太阳热反射隔热涂层及其发展趋势

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表 # 若干典型填料的折光指数和 !& 填料 折光指数 ! 8 K "( L3E%Байду номын сангаасL3E% @ 金红石型 A @ 锐钛矿型 A %$ GC :$ &< %$ <% :$ &< O0E %$ %& :$ >& P*%E: +$ GC I$ :& H3E% +$ >C I$ I& !"%E: %$ :& :$ +&
从表 : 可以看出, 金红石型 L3E% 是目前已知功能 填料中折光指数最高的白色填料; 从表 > 可以看出, 金 红石型 L3E% 对近红外反射比是隔热涂料常用的功能 填料中最高的。张雯华等 9 %% ; 考查不同功能填料对太阳
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结构中因含有大量的活性吸热基团所以 ! 较高。
表 % 几种反射涂层的太阳热吸收率 涂 层 ! &$ +’ &$ %% &$ %> 涂 层 ! &$ %< &$ %C 有机硅 N 丙烯酸树脂 有机硅 N 醇酸树脂 丙烯酸树脂 环氧树脂 聚氨酯树脂
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功能填料的种类 功能填料是太阳热反射隔热涂层中最重要的组
分。它的主要作用是反射太阳近红外辐射, 减少热量的 吸收。太阳热反射隔热涂层所选择的功能填料要求对 太阳热辐射具有高反射、 低吸收的性质。入射光的波长 与物体电子能带带隙间的关系为:波长 " J + %>& K 带 隙 @ "( A ,故禁带宽度 ! 8 为 &$ < B +$ I "( 的物体吸收 近 红 外 辐 射 ; !8 为 +$ I B :$ + "( 的 物 体 吸 收 可 见 光。 因此 ? 要避免物体对可见光及近红外光的吸收,
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引言
人不加保护地在太阳光下呆太久会被灼伤,汽车
因而被广泛应用于建筑、 石油、 运输、 造船、 目的 Q ? A ’ R , 军工、 航天等行业 Q +& R 。-3G72"* V/2H" 等 Q ++ R 制得了由厚 度为 ?; W +%? !J 的聚氯乙烯背衬层、厚度为 %% W :D !J 的高温下部分与其发生交联的聚氟乙烯中间层、 干膜厚为 % W %D !J 的热反射涂料组成的一种能广泛 应用在由木材、 金属、 橡胶、 塑料、 锦纶、 玻璃纤维或聚 苯乙烯制得的一系列不同的剖面和任何其它人造基质 (如用作建筑构配件或汽车零部件的基质) 上的太阳热 反射隔热涂层。根据被涂覆的基质及使用方式的不 同, 太阳热反射隔热涂层可以分为 % 种: "涂覆在硬质 材料上, 直接降低物体表面和内部环境温度的涂层, 如 金属油罐、 汽车外壳、 飞机外壳、 建筑墙体等; #涂覆在 软质材料上,间接降低物体表面和内部环境温度的涂 层, 如织物等。涂覆的基质不同, 影响它们隔热性能的 主要因素也有所差别。本文综合分析了影响这两类涂 层隔热性能的主要因素。
热反射隔热涂料涂覆在基材表面上而起隔热作用的, 较少考虑基材对隔热性能的影响,因此影响这类涂层 隔热性能的主要因素有树脂和功能填料的种类、粒径 一般 分布、 用量及涂层厚度。对于软质基 @ 如织物等 A , 是将太阳热反射隔热涂料涂覆在织物上,然后再用这 种涂层织物制成各种篷布或篷盖覆盖在物体表面上起 隔热作用,所以影响其隔热性能的主要因素除包含以 上几种外, 基布的影响也是必须考虑的。 #$ ! 树脂 树脂是涂料中必不可少的组分,它起着将功能粒 子与基质连结起来的作用。功能粒子一般都是先被均
#
影响隔热性能的主要因素
对于硬质基 @ 如金属、 墙体等 A , 一般是直接将太阳
选用的功能填料的 !8 应该大于 :$ + "(,或者小于 若干典型功能填料的折光指数和禁带宽度 &$ < "( 9 +’ ; 。 !8 见表 : 9 %& ; 。几种白色粉末对近红外辐射的反射比 见表 > 9 %+ ; 。
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特种功能型涂料
太阳热反射隔热涂层及其发展趋势
王科林,徐 娜
9 天津工业大学纺织学院, 天津 :&&+;& < 摘 要:介绍了太阳热反射隔热涂层应用的意义和隔热机理, 分析了影响其隔热性能的主要因素。 综述了目 前国内外最新的一些研究成果和发展趋势。 关键词:热反射;隔热涂层;近红外辐射;反射率 中图分类号:=>;:? 文献标识码:@ 文章编号:+&&? A ’BCD 9 %&&’ < &% A &&+D A &B
里的座位和方向盘在阳光直射下会被晒得滚烫,这些 可解释为太阳能的强大 Q + R 。太阳以电磁波的形式不断 向外辐射能量,辐射到地球表面上的太阳能量大约是 由于热量的积 每秒 ?B& S T J%。受太阳光照射的物体, 累会使其表面温度和内部环境温度不断升高 Q % R 。例如 储油罐、 油罐运输车、 建筑物、 临时厂房、 活动房、 工业 设备、 仪器设备、 汽车等在太阳光的持续照射下, 其表 面温度和内部环境温度都会出现不同程度的升高,这 不仅给人们的生产和生活带来极大的不便和危害,同 时还缩短了它们的使用寿命
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红外光就可以使太阳照射下的物体变得凉爽,降低空 调制冷的费用。但在设计时由于受外观的限制,不可 能使整个可见光反射光谱曲线的反射比同时达到最 大,所以通过使可见光的反射比最大化来降低太阳辐 照下物体的温度不是行之有效的途径。但是在不影响 外观的情况下,通过使近红外反射比最大化可明显地 降低太阳辐照下物体的温度 绝大部分热辐射的能量
Q: A CR
。建筑屋顶和外墙表
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面温度升高会引起周围环境和室内的温度过高
,降
低生活环境的舒适度,增加空调和风扇的制冷用电 量。每年夏季空调、 风扇等降温设备所消耗的能量, 占 造成了极大浪费。随着国民经 每年能源消耗的 %&U , 济的高速发展, 能源危机在我国显得尤为突出 。 在当
Q;R
;
隔热机理
9 +> ; 9 +: ;
匀地分散在树脂中,然后再被涂覆到基质上的。树脂 对于功能粒子来说就是起着一个载体的作用。工业常 用的耐候性好的外用防腐涂料的树脂有氯磺化聚乙烯 树脂、 氯化橡胶树脂、 高氯化聚乙烯树脂、 丙烯酸树脂、 聚氨酯树脂、聚偏氟乙烯树脂、有机硅改性丙烯酸树 脂、 有机硅改性醇酸树脂等
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热反射隔热涂层隔热性能的影响。 选用金红石型 @3A% 、 超细硅灰石、 云母粉、 超细硅酸铝、 滑石粉、 重质碳酸钙 和轻质碳酸钙等作为功能填料分别进行试验。结果表 明,从填料对红外光的反射效果来看,反射好坏顺序 是: @3A% B 轻质碳酸钙 B 重质碳酸钙 B 滑石粉 B 超 从填料对红外光的反射和隔热 细硅酸铝 B 云母精粉; 效果来看,性能好坏顺序是:@3A% B 轻质碳酸钙 B 重 质碳酸钙、 滑石粉 B 超细硅酸铝 B 云母精粉。不管是 反射效果还是反射 ? 隔热效果,@3A% 都是最好的。因 此, 金红石型 @3A% 是太阳热反射隔热涂层中首选的功 能填料。
表 % 几种白色粉末材料对近红外辐射的反射率 材料 反射率 ; O 材料 反射率 ; O @3A% @3A% < 金红石型 > < 锐钛矿型 > M& H’ P0A FJ Q2RAF D% N2NAD FM R0AD J’
阳热反射隔热涂层中较少使用纳米 @3A% ,一般都是选 用微米或亚微米 @3A% 。 #$ % 功能填料的用量 在涂料配方设计中,最重要的因素之一就是选择 成膜基料与功能填料的比例。功能填料的用量直接关 系到太阳热反射隔热涂层隔热性能的优劣。在低用量 下,功能填料粒子分散在基料聚合物的连续相里
C %J E

一般是随着功能填料的增加,涂层的隔热性能增加。 这可能是因为随着功能填料的增加,涂层中填料的相 对密度增大, 起反射作用的填料粒子数增多, 故反射率 呈上升趋势; 但当用量达到一定极限值后, 继续增加功 能填料的用量, 涂层的隔热性能不增反降, 并且涂料的 流动性急剧下降,给施工造成很大的不便。这是因为 功能填料用量达到该极限值后, 继续增加填料的用量, 基料聚合物不能将填料粒子之间的空隙完全充满,由 于粒子的聚集,使散射的比表面积减少,散射效率降 低,故反射率下降。因此,考虑对涂层隔热效果的影 响,功能填料的用量存在一个最佳值。在实际配制隔 热涂料时应该以这一最佳值为界限, 不应超过这一值。 对应于不同的成膜基料或者同一成膜基料不同的功能 填料, 功能填料最佳用量不具有某一确定的值 C%L E 。 许新等 C %D E 以氯化橡胶类树脂为成膜物、 @3A% 为功 能填料制得太阳热反射涂层。结果表明, 随着 @3A% 的 颜料体积分数 < 1(N > 的增加, 白色涂层的反射率 & 上 升, 当 1(N 为 +JO 时达最高值, 之后又随着 1(N 的增 蔡会武等 C %H E 以丙烯酸乳 加白色涂层的反射率 & 下降。 液为成膜物, 在空心玻璃微珠、 海泡石、 硅酸铝百分含 量分别为 %JO 、MO 、JO 的条件下,仅改变 @3A% 的用 量,考察 @3A% 用量的变化对涂层反射率的影响,膜厚 随着 @3A% 用量的增加, 白色涂 为 +&& %K。结果表明, 层的反射率上升,用量为 +JO 时达到最高值,之后随 着用量的增加反射率反而下降。 分别以空心 彭红等 C %M E 以丙烯酸乳液为成膜基料, 玻璃微珠、 陶瓷微珠、 漂珠和水性铝银浆为功能填料, 考察了每个功能填料单独使用时,其掺量对外墙涂料 隔热性能的影响。结果表明,空心玻璃微珠、陶瓷微 珠、漂珠和水性铝银浆的掺量分别为 F$ JO 、+F$ &O 、 +&$ &O 和 +’$ &O 时,涂层的平衡温度达到最小值,此 时涂层的隔热效果最好。 #$ & 涂层厚度 在制备太阳热反射隔热涂层时,涂层厚度是必须 考虑的一个因素。在保证涂层隔热性能的前提下又要 使加工成本最低。一般来讲,涂层的隔热性能起初是 随着涂层厚度的增加而提高的,但当涂层厚度增加到 某一值后, 继续增加涂层厚度, 涂层的隔热性能不再继
9 +< ;
。尽管对于合成树脂来
。近红外热辐射占太阳
说,折光指数一般为 +$ >< B +$ <&? 不同的树脂对涂料 但在实际 的太阳热反射隔热效果没有太大的影响 9 +C ; , 应用过程中,选择树脂时应当考虑选用结构中少含 D — E— D 、 D E、 E— F 等吸热基团的树脂。表 % 9 +G ; 所 列是以二氧化钛为填料,几种不同树脂涂层对太阳光 的热吸收率 @ ! A 。其中经有机硅改性后的丙烯酸树脂 和醇酸树脂因分子主链含有的 D — E — D 吸热基团部 分被有机硅树脂主链中的 H3—E 所替代,降低了其对 太阳热的吸收, 所以它的 ! 较低
#$%&’ ( )*+%*,-./* 0*&- ( 1234%&-.25 6$&-.25 &27 1-3 8*/*%$9:*2!"#$ %& ’ ()*+ ,- #. !"#$%&’$E =7" 2FF*3G243)0 63803H3G20G" 20. 7"24 A 306I*24308 J"G72036J )H 47" 6)*2/ A /"H*"G43K" 7"24 A 306I*24308 G)243086 2/" 304/).IG".$ =7" "HH"G46 )H 47" J230 H2G4)/6 )0 47" 7"24 306I*243)0 47"/")H 2/" 2020*LM".$ N46 *24"64 /"6"2/G7 F/)8/"66 20. 47" ."K"*)FJ"04 4/"0. 7)J" 20. 2#/)2. 2/" )K"/K3"O".$ ()* +,%-#E 47"/J2* /"H*"G43)0P 7"24 306I*243)0 G)243086P 0"2/ 30H/2/". /2.3243)0P /"H*"G43K34L
太阳光热辐射按波长不同可划分为 : 个部分。各
今倡导节能降耗减排的新形式下,节约能源显得尤为 重要 P 所以开发一种不需要消耗能源就能显著降低被 覆盖物体表面温度和内部环境温度的涂层显得至关重 要。太阳热反射隔热涂层是一种新型的功能型涂层。 它能从源头上阻止热量的传递,有效地降低涂层表面 和内部环境温度, 从而达到改善工作环境, 降低能耗的
部分在总能量中所占的比例是不同的 P 见表 +。 太阳光热能主要集中在波长为 C&& W % B&& 0J 的 可见光区和近红外光区; 在波长为 B&& 0J 时, 太阳光 热辐射最强 Q +% R 。从表 + 可以看出, 可见光和近红外光 所以隔绝了可见光和近 辐射占太阳光总能量的 ’BU ,
!"
9 +I ;
总辐射的 <&= ,所以抑制了近红外热辐射,就可以隔 。
表 ! 不同波段所占太阳总能量的比例 光 区 紫外光 可见光 近红外光 波长 K 0M %&& B >&& >&& B G%& G%& B % <&& 占总能量的比例 K = < >< <&
; 聚氨酯树脂分子
太阳热反射隔热涂层是一种对近红外辐射具有显 著反射作用的功能型涂层 ? 这种涂层一般是将对近红 刷涂、 喷 外辐射具有反射功能作用的粒子 ? 通过辊涂、 涂或刮涂的方法 9 ++ ,+> ; 涂覆到基质上, 它不需要消耗能 源就能将辐射到物体表面的近红外热辐射、反射或散 射到外部空间,从而降低热辐射下被覆空间或物体的 表面及内部环境温度。太阳热反射隔热涂层作用示意 见图 +。
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