建筑隔热涂料综述

建筑隔热涂料综述 邹战军 东莞市恒信建设工程咨询有限公司 广东 东莞 摘 要 文章阐述了隔热涂料的种类 介绍了国内外建筑外墙隔热涂料的研究现状以及发展趋势 同时概述了玻璃用透明隔热 纳米涂料的研 究进展 最后指出了建筑环保节能保温涂料研究中存在的问题 关键词 建筑材料 隔热涂料 发展趋势 综述 中图分类号 TQ 文献标识码 A 文章编号 1007 1865 2010 08 0038 03 Summarization on Building heat insulation coatings Zou Zhanjun Dongguan Hengxin Construction Engineering Consultation Co Ltd Dongguan China Abstract The type of heat insulation coatings were elaborated in the paper The research development and trend of heat insulation coatings in home and abroad were introduced The research development of transparent heat insulation nanometer coatings used in glass were summarized The problems in building environmental protection and energy saving insulation coatings were pointed out finally Keywords building materials heat insulation coating development trend summarization 1 建筑隔热涂料的分类和原理 建筑隔热涂料根据隔热机理和隔热方式的不同被分为阻 隔型隔热涂料 反射型隔热涂料和辐射型隔热涂料三类 阻隔 型隔热涂料是通过对热传递的显著阻抗性实现隔热的涂料 反 射型隔热涂料是通过选择合适的树脂 金属或金属氧化物颜填 料及生产工艺来制得高反射率的涂层反射太阳热 以达到隔热 的目的 辐射型隔热涂料是通过辐射的形式把建筑物吸收到的 日照光线和热量以一定的波长发散到空气中 从而达到良好隔 热降温效果的涂料 这三类涂料的隔热机理不同 应用场合和 所得到的效果也各不相同 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 因而 研制出多种隔热 机理综合起作用的复合型隔热涂料将代表未来隔热涂料的发 展趋势 1 2 1 1 阻隔型隔热涂料 隔热机理 阻隔型隔热涂料是通过对热传递的显著阻抗性 实现隔热的涂料 热传递是通过对流 辐射及分子振动热传导 三种途径来实现的 材料导热系数的大小是材料隔热性能的决 定因素 导热系数越小 隔热性能就越好 这种类型的涂料通常以表现密度小 内部结构疏松 气孔 率高以及含水率小的材料作为轻骨料 依靠粘结剂的作用使其 结合在一起 直接涂抹于设备或者墙体的表面达到隔热的效 果 优缺点 阻隔型隔热涂料原材料很容易得到 生产设备简 单 投入少产出大 施工方便 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 还需要另外设防水层以及 外护层 1 2 反射型隔热涂料 隔热机理 通常 太阳的辐射光谱分为三个光谱区 紫外 区0 2 0 4 m 占太阳能量的5 可见光区0 4 0 72 m 占 太阳能量的45 近红外区0 72 2 5 m 占太阳能量的50 由此可以看出 太阳能量主要集中在波长在0 4 1 8 m 的可 见光和红外光区 因此 需要研制的反射型隔热性隔热涂料在 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 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影响 且隔热效果较阻隔型隔 热涂料明显 其现实存在的问题是大多反射型隔热涂料是溶剂 体系 而当前建筑涂料中广泛使用的是水性涂料 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 作者新的研究课题 1 3 辐射型隔热涂料 隔热机理 通过辐射的形势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 从而达到良好的隔热降温效 果 这种涂料称为辐射隔热涂料 当涂料表面受到太阳光照射 时 反射 吸收和透过各占一部分 以 和r 分别代表涂 料层的表面总反射率 吸收率和透过率 8 13 5 m 代表表 层吸收的太阳能转为8 13 5 m 波段内的红外辐射率 则有 r 1 由于涂料表层下面大多数为不透明的水泥层 钢铁层等不 透明物质 因此 可以近似认为其透过率r 0 由此 上式又 可简化为 1 其中 和 均随波长变化而变 化 辐射型涂料的主要特性是希望其在可见光和近红外光范围 内反射率尽可能地高 而在8 13 5 m 波段内 其发射率 等 同于吸收率 即 也尽可能高 太阳的辐射能中0 3 2 5 m 处的能量占绝大部分 把这部分能量反射回大气是该涂料的一 个主要功能 然而在8 13 5 m 波段范围内 太阳辐射能和 大气辐射能远低于地面向外层空间的辐射能 因此在此波段 内 如果涂料的吸收率即发射率尽可能高 这样就能尽可能多 地把涂层和下层的水泥层中吸收到的太阳能中的紫外光能和 可见光及近红外光能转为热能 以红外辐射的方式在此波段内 穿过大气红外窗口 高效地发射到大气外层的绝对零度区 从 而达到隔热的目的 辐射型隔热涂料的优缺点 辐射型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 从而促使室内与室外以同样的速率降温 但是 辐射型隔热涂料原材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入研究 1 4 复合型隔热涂料 上述3 种隔热涂料各有其优缺点 因此可以考虑将它们综 合起来 充分发挥各自的特点 扬长避短 研制出多种隔热机 理综合起作用的复合型隔热涂料 郑其俊等综合利用上述三种 原理制成了具有高辐射率的薄层隔热保温涂料 该涂料以液态 涂料方式存在 干燥后的涂层热阻较大 特别是热反射率高 可有效地降低辐射传热 施工方便 涂层薄 无接缝 附着力 好 并且集防水隔热保护于一体 由此可见 高效隔热 涂膜 收稿日期 2010 04 06 作者简介 邹战军 1982 男 陕西人 本科 主要从事工程监理工作 2010 年 第8 期 广 东 化 工 第37 卷 总第208 期 39 机械及化学性能优良的复合型隔热涂料代表了未来建筑隔热 涂料的发展趋势 2 国内外建筑外墙隔热涂料的研究现状以及 发展趋势 3 5 2 1 国外建筑外墙隔热涂料的研究现状 在国外 隔热涂料的研究报道比较多 研究也比较深入 Nahar 等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 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GeramicSul32 珠光隔热剂制得了隔热性优 良的水性隔热涂料 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 3 mm 厚度左右 即可达到隔热保温的目的 日本研 制出了一种粒径在1 nm 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 2 0 5 nm 最理想 美国太阳 能集团公司的研究人员宣称 他们研制出一种隔热油漆 它的 隔热效果是标准金属薄膜的85 95 用到楼顶层房间 可以把室内的温度降低5 5 14 5 也就意味着可以节约8 12 的空调费 而在冬季 它可以阻止热辐射流逸出屋外 这样就又可以节约1 2 的取暖费用 英国一项专利介绍了一种褐色的热反射涂料 由成膜助剂 和近红外反射颜料构成 近红外反射率 70 太阳总反射 率 45 美国一项专利也介绍了一种在近红外具有较强的 辐射能力的涂料 在日本 武居二郎研制了建筑物用太阳能反 射涂料 罔田道夫则对太阳反射涂层进行了评估 2 2 国内建筑外墙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 1998 年5 月 国家质量技术监督局颁布了国家标准 硅酸盐复合保温隔热涂 料 GB T17571 1998 当时开发的商品硅酸盐复合保温隔热涂料绝大多数是膏 状产品 少量粉状产品则主要是一些大型冶金企业的有经验的 专业技术人员掌握和使用 他们使用能够耐高温的高铝水泥作 为胶结基料 能够在现场调配出满足使用要求的保温涂料 随 着建筑节能日益受到重视 到20 世纪90 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 外墙隔热受到重视 建筑隔热涂料也开始从内墙 隔热保温向外墙转变 目前 外墙隔热涂料正在逐步为人们所 接受 涂料也开始从过去以石膏状涂料向粉状涂料转变 并且 以粉体产品为主 不过 粉状建筑隔热涂料有时是以 保温砂 浆 的名称出现 或者以 废聚苯乙烯泡沫颗粒复合硅酸盐保 温材料 的名义出现 实际上就是涂料业界的建筑保温隔热涂 料 其组成 施工 涂层配套体系和应用效果和建筑保温涂料 完全一样 因而 随着建筑节能要求日益严格 建筑隔热涂料尤其是 外墙隔热涂料会得到更好的发展 我国由上百家研究单位和企业进行过这方面的研究工作 各生产厂的产品名称也不相同 如 复合硅酸镁铝隔热涂料 烯土保温涂料 等 涂料的配方 施工方法等也各式各样 性能也不尽相同 这些都属于硅酸盐类复合涂料 都主要由海 泡石 蛭石 珍珠岩粉等无机隔热骨料 无机及有机黏结剂及 其它助剂组成 反射性的隔热涂料的研究报道也很多 刘先春 以改性丙烯酸醇酸树脂为主要成膜物质 并与颜料 溶剂和助 剂配合使用的表面隔热涂料 这种涂料具有优异的物理化学性 能和极强的亮度 对太阳热的反射率高 可以明显降低房屋表 面的温度 大多数的反射隔热涂料是溶剂体系 但水性体系是 建筑涂料的发展趋势和必然归宿 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 涂料的热反射率与面漆所用的基 料 颜填料的折光系数 颜填料的粒径 纯度 膜厚以及PVC 值都有很大的关系 目前 将金属薄片进行特殊处理或不采用金属薄片的水性 反射性隔热涂料已经成为国内外研究的热点之一 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 经过鉴定 当气温高达37 时 涂层内部可以降温 12 左右 最近 广东省廉江市星恒高效涂料开发有限公司 总裁张炳强先生发明创造了一种楼面隔热防水涂料 经广泛使 用 楼面隔热效果基本达到100 从而大大震撼了科技界和 经济界 2 3 国内外建筑外墙隔热涂料的发展方向 为了获得性能更好的隔热涂料 国内外工作者进行了大量 的研究 主要根据上述隔热机理 对主要原材料的品种和性能 作了很大的改进 其发展方向主要有 无机隔热反射墙体涂料 薄层隔热反射涂料 水性反射隔热涂料 辐射隔热涂料 真空 绝热保温涂料 3 玻璃用透明隔热纳米涂料的研究进展 7 10 对建筑物来说 窗户成为热量进出的通道 阳光的热辐射 透过窗户对室内加热 必将增加空调的热负荷 为了节约能源 人们采取了各种措施来解决玻璃的隔热问题 目前 主要采用 金属及其氧化物镀膜或热反射贴膜用于玻璃的隔热 但是 这 些产品通常都是采用物理方法如磁控溅射法 真空蒸镀法 溶 胶 凝胶法等将具有反射或隔热效果的金属或非金属材料 如 Ag Au SnO2 ZnO TiO2 ATO ITO 等 直接镀于玻璃或 聚合物薄膜表面制成 工艺条件难以控制 设备投资大 成本 高 且还伴随产生 光污染 难以做到大面积推广应用 基于材料科学和纳米技术的快速发展 低成本的透明隔热 纳米涂料将有望取代这种高成本的镀膜材料 透明隔热纳米涂 料是指一种对太阳光具有良好的光谱选择性且至少有一相尺 寸在1 100 nm 之间的涂料 即该涂料对可见光具有好的通透 性 对近红外或紫外光具有好的反射 阻隔或吸收作用 将该 涂料施于建筑物的窗户 既不会影响室内的采光 而且可以适 当降低空调负荷 达到节能的目的 这对缓解能源危急和维持 社会的可持续发展具有重要的意义 目前 有关透明隔热纳米涂料的研究主要集中在美 日 韩等国家 且大多以专利形式公布 研究的重点主要还是集中 在无机功能材料的选择方面如ITO 氧化铟锡 ATO 锑氧化锡 及氧化锡等 Nano phase Technologies Corporation 将半导体纳 米材料 ITO ATO ZnO Al2O3 TiO2 首先制成稳定分散的 水性或溶剂型浆料 然后再将其应用于涂料中 制得具有隔热 耐磨 紫外屏蔽和隔绝红外线等多功能性纳米涂料 并在多个 领域得到广泛的应用 在制备纳米透明耐磨涂料时 先将纳米 Al2O3 在水中分散制成35 的湿浆 高速搅拌分散后 再用超 声波分散 随后离心分离取上清液 加入表面处理液3 缩水 甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷 GPTS 正硅酸乙酯 TEOS 二 苯基二甲氧基硅烷 三甲基乙氧基硅烷 无水乙醇 稀盐酸 高速分散制得稳定的纳米Al2O3 浆料 然后与水性三聚氰胺甲 醛树脂混合制成纳米透明耐磨涂料 Triton Systems 公司生产 的Nano tufm Coatings 中含有纳米Al2O3 研究表明该透明涂 料的耐磨性是传统涂料的4 倍 且该涂料还有隔热和耐化学腐 蚀性能 可作飞机座舱盖 轿车玻璃和建筑物玻璃的保护涂层 松尺纯 真田恭宏研究了将纳米ATO 粉末与硅氧烷聚合物及 有机溶剂如甲醇 异丙醇 丁醇等醇类 丙酮 甲乙酮等与醋 酸乙酯 醋酸丁酯等混合 并将其涂于基材表面 经干燥和紫 外光辐射固化等形成表面硬度较高的透明隔热导电涂层 Nishida 等研制的抗反射膜 Anti reflection film 主要采用高反 射指数无机材料如纳米ZrO TiO2 NbO ITO ATO SbO2 In2O3 SnO2 和ZnO 和合成树脂组成的 Nishihara 等采用共沉 淀法制备了纳米ATO ITO 并研究了与合成树脂复配得到透 明隔热涂料的工艺条件 经测试该透明涂料在可见光区的透光 广 东 化 工 2010 年 第8 期 40 第37 卷 总第208 期 率大于80 在近红外区完全不透过 Kaneko 等研究了无机 半导体纳米粉体锑酸锌 SnO2 ITO ATO 与聚丙烯酸酯形成 的复合涂料在可见光区几乎没有吸收 对太阳光辐射有较好的 阻隔作用和优良的耐刻划性能 Takeda 等讨论了在纳米ATO ITO 中掺杂六硼化物如Y La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Th Dy Ho Er Tm Yb Lu Sr 的光学及热学性能的变 化 Bar th 等采用重量比为30 ATO 与高分子粘结剂混合获 得光学活化膜 在波长为700 1000 nm 范围内测试发现该复 合膜可见光透过率 VLT 不低于50 总太阳能反射率 TSER 不低于35 BASF 公司Cambell 等公布了制备含表面活性微 粒的耐刮擦透明涂料的制备方法 韩国Nanomag Corporation 生产的NMAS Series 如ITO ATO TiO2 溶胶在可见光区具 有较高的透过率而在红外区具有良好的阻隔能力 被广泛用于 汽车 建筑 窗户 电子显示屏和医疗设备 Advanced Nano Products 公司生产的ATO 纳米粉 溶胶及TiO2 溶胶等可用于 制备透明隔热涂料 国内 有关纳米透明隔热涂料的研究起步较晚 目前主要 集中在一些科研院所 南京工业大学赵石林等研究了含纳米 TiO2 ATO ITO 的透明隔热涂料 并取得了一定的成绩 有 关纳米隔热涂料的研究 目前国内仅限于实验室研究 很少见 有工业化的报道 4 建筑环保节能保温涂料研究中存在的问题 4 1 建筑外墙隔热涂料研究中存在的问题 对于反射性建筑隔热涂料 实验室研究比较成熟 也已经 应用于建筑外墙隔热涂料中 而对于辐射型建筑隔热涂料 仅 限于实验室研究阶段 并没有在实际建筑涂料生产中应用 难 点所在 1 对乳液成膜物的选择和研发上 高性能的建筑外墙涂 料离不开一种性能优异的成膜物 如何根据建筑用乳液的特 点 研制出高性能的乳液具有一定的困难 2 所选隔热材料的性能测试 由于对光 热的反射 吸 收及辐射理论研究的欠缺 对隔热材料的性能研究起来有较大 的困难 3 应用中空微珠和红外陶瓷粉等隔热材料的理论研究比 较成熟 但其试验及在建筑涂料中的应用等研究甚少 需进行 大量试验研究 4 对于建筑隔热涂料的性能指标以及隔热性能的测试 国家尚无相应的评价标准 因而对于隔热效果的评价 也仅限 于定性的分析与比较 4 2 透明隔热涂料研究中存在的问题 随着材料科学及其相关测试技术的进步 最近几年来 透 明隔热纳米涂料得到了迅速的发展 取得了一定的成绩 但还 存在许多问题 1 透明隔热涂料中起主要作用的是具有隔热效果的无机 纳米材料 目前在材料的选择上还比较模糊 缺乏对材料选择 和处理的系统研究 急需建立相应的数据库 2 纳米材料的不稳定性是纳米涂料发展的最大障碍 为 此还要进一步加强对无机纳米材料的分散 稳定性及其表面处 理技术的研究 探索纳米材料与涂料间的相互作用机理 开发 高