建筑乳胶涂料要求具有较高的强度、弹性和附着力，以及十分突出的环保性、耐沾污性、耐水性、耐酸碱性，良好的透

气性和高光泽性。热反射涂料目前已在建筑屋顶领域以及石油工业、运输业、兵器工业等其它领域应用，市场前景广阔。

4 结语

采用水溶性硅酮树脂为成膜材料，以粒径在1μm以下的陶瓷为填料制作的热反射涂料，性能稳定、光滑性好、热反射功能强、不容易污染，是与环境友好的涂料，对生态环境不造成危害，对人类健康不产生负面影响。这种涂料是具有更低热吸收率的涂层，可涂在金属、混凝土、玻璃、墙面砖、木材、泡沫塑料等表面，是一种可以广泛应用于石油、液化天然气等有机液体金属储罐、石油管道、石油运输罐、粮库、冷库、车船、工业建筑、民用建筑等表面涂装的太阳热反射涂料。所以，热反射涂料系列具有广阔的发展前景。