建筑外墙隔热涂料的研究进展.doc

建筑外墙隔热涂料的研究进展106广东化工www.gdchem.tom2009年第9期第36卷总第197期建筑外墙隔热涂料的研究进展郭凯敏,卿宁,韩昶(五邑大学化学与环境工程系,广东江门529020)摘要】简要介绍了阻隔型,反射型和辐射型三种类型隔热涂料的隔热机理,总结了建筑外墙隔热涂料的研究进展及其发展方向.关键词】隔热涂料;隔热机理;研究进展;发展方向【申图分类1TQ638f文献标识码】A【文章编号】lO071865(2009)090106.03ProgressontheBuildingExternalWallThermalInsulationCoatingGuoKaimin,QingNing,HanChang(DepartmentofChemical&EnvironmentalEngineering,WuyiUniversity,Jiangmen529020,China)Abstract:Thethermalinsulationmechanismofobstruction,reflectionandradiationthreetypesofthermalinsulationcoatingwasintroducedTheprogressanddirectionofdevelopmentofbuildingexternalwallthermalinsulationcoatingweresummarizedKeywords:thermalinsulationcoating:thermalinsulationmechanism;progress;directionofdevelopment随着科学技术与社会生产的快速发展,以及国家一系列有关节能减排的政策法规颁布,能源和环境越来越成为全社会日益瞩目的两大问题,从而为节能和环保提出了更高要求.建筑能耗在人类整个能源消耗中所占比例一般在30%40%,且其中绝大多数是采暖和空调的能耗.建设部在2002年印发了建筑节能十五计划,积极推进建筑节能,有利于改善人民生活和工作环境,保证国民经济持续稳定健康发展,减轻大气污染减少温室气体排放,缓解地球变暖的趋势,是发展我国建筑业和节能事业的重要工作.隔热涂料是一种近年来发展的新型功能型涂料,将其用于建筑物的表面可达到降低建筑物内部温度,减少空调等能源消耗的目的.目前国内外对此种涂料的研究方兴未艾,隔热材料经历了一场由工业隔热保温向建筑隔热保温的转变,隔热涂料是隔热保温材料的主要发展方向之一.在众多的隔热材料中,建筑隔热涂料以其经济性,使用方便和降温效果好等优势,而被广泛地接受和得到大量的应用.1隔热涂料的隔热机理1.1阻隔型隔热涂料的隔热机理阻隔型隔热涂料的隔热机理比较简单,是一种通过热传递的阻抗作用实现隔热的被动式降温涂料.一般采用低导热率的组合物或在涂膜中引入热导率极低的空气,以获得良好的隔热效果.通常具有堆积密度比较小,导热性能低,介电常数小,耐化学腐蚀性强等特点.选择耐候性好,韧性好,成膜性好的基料,并辅以合适的分散剂,阻燃齐IJ,成膜助剂等,使隔热骨料粘结在一起,涂覆于设备或墙体的表面形成具有一定厚度的保温层,从而达到隔热保温的功能.1_2反射型隔热涂料的隔热机理通常太阳的辐射光谱分为3个光谱区:紫外区0.20.4m,占太阳能量的5%;可见光区0.40.72pm,占太阳能量的45%;近红外区0.722.5prn,占太阳能量的5O%.由此可见,太阳能量主要集中在波长为O.41.8Bm的可见光和近红外区.因此,如果研制的反射型隔热涂料在此波长范围内对太阳辐射的反射率越高,涂层的隔热效果就会越好.反射型隔热涂料就是通过选择合适的树脂,金属或金属氧化物颜料,填料及生产工艺,制得高反射率的涂层来反射太阳热,从而达到隔热降温的目的.1.3辐射性隔热涂料的隔热机理通过辐射的形式把建筑物吸收的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J.为了得到良好的红外辐射效果,首先必须使红外辐射能顺利地穿过大气层发射到外层空间.大气层的红外辐射主要来源于大气中的水蒸气,二氧化碳和臭氧及悬浮微粒,其中起主要作用的是水蒸气和二氧化碳.在波长为813prn的区域内,水蒸气和二氧化碳的吸收能力较弱,这样就使大气层对813.5m的红外辐射有很高的透过能力.因此,要使涂料在813.5m波段内有高的发射率,必须加入此波段范围具有高峰吸收值的物质,增强辐射涂层在此波段范围的辐射能力,红外辐射物吸收了辐射热能而改变和加剧了分子内部的运动,使粒子能态级产生从高到低的热发射,从而降低被辐射物的温度.2国内外建筑隔热涂料的研究现状2.1国内建筑隔热涂料的研究现状我国建筑保温隔热涂料是在20世纪80年代末开始发展和应用的,当时主要研制应用于一些形状不规则的高温管道,设备表面的保温隔热涂料.投入应用的商品有涂敷型复合硅酸盐绝热材料,复合硅酸盐保温涂料,硅酸镁保温材料,稀土保温涂料等.由于这类涂料需要耐高温,因而一般不能使用有机基料,而是使用能够耐一定温度的无机硅酸盐类材料,例如水泥和水玻璃等,再加上所使用的绝热填料也主要是一些硅酸盐类材料,例如石棉纤维,膨胀珍珠岩和海泡石粉等,因而这类涂料被称为硅酸盐复合保温隔热涂料.随着环保日益受到重视,到20世纪9O年代初人们在硅酸盐复合保温隔热涂料的基础上开发了用于内墙墙面的隔热涂料,并根据内墙墙面的环境情况,改变了基料以无机类材料为主的情况,而是采用聚乙烯醇缩醛胶,合成树脂乳液等有机基料为主的胶黏材料,有的涂料将无机粗质轻填料改变为有机材料.例如聚苯乙烯泡沫颗粒并适量地应用了废弃材料,使涂料的成本降低,绝热性能提高.近年来,建筑外墙隔热受到了高度重视.建筑隔热涂料也开始从内墙隔热保温向外墙转变.随着节能减排和环保要求的日益严格,建筑隔热涂料尤其是外墙隔热涂料会得到更好的发展.刘先春制备了一种反射太阳热涂料,该涂料以改性丙烯收稿日期】2009.0329【作者简介】郭凯敏(1983一),男,山西晋城人,硕士,主要研究方向为纳米材料和高分子材料.2009年第9期第36卷总第197期广东化工107酸醇酸类树脂为主要成膜物质,以钛自粉,氧化锌和云母为主要反射填料,反射率高于8O%,涂层厚度为2030m.顾晓鸣【j制备了一种抗紫外线,红外线节能涂料,属于涂料组合物领域.特征在于本涂料中加入了纳米二氧化硅.它主要由纯丙乳液或苯丙乳液,成膜助剂,钛白粉,纳米SiO2,分散剂,消泡剂,防霉剂,流平剂,颜料,水组成.涂料可反射75%80%各种波长的紫外线,红外线.郭年华研制了聚氨酯改性高氯化聚乙烯反射涂料,介绍了该涂料的配方及其性能指标,讨论了涂料用基料树脂和颜填料对热反射率的影响.试验结果表明涂料的热反射率与面漆所用的基料以及颜填料等都有关.他还介绍了聚氨酯固化含羟基的丙烯酸改性氯乙烯树脂的热反射涂料的研制情况,简述了涂料组成中各种材料的选择原理及其配方和产品技术指标.马承银_4发明了一种对太阳辐射的热射线及其他热辐射进行反射和隔热的涂料.涂料由有反射热射线特性材料,中空微珠及疏松多孔的隔热材料或在其表面包覆反射热射线形成的复合材料,粘接料三种主要组分组成.干涂膜厚度0.30.81TI1TI时,对热射线的总反射率可以达到90%以上,能够有效地防止太阳的热辐射及其他热辐射源的热辐射.罗会贤等发明一种水性防水隔热涂料,该防水隔热涂料其特征在于填料以高岭土为主要成分,涂料各组份含有:乳液,高岭土,辅助填料,颜料,助剂,水.此隔热涂料对太阳光的反射率达72%83%,辐射率76%88%,热传导率低,防水性能好.余丽蓉等对纳米氧化钇,纳米氧化锡,远红外陶瓷粉,改性空心玻璃微珠,金红石型氧化钛,云母为填料制备的涂层及硅丙,纯丙等乳液涂层进行了紫外一可见一近红外反射率测试,选取了近红外反射率较高的改性空心玻璃微珠,金红石型氧化钛,可见光反射率较高的远红外陶瓷粉为填料,与纯丙,硅丙等弹性乳液共混,制备了环保型弹性反辐射隔热涂料,并对其隔热效果,基本性能进行了研究.结果表明,该涂料对可见光反射率高达91.5%,近红外反射率为84.25%.涂层为1mnl时,涂层的隔热指数超过60%.陆洪彬等以纯丙乳液(TBH)为基料,添加工业堇青石,空心玻璃微珠,钛自粉等为填料,制备复合型外墙隔热涂料.并通过L16(4)正交试验和极差分析得出最佳配方.研究表明:红外填料堇青石对提高涂料隔热效果明显,在基本配方中添加2.0g堇青石热反射率达90.7%;当复合添加空心玻璃微珠10.0g,堇青石2.0g时,所配制的隔热涂料的热反射率高达91.67%,超过了国外反射率>75%的要求.张智强等研究了功能性填料,颜填料及PVC对建筑外墙涂料隔热性能的影响.实验表明,当空心微珠添加量为涂料总量的30%40%时,平衡温度可以降低58;添加涂料总量4%5%的红外陶瓷粉可使平衡温度降低8左右,添加量超过5%后,其隔热效果开始降低;高折射率的白色颜填料具有较好的隔热效果;普通填料和空心微珠的粒径对涂料涂层的隔热性能影响甚小.陈中华等研制了一种新型复合型建筑隔热涂料.借鉴他人测试设备加以改进获得仿真太阳热反射设备,并用此设备对空心微珠添加量与粒度分布,绢云母在漆膜中的添加量对漆膜隔热性能的影响进行了分析.对涂料体系最优稳定粘度及其漆膜隔热性能最优厚度进行了测定.获得的隔热涂料采用水性硅丙树脂与质量分数为11.5%的绢云母和10%的空心微珠配制而成.其最佳稳定粘度为100KU,最佳隔热厚度为500pm,隔热性能,耐候性能,耐洗涮性能,耐水耐碱性较普通国产市售的隔热涂料均有较大的提高.徐文等_J以硅丙乳液和含氟乳液进行复合,选用金红石型二氧化钛为颜料,轻质碳酸钙为填料,在特定的工艺及配方条件下制备了性能优异的环境友好型耐沾污隔热涂料.试验研究表明:当硅丙乳液与含氟乳液的配比为90:10,颜料的体积浓度为25%35%,形成的涂层的热反射率最高达到76.8%,比未涂装该涂料的马口铁表面温度降低7.李珥明等以丙烯酸树脂为成膜基料,二氧化钛为颜料,纳米氧化锆,氧化铝为隔热填料制备了一种纳米隔热涂料.研究结果表明:在氧化锆的粒径为1020am,氧化铝纤维的一维直径为1020nnl,纳米氧化锆含量为6%7%,纳米氧化铝为10%15%,涂层厚度0.30.4mm时,可以使被涂物内部降温幅度达到2O30.刘成楼IJ以自交联弹性丙烯酸乳液为成膜物质,并用偶联剂,纳米耐沾污剂进行改性,制成基料;以白水泥,硅灰为无机胶凝材料,添加空心玻璃微珠,滑石粉,重钙混合成粉料;当基料:粉料为1:1时制备的涂料在试验条件下其涂膜反射率达85%,隔热性(温差):表面温差为15,内部温差4.刘杰等_l研制了一种太阳热反射型隔热涂料,考察了成膜基料,隔热颜料和填料的种类,颜基比及涂膜厚度对涂层隔热性能的影响.采用太阳热反射率和红外光反射率表征了涂料的隔热性能.结果表明,以水性丙烯酸树脂为成膜基料,以金红石型钛自粉,硫酸钡,空心陶瓷微珠为隔热功能颜填料,再加上云母,水及助剂等,制备出的反射型隔热涂料的热反射率达92%,对红外线的反射率约为95%.2.2国外建筑隔热涂料的研究现状1945年,美国AlexanderSchwartz博士用多层铝膜及其间的静止空气制得了新型的组合系统yob,开创了反射建筑绝缘的新纪元.二十世纪七十年代末期,快速发展的建筑技术,使得辐射致冷和反射绝缘技术有了巨大的发展.Carll等从热量传递的方式入手,提出了利用填料的反射和辐射特点来进行保温的措施,从而改变了只利用保温涂层低传热的隔热方法.Paul等l采用了某种阻燃剂,并加入某种颗粒,所制得的涂料能以反射近红外的方式起到阻燃的作用.Domenick等刨开发出一种具有防水隔热的有机硅涂料,其特点是利用化学气相蒸发技术,将有机硅溶液的有机成分蒸发,留下一层无机陶瓷填料膜,使涂料具有更好的耐水性和隔热效果.N.M.Nahar等LJ在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的多.R.Neil_J采用马来酸二丁酯一乙酸乙烯共聚物为成膜物质,通过加入一种GeramicSu132珠光隔热剂制得了隔热性优良的水性隔热涂料.Naofusa等开发出一种多种色彩系列的隔热反射涂料,该涂料使用两种以上填料,突破了反射涂料只能使用浅色涂料的瓶颈.Johnw.Good等l制备了一种硅系的有机溶剂型隔热涂料,开发了可以做成多种颜色的太阳热反射涂料,涂层由树脂,陶瓷中空珠和颜料等主要成分组成.RonnenLevinson和K.Apostolakis22分别研制了不同颜色的隔热涂料,并对颜色对隔热性能的影响进行了讨论.LeiYuan23用溶胶凝胶的方法制备一种新的纳米复合红外热反射涂层,它主要用于改进纤维隔热毡的隔热性能.维纳公司在中国推出了德国盾牌陶瓷隔热涂料,这种涂料是由极微小的真空陶瓷微珠与其相适应的环保型乳液组成,它与墙体等底材有较强的附着力,直接在底材表面涂覆0.31/1113厚度左右,即可达到隔热保温的目的,其太阳热反射率为90%.日本研制出了一种粒径在1nn3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),这种材料具有导热系数以及比热小的特点,粒径在0.20.5nln最理想.表126-30列出了部分隔热涂料的典型专利.3发展方向(1)积极研制生产多功能复合型建筑隔热保温涂料.一种隔热保温效果良好的涂料往往是两种或多种隔热机理共同起作用的结果.因各种隔热保温涂料各有其优缺点,大力开展对光,热的反射,吸收及辐射等基础理论以及聚合物和无机材料中热能储存,转换及传递规律的研究,充分发挥阻隔,反射和辐射之间的协同效应,进行优势互补,研制出性能优良的多功能复合型建筑隔热保温涂料.(2)改进建筑隔热保温涂料的生产工艺,优化生产配方,提高现有产品质量.如复合硅酸盐保温涂料应向快速固化,憎水,提高粘接强度,降低密度,负温施工,降低成本和用于建筑节能等方向发展.(3)积极研制开发导热系数低,近红外高反射,热红外低发射的新型隔热材料,特别是纳米功能涂料的开发与应用.纳108广东化工2009年第9期第36卷总第197期米孔超级绝热材料是建立在低密度和超级细孔(<50nm)结构基础上,理论上其导热系数可趋近于零.采用纳米孔原料获得比静止空气导热系数(0.023W/(mK)更小的涂膜是完全可能的.降低生产成本,开发使用温度高于1050的纳米孔绝热材料是今后研发的主要方向.(4)注重节能减排与环保,高效利用三废研制建筑隔热保温涂料.随着节能减排与环保日益受到全社会的高度重视,建筑隔热保温涂料应向水性,环保的方向发展,严禁使用对环境有害的物质.表1与太阳热反射隔热涂料相关的外国专利Tab.1Foreignpatentsonsolarthermalreflectedheatinsulatedcoating参考文献1夏正斌,涂伟萍,杨卓如,等.建筑隔热涂料的研究进展.精细化工,2001,18(10):599.2刘先春.反射太阳热涂料P1.CN1204672A,1999.3顾晓鸣.抗紫外线,红外线节能涂料P.CN1363636,2002.4马承银.反射太阳热射线的隔热涂料P.CN1515633,2004.5罗会贤,查菊山.防水隔热涂料P.CN1569976,2005.6余丽荣,陆春华,赵石林,等.弹性薄层反辐射隔热涂料的研究J.材料科学与工程,2007,25(2):265268.7】陆洪彬,冯春霞,焦宝祥,等.复合型外墙隔热涂料的研究.化工新型材料,2007,35(6):7778.8张智强,胡凌,谌红.外墙隔热涂料的制备及隔热性能测试JJ.重庆建筑大学,2008,30(2):132一】34.9陈中华,姜疆,张贵军,等.复合型建筑隔热涂料的研制J1.太阳能学报,2008,29(3):257.261.10徐文,胡剑青,涂伟萍.环境友好耐沾污隔热涂料的研制【Jj.涂料工业,2008,38(10):1.11李明明,刘公召.纳米隔热涂料的研制与性能研究J.涂料工业,2008,38(3):3739.12刘成楼.水性热反射隔热防水涂料的研NJ】.现代涂料与涂装,2009,12(1):1014.13刘杰,李翔,魏刚.水性太阳热反射隔热涂料的研究【JJ.北京化工大学:自然科学版,2009,36(1):44-49.14CarllP,BoebelAkronandGaryStevenson.CoatinghavinghighsolarabsonancetoinfraredemittanccratiosP.US:3810777,1974.15PaulH,Berdahl,Oakland,Calif.PigmentswhichreflectinfraredradiationfromfireP.USPatent:58/1180,1998.16DomenickE.Caglisostro,waterproofsiliconecoatingsofthemaalinsulationandvaporizatonmethodP.USPatent:5939141,1999.17NaharNM,sharmaP,PurohitMM.StudiesonsolarpassivecoolingtechniquesforaridaresJ.EnergyConversion&Management,1999,40:89-95.18NeilNelsonR.WaterbasedthermalpaintP.US:5445754,2002.19NaofusaY,HatsuoI.Solarheat-shieldingcoatingcompositionandcoatedstructureP.USPatent:5540998,2002.20JohnG,RufusHK.Solventbased,thermalpaintP.AUPatent:200425725,2004.21RonnenL.MethodsofcreatingsolarreflectivenonwhitesurfacesandtheirapplicationtoresidentialroofingmaterialsJ.SolarEnergyMaterials&Cells,2007,91:304-314.22ApostolakisK,SantamourisM.Onthedevelopment,opticalpropertiesandthermalperformanceofcoolcoloredcoatingsfortheurbanenvironmentJ.SolarEnergy,2007,81:488497.23LeiY.EffectofSiO2protectivelayeronthefemtosecondlaser-induceddamageofHf02/Si02multilayerhig