隔热涂料的研究

隔热涂料综述高分子082 18 陈劲雄摘要：随着社会的发展，隔热涂料在节能方面逐渐得到广泛的应用，本文主要介绍隔热涂料的隔热机理，总结了阻隔型、反射型、辐射型和其他隔热涂料的研究进展,比较了各种类型隔热涂料的优缺点以及改进。

关键词：隔热涂料阻隔反射辐射机理优缺点改进引言：隔热涂料是一种新型的功能性涂料。

它能够有效地阻止热传导，降低表面涂层和内部环境的温度，从而达到改善工作环境，降低能耗的目的，因而广泛应用于建筑外墙，船舶甲板、汽车外壳、油罐外壁和军事航天等领域。

本主要介绍隔热涂料的机理，研究进展以及各自的优缺点以及改进。

1阻隔型隔热涂料1.1隔热机理阻隔型隔热涂料通常以表现密度小、内部结构疏松、气孔率高、含水率小的材料作为轻骨料，依靠粘结剂作用使其结合在一起，直接涂抹于设备或墙体表面形成具有一定厚度的保温层，从而达到隔热保温的效果。

1.2阻隔型隔热涂料的研究进展目前应用最为广泛的阻隔型隔热涂料是硅酸盐类复合涂料。

它是以天然矿物纤维材料、人造硅酸盐纤维材料为主，再辅以填料、助剂、粘结剂等按一定比例,经过松散、混合、打浆、鼓泡而制成的粘稠浆体川。

硅酸盐类复合涂料摆脱了有机物,成为无毒、无味的“环保”型涂料。

硅酸盐复合保温涂料结构上是一种固体基质连接的封闭孔网状结构,在保温层内部不形成沟状热流,这样大大减少了热流量,显著降低了导热系数。

硅酸盐复合保温涂料主要品种有“复合硅酸镁铝隔热涂料”、“稀土保温涂料”、“一保温涂料”、“涂敷型复合硅酸盐隔热涂料”等。

而对于外墙外保温隔热涂料则一般由保温轻骨料、胶粘材料和助剂混合而成,其外观为粉状,现场按比例加水搅拌成粘稠浆液,以抹涂方式涂装。

对于隔热涂料中使用的保温轻骨料通常有膨胀珍珠岩、膨胀蛙石、发泡聚苯乙烯和矿岩棉等。

1.3阻隔型隔热涂料的优缺点。

阻隔型隔热涂料原材料易得,生产设备简单,投人少产出大施工方便,适于弯头、阀门、旋转体、球体等异形体的保温施工,可不停工对热管、设备进行施工。

其缺点是对降低对流和辐射传热效果差且保温层较厚,吸水率高,不抗振动,使用寿命短,而且为了形成一个稳定的保温体系,还需另设防水层及外护层。

1.4阻隔型隔热涂料的改进用于热反射隔热涂料的填料应具备低导热系数(即高热阻性能) 特性。

根据研究可知,满足要求的填料主要为高填充结构材料,如空心微球、软木粉等。

目前,使用最多的是空心玻璃或陶瓷微珠。

这类材料具有较多优点:导热系数小,一般为0103～011W/ (m ·K) ;堆积密度小,用很少质量的空心微珠即可达到很好的隔热效果;表面积小,大量添加而粘度保持在可接受的程度;耐用性、耐候性、耐腐蚀性优良。

对掺入中空微球复合材料而言,一方面,中空微球导热系数低,当热流遇到中空微球时将会出现分流,热流在复合材料中传递路径变长并复杂化,导致复合材料的传热性能下降;另一方面,涂料在固化成膜过程中,空心微珠将进行多级组合排列,形成一层热缓冲层,阻隔热量传递。

因此,随着中空微球添加量的增加,涂膜比重逐渐减小,隔热性能提高。

然而空心微珠的添加量不是越高越好,过多的空心微珠会导致涂料的机械性能下降。

随着纳米材料的开发与应用,有人提出:当涂膜中气孔的直径小至纳米数量级时(如小于50nm) ,气孔内的空气分子将完全被吸附在气孔壁上而不能自由运动,这样的气孔实际上相当于真空状态。

如果保持涂膜的体积密度及其中的气孔直径足够小,则可以使涂膜的分子振动热传导和对流热传导率接近于0 ;而且,众多足够小的微孔使得涂膜中界面的数量趋于无穷多,可以使材料内部有非常多的反射界面,从而使辐射热传导的效率趋近于0 。

因此,从理论上说获得比静止空气导热系数更小、甚至趋近于0 的隔热涂膜是完全有可能的。

2反射型隔热涂料2.1隔热机理任何物质都具有反射或吸收一定波长的太阳光的性能。

由太阳光谱能量分布曲线可知,太阳能绝大部分处于可见光和近红外区,即400～1800 nm 范围。

在该波长范围内,反射率越高,涂层的隔热效果就越好。

因此通过选择合适的树脂、金属或金属氧化物颜填料及生产工艺,可制得高反射率的涂层,反射太阳热,以达到隔热的目的，图1为机理图。

2.3反射型隔热涂料的研究进展反射隔热涂料的研究报道也较多。

N.M. Nahar等对干旱地区太阳光的冷却技术进行研究后发现,涂有反射涂层的测试室内的温度比未涂反射层的测试室内的温度低得多。

刘先春以改性丙烯酸醇酸树脂为主要成膜物质,并与颜料、溶剂及助剂配合使用而制得的表面隔热涂料,这种涂料具有优异的物理化学性能及极强的亮度,对太阳热的反射率高,可明显降低房屋表面的温度。

由于金属薄片在溶剂型涂料中能够较长时间稳定存在,而在水性体系中则不能,因此大多数反射隔热涂料为溶剂体系,但水性涂料是建筑涂料的发展趋势和必然归宿,因此将金属薄片进行特殊处理或不采用金属薄片的水性反射隔热涂料已成为国内外隔热涂料研究的热点之一。

R.Neil采用马来酸二丁酯- 乙酸乙烯共聚物为成膜物质,通过加入一种Ceramic Sil32 珠光隔热剂制得了隔热性能优良的水性隔热涂料。

张敏采用鳞片状铝粉为颜料制得了一种综合性能优良的水性反光隔热罩面涂料,经实体测定,当气温高达35～37 ℃时,涂层内部可降温11～13 ℃。

但总的说来,我国目前高性能的水性反射隔热涂料尚处于研究开发阶段,要大规模生产尚需要广大涂料工作者的进一步努力。

2.4纳米透明隔热涂料的研究2.4.1纳米透明隔热涂料的应用机理玻璃作为透明材料被广泛应用于建筑中，它不仅是良好的透明材料，也是一种良好的热导性材料。

为保证玻璃的采光透明和赋予玻璃相关的热学功能，在玻璃表面涂覆纳米透明隔热涂料形成均匀的透明涂膜，涂膜中的纳米导电粒子含有一定浓度的电子空穴，而引起自由载流子的吸收，具体表现在太阳光谱中，波长在400~800nm的可见光区，涂膜透过率不受影响；波长在小于400nm的紫外线区，涂膜吸收率为90%左右；波长在800~2500nm的近红外区域，由于太阳入射光的频率高于涂膜中纳米导电粒子的振动频率，引起了其离子的高反射，对分布于红外波段占43%左右的太阳能量起反射阻隔作用。

由此可见，纳米透明隔热涂料对太阳光谱具有选择性，表现出吸收紫外线，透过可见光，阻隔红外热辐射的综合性能。

2.4.2纳米透明隔热涂料的应用性能纳米透明隔热涂料结合了尖端的纳米粒子技术和微层涂覆技术，应用于建筑物的玻璃表面，在不改变玻璃透光性的情况下，能有效屏蔽红外热辐射和吸收紫外线，且兼顾了整体性和美观性。

只要在玻璃表面涂覆形成20μm左右厚的透明整体涂膜，玻璃涂覆前后的室内温差就达6~8℃，尤其是在日照最烈、隔热需求最强的中午前后表现更为出色，很大程度地降低了空调制冷电能消耗，节能达35%左右，隔热效果显著。

为实现玻璃通体的透明性，产品选用了透明高分子树脂为成膜物，采用比头发丝还细数百倍的纳米导电超细粒子作功能材料，让纳米导电超细粒子均匀分布于透明树脂涂漠中，最大限度保持玻璃门窗整体的优美外观，从室内朝外看涂覆后的玻璃呈现出淡淡的蓝色，晶莹剔透，即使在夜晚也能让人拥有清晰透明的视野。

加之其90%的紫外线阻隔率，不仅为住户提供了一个安全的“阳光保护伞”，更为玻璃景观设计带来了更多灵感和创造空间。

同时，纳米透明隔热涂料在保证可见光透过的同时，还能反射波长较长的室内暖气热辐射，有利于采暖效果和阻挡室内热能通过玻璃门窗传导外泄，减少冬季室内能量的损耗，以达到“冬暖夏凉”的节能效果。

2.5反射型隔热涂料的优缺点反射型隔热涂料与各种基材附着力好,与底漆中间漆具有良好的亲容性,耐候性强,一般使用的溶剂无刺激性气味,大大减少了施工对环境的污染,且隔热效果较阻隔型隔热涂料明显。

其现存问题是大多数反射隔热涂料为溶剂体系,而当前建筑涂料中广泛使用的则是水性涂料,因此,如何制得具有广泛应用前景的水性反射型隔热涂料是广大涂料工作者的新的研究课题。

2.6反射型隔热涂料的改进由于合成树脂的折光指数一般为1。

45～1。

5 ,因此不同树脂对涂料的太阳热反射效果没有太大影响。

在实际应用过程中,由于通常要求树脂透明度高、透光率在80 %以上、太阳吸收低,所以在选择树脂时,应尽量选用那些结构中不含或少含C-O-C、C= O、O-H 等吸收热基团的树脂。

表1列举了热反射隔热涂料常用树脂及其特性。

3辐射型隔热涂料3.1隔热机理通过辐射的形式把建筑物吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到空气中,从而达到良好隔热降温效果的涂料称为辐射隔热涂料。

其主要是通过使抵达建筑物表面的辐射转化为热反射电磁波辐射到大气中而达到隔热的目的。

3.2辐射型隔热涂料的研究进展国内研究表明多种金属氧化物如Fe2O3 、MnO2 、Co2O3 、CuO 等掺杂形成的具有反型尖晶石结构的物质具有热发射率高的特点,因而广泛用作隔热节能涂料的填料。

红外气象学的研究表明,在波长8～13. 5μm 的区域内,地面上的红外辐射可以直接辐射到外层空间。

在此波段内,太阳辐射和大气辐射能远低于地面向外层空间的辐射能,因此如果在此波段内使涂料的发射率尽可能高,那么在辐射体表面,热量就能以红外辐射的方式高效地发射到大气外层,达到建筑物隔热目的。

沃群鸣详细研究了红外辐射的原理,并通过在硅酸盐结晶相中加入Al2O3 、TiO2 等金属氧化物细粉作为填料而研制出的红外辐射涂料辐射5～15μm 波段内的红外线的能力在85 %以上。

3.3辐射型隔热涂料的优缺点辐射隔热涂料不同于阻隔型隔热涂料和反射型隔热涂料，因为后两者只能减缓但不能阻挡热量的传递。

当热量缓慢地通过隔热层和反射层后,内部空间的温度缓慢地升高,此时,即使涂层外部温度降低,热能也只能困陷其中。

而辐射型隔热涂料却能够以热发射的形式将吸收的热量辐射掉,从而促使室内以室外同样的速率降温。

但是辐射型隔热涂料基料的选取和烧结工艺比较复杂,要想达到稳定的发射率还需进一步地深人研究。

4其他隔热涂料一种隔热效果良好的涂料往往是两种或多种隔热机理同时起作用的结果。

上述的三种隔热涂料各有其优点,因此可考虑将它们综合起来,充分发挥各自的特点,进行优势互补,研制出多种隔热机理综合起作用的复合隔热涂料。

目前,如何充分发挥反射型、隔热型填料的优点,获得良好的反射隔热效果成为人们关注的重点。

早在80 年代初, Torob-in 就发明了一种可以有效减少热传导、热对流和热辐射,高效绝热的空心玻珠生产工艺,即在玻璃组分中预混入高温下能气化的金属微粒,玻璃被加热熔融后,金属微粒气化,将液态玻璃吹成微球。

这些微球流出料口时被气流吹出,形成均匀、分散的玻璃微珠。

温度降低后,空心玻珠中的金属均匀地沉积在玻璃微球的内表面,形成反射层,并在玻璃微珠内部产生一定的真空度。

近些年,国内对反射-隔热功能复合填料展开了大量的研究。