涂料熱反射及隔熱性能探討時(shí)間:2014-06-04 23:41來源:上海申得歐涂料有限公司 作者:鄭公劭 近年來，各種熱反射涂料,、隔熱涂料,、節(jié)能涂料、隔熱飾面層涂料等外保溫體系層出不窮,。隨之而來的適應(yīng)這些新型涂料的標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)布,，有GB/T 25261—2010《建筑用反射隔熱涂料》、JC/T 1040—2007《建筑外表面用熱反射隔熱涂料》,、JG/T 235—2008《建筑反射隔熱涂料》等,。從現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和大量的報(bào)道文章看，涂料熱反射,、隔熱,、節(jié)能等性能的節(jié)能原理主要集中在以下3個(gè)方面：涂膜表面的熱反射率效應(yīng)、涂膜的半球發(fā)射率效應(yīng)和涂膜因低導(dǎo)熱率而產(chǎn)生的隔熱效應(yīng),。本文就這三方面進(jìn)行探討,，希望能拋磚引玉，對(duì)這類節(jié)能涂料技術(shù)的發(fā)展起到推動(dòng)作用,。
1 涂膜的熱反射效應(yīng)
如果把墻面最外層涂料接收到的太陽(yáng)能部分反射出去,，就能降低外墻面的溫度，減少向室內(nèi)的熱量傳遞,。太陽(yáng)能反射得越多,，墻面的溫度就越低。因此墻面涂料涂膜的熱反射功能成為節(jié)能涂料的主要性能,。
任何表面對(duì)接收到的太陽(yáng)光都會(huì)產(chǎn)生不同程度的反射,。從某表面反射的入射到地面太陽(yáng)光的能量稱為太陽(yáng)光總反射率（TSR，total solar reflectivity）,，以百分?jǐn)?shù)表示,。如果一個(gè)物體表面的TSR 為70%，則可認(rèn)為它吸收了30% 的入射能量。太陽(yáng)光的熱能主要集中在可見光區(qū)和紅外光區(qū),。眾所周知,，白色對(duì)400~720 nm 的可見光幾乎全部反射，黑色對(duì)可見光幾乎全部吸收,；紅色對(duì)650~700 nm（紅色波段的光）的光反射,，而對(duì)其它波長(zhǎng)的可見光吸收。因此為得到一定的可見色彩效果,，不能改變顏料在可見光區(qū)的反射和吸收性能,，而對(duì)于眼睛不可見的紅外光部分，能否找到一些對(duì)這個(gè)區(qū)段的入射光具有較強(qiáng)反射率的材料,，來達(dá)到反射具有高熱能的紅外光,，降低物體表面溫度的效果呢？
采用TSR 高的顏填料,，如金屬顏料,、球形填料,、特殊性能的填料來提高涂層的TSR,，降低涂膜表面溫度是節(jié)能涂料研究的主要方向。研究表明,，不同的涂膜中樹脂基料的TSR 雖有上下,，但差異不大，對(duì)涂膜的TSR 影響不大,，而涂膜中不同品種的顏料（包括體質(zhì)顏料）對(duì)太陽(yáng)能的反射率是不一樣的,。白色顏料是最好的紅外反射顏料，對(duì)可見光全反射的同時(shí),，對(duì)紅外光也有強(qiáng)烈的反射,，如鈦白的TSR 至少為75%（圖1）。而普通的黑色顏料幾乎對(duì)所有波長(zhǎng)的光都吸收,，如炭黑的TSR 低至3%~5％,，即吸收了95%~97％的太陽(yáng)光能量。
相同或相近顏色的顏料,，在可見光區(qū)的反射率是相近的,，但因其化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，它們?cè)诩t外光區(qū)域的反射率是不一樣的,。我們把在可見光區(qū)呈現(xiàn)一定的色彩,，在紅外光區(qū)具有高反射紅外光性能的顏料稱為紅外反射顏料（ 簡(jiǎn)稱IR 顏料，InfraredReflective Pigment）,。具有這種特性的紅外反射無機(jī)顏料通常含有鎳,、錳、鉻、鈦,、鐵,、鈷等金屬離子，一般由金屬氫氧化物,、硝酸鹽,、醋酸鹽，或其氧化物混合后經(jīng)1 000℃以上高溫煅燒,、反應(yīng),，原料中的金屬離子和氧離子重新排列，形成更穩(wěn)定的類似于尖晶石結(jié)構(gòu)或是金紅石型結(jié)構(gòu),。
 選擇在紅外區(qū)域反射率高的IR 顏料,，所得涂膜的TSR 就高于采用紅外區(qū)域反射率低的顏料的涂膜。我們采用不同的黑色顏料,，與鐵紅和鐵黃色漿配用,，并用同一種不含鈦白的基料，配制了5 個(gè)顏色相同的涂料,，制膜后測(cè)定其TSR,，結(jié)果見表1。
 由表1 可見：盡管它們?cè)诳梢姽鈪^(qū)呈現(xiàn)相同的顏色,，采用IR 顏料的涂膜比采用鐵黑顏料的涂膜的TSR 要高3~4 倍,。這表明如果在同等太陽(yáng)照射和環(huán)境溫度條件下，采用IR 顏料的涂膜的表面溫度將會(huì)比使用鐵黑顏料的涂膜要低,。
另有一類顏料（尤其是有機(jī)顏料）在紅外區(qū)域雖然不能對(duì)紅外光有較大的反射率,，但也不像炭黑等顏料那樣對(duì)紅外光有較高的吸收率，而是對(duì)紅外光有很好的透過率,。研究發(fā)現(xiàn),，在采用這種顏料時(shí)，只要涂層下面的底材或底涂有較高的紅外反射性能（如白色）,，整個(gè)涂層體系同樣具有較好的紅外反射功能,，同樣可以降低涂膜的表面溫度。有人把這類對(duì)紅外光有很低的吸收率,，但有較高透射率的顏料也稱為IR 顏料,。高透射率黑色I(xiàn)R 顏料涂膜在不同顏色基材上的反射曲線見圖2。
 各色顏料中,，白色顏料的反射率是最高的,，它們?cè)诜瓷淇梢姽獾耐瑫r(shí)，對(duì)紅外光也有強(qiáng)烈的反射,。所以采用鈦白的白色涂膜的TSR 大部分都可達(dá)到80%或以上,。但是,，白色涂料中只要加入彩色顏料，其TSR 就會(huì)隨著彩色顏料的類型和添加量而大幅度下降,，即便是添加很少量顏料色漿的淺色涂料也是這樣,。所以幾乎所有彩色涂料涂膜的TSR 都≤ 80%。即使是全白的涂膜,，在室外經(jīng)過一段時(shí)間,，其表面受到灰塵等污染，它的TSR 也會(huì)明顯下降,，達(dá)不到80%,。ASTM C1438—04《Standard Specification forExterior Solar Radiation Control Coatings on Buildings》規(guī)定，任何顏色的太陽(yáng)輻射涂料涂膜的太陽(yáng)光反射比都必須達(dá)到0.8 以上,，而我國(guó)幾個(gè)熱反射,、隔熱涂料的標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定了白色涂膜的太陽(yáng)光反射比（0.8左右），回避了彩色涂膜的太陽(yáng)光反射比問題,，所以這些標(biāo)準(zhǔn)缺乏指導(dǎo)意義,。
當(dāng)然要求彩色涂層的太陽(yáng)光反射比都大于80%有些苛刻，很難做到,，一個(gè)合理的指標(biāo)可能更有可行性,。正在制定中的日本標(biāo)準(zhǔn)JIS K 5675《屋頂用高太陽(yáng)光反射率涂料》規(guī)定的太陽(yáng)光反射比是“明度L值在40 以下時(shí)，近紅外區(qū)域的太陽(yáng)光發(fā)射率在40%以上,；明度L 值超過40 時(shí),，近紅外區(qū)域太陽(yáng)光發(fā)射率要超過明度值”，而且還規(guī)定了天然曝曬后的涂層“太陽(yáng)光反射保持率平均在80% 以上”,。這可以在我們今后修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)作為參考。
2 涂膜的半球發(fā)射率效應(yīng) 任何物體,，只要溫度高于0 K,，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射。除了反射接收到的部分太陽(yáng)光熱量外,，涂膜還會(huì)吸收一定量的太陽(yáng)能,。提高涂膜的熱發(fā)射作用，把涂膜吸收到的太陽(yáng)光熱量以一定的波長(zhǎng)發(fā)射到空氣中從而起到降溫效果,，這是涂料降低表面溫度的另一機(jī)理,。涂膜表面的發(fā)射率主要取決于材料的化學(xué)成分和表面平整度，與材料的顏色深淺無關(guān),。一個(gè)明顯的例子是材質(zhì)相同的黑色,、白色兩色涂料的太陽(yáng)光反射率相差很大，所以白天在陽(yáng)光照射下,，它們的表面溫度相差較大,，黑色表面比白色表面的溫度高很多，但由于它們的熱發(fā)射率都很高，且?guī)缀跸嗤?，所以在夜間這兩個(gè)涂膜的溫度降到一致,。
涂層接收太陽(yáng)光的輻射，部分吸收轉(zhuǎn)化為熱能后,，其中部分熱能會(huì)以長(zhǎng)波輻射的形式發(fā)射到空間,，即涂膜自身的熱發(fā)射。幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)里都規(guī)定了涂膜的半球發(fā)射率要大于80% 或85%,。并不是說涂膜能把吸收到的80% 以上的熱能再發(fā)射出去,。半球發(fā)射率的定義是：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射能力與黑體半球總輻射能力之比,。物體的發(fā)射率還與物體的表面溫度有關(guān),，試驗(yàn)表明，任何物體的半球發(fā)射率都將隨其溫度的升高而降低,。但在相同的溫度下,，半球發(fā)射率高的涂層把吸收到的太陽(yáng)光熱量發(fā)射出去的能量比半球發(fā)射率低的涂層要多，則涂層表面的溫度相對(duì)要低一些,。
 由表2 可見,，一般白色涂料的半球發(fā)射率都能達(dá)到80%~85%,。據(jù)報(bào)道：多數(shù)過渡元素化合物，如MnO2,、Co2O3,、Fe2O3 等在整個(gè)波段具有較高的發(fā)射率；NiO,、CuO,、Cr2O3 等在短波范圍內(nèi)紅外發(fā)射率較低，而在長(zhǎng)波范圍內(nèi)紅外發(fā)射率較高,；也有人在硅酸鹽結(jié)晶相中加入Al2O3,、TiO2 等金屬氧化物細(xì)粉功能填料，配制的涂料在5~15 μm 波段內(nèi)紅外發(fā)射率在85% 以上,；具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射性能的陶瓷粉被認(rèn)為是有效的高發(fā)射率填料,。試驗(yàn)表明：在這類功能填料中加入少量的稀土和微量的過渡金屬氧化物，如Y2O3 和Pd2O3,，可以顯著提高其常溫下的遠(yuǎn)紅外輻射發(fā)射率,。但它們的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的普通填料（如碳酸鈣，滑石粉）,。對(duì)于使用量大面廣的外墻建筑涂料,，如果普通外墻涂料的半球發(fā)射率能達(dá)到80% 以上,，而添加一些價(jià)格很貴的功能填料后其半球發(fā)射率可能會(huì)提高幾個(gè)百分點(diǎn)，從性價(jià)比來看又有多少人會(huì)這樣做呢,？實(shí)際上已在市場(chǎng)上銷售的一般建筑外墻隔熱涂料,，很少添加此類功能填料。
3 涂膜因低導(dǎo)熱率而產(chǎn)生的隔熱效應(yīng)
采用特殊的材料來降低涂膜的導(dǎo)熱系數(shù),，從而起到隔熱效果,，這是隔熱涂料的隔熱原理，如在涂料中添加陶瓷中空珠和玻璃中空珠,，主要是利用球形中空材料在涂層中形成了有效的熱屏障層,，它們自身熱阻大，導(dǎo)熱系數(shù)低,，所以涂膜具有降低熱傳導(dǎo)性而達(dá)到隔熱目的,。
根據(jù)建材的熱學(xué)原理，單層材料的導(dǎo)熱性可由熱阻R 表征：
R=δ/λ
其中,，δ—材料的厚度,，m ；λ—材料的導(dǎo)熱系數(shù),，W/（m·K）,。
就算隔熱涂料的導(dǎo)熱系數(shù)能達(dá)到與靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.023 W/（m·K）相似（一般來說涂料是不可能達(dá)到那么低的導(dǎo)熱系數(shù)的）。根據(jù)上面的公式,，要熱阻R 達(dá)到1 m2·K/W,，則涂膜的厚度要達(dá)到0.023 m，即23 mm,，這是不可能的,。以EPS 板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.040 W/（m·K），板厚為4 cm 計(jì)算,，它的熱阻R 為1 m2·K/W,。以涂膜干膜厚度為200 μm，需要達(dá)到熱阻R 為1 m2·K/W,，則涂膜的導(dǎo)熱系數(shù)λ 涂膜要達(dá)到0.000 2 W/（m·K），即比靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)要低100 倍,，這顯然是做不到的,。因此對(duì)薄層涂料來講，其導(dǎo)熱系數(shù)再低,，在降低材料熱傳導(dǎo)的隔熱效應(yīng)上是沒有什么意義的,。有報(bào)道：在隔熱涂料中添加特殊的材料（如含有空氣的空心珠，發(fā)泡材料）,，降低涂膜的導(dǎo)熱系數(shù),，從而使薄層涂膜具有低的熱傳導(dǎo)性,，起到隔熱效果，甚至有人提出可以替代有EPS隔熱材料層的外墻外保溫體系,，這顯然是夸大的宣傳,，沒有實(shí)際可能。
某些文章報(bào)道“空心陶瓷珠和玻璃珠對(duì)提高涂層隔熱性能均有良好效果……”,。我認(rèn)為：可能是空心陶瓷珠和玻璃珠對(duì)提高涂層的太陽(yáng)光反射率和發(fā)射率起到一定的作用,，而不是因?yàn)樗鼈儗?duì)熱流的阻隔作用。
4 結(jié)語(yǔ)
（1） 熱反射涂料起到的降溫效果是涂膜熱反射和發(fā)射作用的結(jié)果,，而薄層涂料基本沒有熱傳導(dǎo)阻斷效果,。
（2） 白色涂料涂膜的太陽(yáng)反射率和半球發(fā)射率一般都能達(dá)到80% 以上，而彩色涂層的太陽(yáng)反射率會(huì)明顯下降,。如何提高彩色涂層的熱反射降溫效果,，應(yīng)該是研究熱反射涂料隔熱降溫作用的關(guān)鍵。 （3） 紅外反射顏料（IR 顏料）和填料的研究開發(fā)是熱反射涂料的主要方向,，我國(guó)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)IR 顏料的研究開發(fā)工作,。
（4） 關(guān)于如何提高薄涂層的半球發(fā)射率，采用什么特殊的原料能提高半球發(fā)射率,，能使半球發(fā)射率提高多少,，是值得技術(shù)人員去探討的課題。
（5） 目前我國(guó)有關(guān)熱反射隔熱涂料的國(guó)標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),，只規(guī)定了白色涂層的熱性能指標(biāo),，沒有規(guī)定彩色涂層的相關(guān)指標(biāo)要求，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)意義不大,。建議在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中增加彩色涂層的熱反射性能指標(biāo)和涂層在天然條件下被污染后熱反射保持率的指標(biāo),。 |
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