熱反射塗料
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基本內容
中文名：熱反射塗料
社會背景：世界氣候變暖氣溫逐年上升
包 括：太陽熱反射塗料等
重要指標：太陽熱反射率
熱反射塗料
熱反射塗料可令被塗物在太陽光照射下產生溫度調節效果的塗料稱為熱反射塗料，包括太陽能屏蔽塗料、太陽熱反射塗料、太空隔熱塗料、節能保溫塗料、紅外偽裝降溫塗料等。
社會背景
20世紀70年代以來，世界氣候變暖，氣溫逐年上升，同時能源消耗也是當今世界面臨的重大難題。因此，開發出能令被塗物在太陽光照射下產生降溫效果的隔熱節能塗料，已成主流趨勢。
節能塗料按其節能原理的可分為阻隔型、輻射型、反射型。這三種節能塗料因隔熱機理不同，性能特點、應用場合及節能效果也不相同。反射型節能塗料也稱太陽反射塗料，是一種簡便易行、效果明顯的節能材料，目前已成為人們研究和開發的熱點。最初，熱反射塗料是為滿足軍事上的需求而發展起來的，塗裝後可降低和削弱敵方熱紅外探測設備的效能，使自身的綜合熱散射特徵與周圍背景相適應。如今，國內外在反射塗料的理論研究方面日趨完善，已廣泛應用於建築、石油、運輸等眾多領域。用於建築行業的熱反射塗料，同時具有降低漆膜日光熱老化作用，延長塗料使用周期，具有適應基材開裂的能力，及優良的防水性能。
研究前景
早在20世紀70年代，國外已經開始了反射隔熱塗料的研究，並逐漸向產業化方向發展。有代表性的如美國盾牌(Thermo-hield)節能塗料，新加坡高科(HIT)塗料，美國太陽能集團公司研製的LO/MIT-1型隔熱漆，雅典的Intermat防務塗料公司等。盾牌節能塗料用於航天飛機隔熱保溫，塗料中含有極細的陶瓷泡，對陽光有較高的反射率，且成膜後陶瓷泡緊密排列形成完整的隔熱層，可令被塗物內部溫度大大降低，節能約40%。太陽能集團的LO/MIT-1型隔熱漆，其隔熱效果是標準金屬薄膜的85%-95%，夏天用於屋頂塗裝，可令室內溫度降低5.5-14.5℃，即可節省空調能8-12%；冬天，可阻止熱量向外輻射，又可節省取暖能1%-2%。Intermat防務塗料公司開發的熱反射塗料，可將物體的溫度降到一個特定值，與環境溫度相近，紅外特徵降低達50%，表面溫度降低達65%。此塗料的防護範圍為400-2000nm，熱觀測儀、夜視產品、以及衛星、激光定位系統等很多傳感器都難以分辨。
國內研究雖起步較晚，但不少高等學校及研究單位介入這一領域，因此，在機理研究、品種開發及工程應用方面，取得了巨大進展。近幾年，可見光及近紅外隱身塗料、紅外隱身塗料的研發，更取得了較大進步，可以說已具有與國外同步的研發水平。屠平亮等早在20世紀90年代就研製出一種在高溫時仍保持高發射率的節能塗料。上海大通應用化學所於1992年研製的涼涼隔熱膠，已大量工程應用，尤其是油罐。
目前，我國建築能耗占能源總消耗的1/3左右，建築單位面積採暖能耗是國際氣候條件相近發達國家的2倍～3倍。隨着建築節能標準的出台，發展低能耗、保溫隔熱性能好的新型材料成為主流趨勢，建設部從2007年起全面推行節能建築認證體系。建築節能新技術的研究開發和新產品的推廣應用，是推動建築節能工作的有效途徑。巨大的建築節能市場將帶動建築塗料產進行新的發展，我國是節能塗料最具發展潛力的大市場。
在建築節能外牆保溫系統設計中，應用較多的為白色熱反射隔熱塗料，以空心微珠和高折射率TiO2為主要功能顏填料，對太陽光的熱反射比可達80%以上。隨着建築節能的需求日益迫切，單一白色熱反射塗料已不能滿足多色彩的外牆塗料要求；而彩色熱反射塗料因在可見光波段的高吸收性和顏料耐候性差，其使用和推廣受到限制。選擇紅外反射性好的顏料，通過補色原理調色製備的灰色系塗料，成為節能塗料發展的主流。
節能塗料
2.1太陽熱反射節能塗料的組成
太陽輻射能的波長覆蓋面很廣，到達地面空間的波長在303nm~2500nm之間。波長在300nm~400nm之間的高能紫外光只占能量的5%，其大部分被吸收，其主要損傷和降解有機材料，如塗料中的聚合物；大約45%的太陽輻射能在波長為400nm~700nm之間的可見光，不同的顏色反射不同波段不同程度的光；波長在700~2500nm之間的太陽波譜屬紅外區域，占太陽輻射能的50%。紅外輻射既可被吸收，又可被反射，吸收可致塗料升溫，並通過遠紅外區將能量散發出去。
2.1.1顏料
1）反射型IR顏料的選擇：
研究發現，一種顏料可以反射可見光區的光，吸收紫外區的光，透射紅外區的光，或是任何其中3種情況的組合。這樣其既有一定的色彩，甚至是較深的顏色，又能反射一部分紅外光，減少熱量的集結，起到降溫作用。把在可見光區呈現一定的色彩，在紅外區具有反射紅外光性能的顏料稱為紅外反射顏料，簡稱IR顏料（Infrared Reflective Pigment)。具有這種特性的紅外反射無機顏料由金屬氧化物，硝酸鹽，醋酸鹽，或氧化物混合後經1000C以上高溫煅燒、反應，原料中的金屬離子和氧離子重新排列，形成更穩定的類似於尖晶石(spine1)結構或金紅石型(rutile)結構。這些顏料里通常含有鎳、錳、鉻、鈦、鐵、鈷等金屬離子。
據研究，添加不同濃度的鐵紅、鐵黃、酞青藍和酞青綠，分別配製成深淺2種色調的塗料，共8種。結果表明，隨添加色漿濃度的加深，對反射型建築保溫隔熱塗料280~780 nm可見光範圍的反射率影響最大，在780~900 nm近紅外範圍內，色漿濃度對反射率影響也很大，在900~1200nm近紅外範圍內，色漿濃度對反射率影響開始減小，而1200～2500nm範圍內，色漿濃度對反射率影響較小。在試驗的4種色漿中，鐵黃添加到隔熱塗料中對反射比的影響最小。
反射型功能顏填料對可見光和紅外光的反射較高，以往的研究主要集中以白色或淺色為主。首選為金紅石型鈦白粉反射係數≥80%，折光指數2.8，能夠起到光熱反射作用，並且它具有良好的遮蓋率和着色力，在大氣中較為穩定，因此顏料首選金紅石型鈦白粉。
近年來，對近紅外區反射率高的深色CICP顏填料的開發漸成熱點。常用的深色顏料有：P Black 30，P Green 17，P Green 26，P Green 50，P Brown 29，P Brown 24，PBrown 33，P Blue 36，P Blue 28，P Yellow 53，P BIack12，等。如Shepherd公司的Black 10C909，它在紅外區有較大的反射，太陽光總反射率(TSR)達到25%，而普通黑色顏料的TSR只有5%左右，白顏料是升溫最低的，TiO2可的TSR為70%。通常，IR顏料的TSR明顯高於普通顏料。Synnefa用CICP製得10種不同顏色的節能塗料，與同色系的普通塗料作對比，在夏季環境下，反射率最大提高440%，溫度最大降低了10.2℃。
新開發的複合無機顏料技術，具有高度耐候、耐熱、耐化學品性，用在耐候塗料配方體系中，可維續30年而無明顯降解，由其配製出的塗料因升溫低，熱降解也低。複合無機顏料化學技術的最新進展是已開發出新型紅外反射黑顏料，早期研究的產品有3倍炭黑的反射率，而最新品的反射率已超出炭黑5倍，而且黑度不變，效果極其明顯。
美國Oak Ridge(ORNL)和Lawrence Berkeley(LBNL)2個國家實驗室聯合眾多建材、塗料、顏填料廠商，建立了近100種常見顏填料的具體屬性的數據庫，包括顏填料的名稱、顏色、化學特性、力學性能、光譜屬性利用數據庫的信息，並建立了關於散射係數S和吸收係數K的模型。根據數據庫，可以選用不同的顏料，混合製備出高反射率的製品。
2）影響IR顏料紅外反射的因素
(1) 顏料的混合：任何IR顏料與白顏料混合後，其TSR都比單獨的1R顏料要高。
(2) 顏料的分散：過度的研磨會破壞顏料的顆粒結構，使主色調變淡，TSR變小；
(3) 塗層的不透明性：IR無機顏料一般都有較好的可見光遮蓋力。它對紅外光有反(散)射和透射的作用。較薄的塗層不能完全反射紅外光，因此需要更厚的塗層來保證對紅外光的反射。
(4) 污染：IR顏料如果與紅外吸收的顏料混合，其紅外反射性能會急劇下降。因此在使用IR顏料的過程中要非常注意不能受到一些普通顏料，尤其是炭黑、鐵黑等顏料的污染。研磨設備必須清洗乾淨，保證沒有交叉污染。
2.1.2 基料
太陽熱反射塗料主要用於戶外，從環保角度考慮，基料最好是水性的，其本身不帶吸熱基團，並綜合考慮耐水、耐沾污、耐候性等性能。反射太陽光能力的強弱主要用物質的折光指數來表徵，折光指數越大，對人陽光的反射能力越強。環氧樹脂的折光指數為1.45～1.50，其中常用的醇酸樹脂為1.48與環氧樹脂的折光指數接近；含氟聚合物具有相對較低的折光指數1.34～1.42。因此，選擇不同的有機樹脂，塗層的太陽熱反射效果不會發生顯著的改變。常用樹脂如丙烯酸樹脂、有機硅改性丙烯酸樹脂、醇酸樹脂、有機硅改性醇酸樹脂、含氟樹脂、環氧樹脂、氯化橡膠等，都可用作太陽熱反射塗料的基料。
用於反射型建築絕熱塗料的樹脂對可見光和近紅外光的吸收越小越好，通常要求樹脂的透明度高(透光率應在80%以上)，對太陽熱的吸收率低，且結構中儘量少含-C-O-C-、C=O和-OH等吸能基團。如聚吡咯摻雜的三元共聚物(丙烯酸丁酯-苯乙烯-丙烯酸)，另外還要摻雜微量的二氯化鐵，就是一種很好的水性紅外反射塗料的成膜物質。
2.1.3 功能性填料
功能性填料是影響塗膜保溫隔熱性的關鍵材料。要獲得高反射率的塗膜，必須選用反射率高的填料。選用空心微珠作為隔熱填料的主要作用有：(1)利用其特有的球型中空結構中的無數空腔形成隔熱層來阻止熱傳導。(2)它具有一定的填充作用，能減少塗料中基料用量，降低塗料中VOC含量。(3)提高塗料的流平性，改善塗膜的硬度。(4)提高塗膜的耐沾污性和耐黃變性能。
1）微珠種類對塗料隔熱性能的影響
在相同條件下，空心微珠對近紅外光的反射率遠遠高於普通填料，玻璃微珠與陶瓷微珠的反射率相接近，陶瓷微珠略高於玻璃微珠。空心微珠也稱塗料用多功能空心添加劑，其顆粒呈圓形或者近似圓形，表面為光滑堅硬、結構緻密的玻璃體，對各種液體介質幾乎不吸收，能夠很好地反射光、熱等入射波。這些性能，使之適合作為反射型隔熱塗料的反射性填料。但是，玻璃玻璃空心微珠內部為空心，因而密度低、導熱係數小、傳熱隔絕性能也很好。但是空心玻璃微珠(尤其是漂珠)比重小於l，球體為薄壁多孔結構，抗壓強度低(一般為100～350kg/m)，在高剪切作用下易破碎，降低隔熱效果。採用陶瓷空心微珠，球體壁堅硬，抗壓強度高(1 000～7 000 kg/m )，在高速分散、研磨過程中，球體完整無損，便於塗料的工業化生產。
2）微珠添加量對塗料隔熱性能的影響
隨着空心微珠添加量的增加，塗料的反射率也隨着增加；但是，塗料的黏度也變化較大，黏度太高會影響塗料的施工性，故微珠的添加量在4.5%～6.0 wt%之間較為適宜。
3）微珠尺寸對塗料隔熱性能的影響
微珠粒徑的大小與其反射入射光的波長大小有關，當微珠的直徑與入射光波長的比例為0.1～1.0，則顏料表現為菲涅耳型反射。這種反射對溫控是有用的。若比值小於0.1，顏料表現為瑞利散射，這對於溫控毫無用處。
費凡等發現；當空心微球粒子直徑>200目，在塗料中的含量>20%時，對塗料的附着力、衝擊強度等各項使用性能指標沒有明顯的影響，對塗料的反射率也基本沒有影響。
4）微珠級配對塗料隔熱性能的影響
微珠的級配對塗料體系的隔熱效果及塗膜性能有一定的影響，微珠的粒徑大對塗料的反光隔熱效果好，但塗膜表面粗糙、空隙較多，塗料的耐沾污性差；微珠的粒徑小塗膜表面光滑平整，塗料的耐沾污性好，但塗料的反光隔熱效果不好。所以，應選擇一合理的粒徑搭配，即使塗料反射太陽熱的隔熱效果良好，又使塗膜表面光滑平整，塗料的耐沾污性好。經過試驗確定：微珠的粒徑分布為270～325目占20%，500～600目占60%，800～1250目占20%時，綜合效果較好。
2.1.4 PVC值
在低P V C塗料中，顏料粒子分散在基料聚合物的連續相里，形成所謂「海-島」結構。但隨着顏料和填料的增加，PVC超過某一極限值時，基料聚合物就不能將顏料和填料粒子之間的空隙完全充滿，這些未被填充的空隙就潛藏在塗膜中，因而塗膜的物理性能以該PVC的極限為界限，開始急劇下降，此時的PVC稱為CPVC(1l~界顏料體積濃度)。所以高性能或外用塗料配方的PVC一般不應超過CPVC，否則塗膜許多物理性能將受到不利影響。另外，實驗證明，當PVC值在40%～50%之問時，漆膜呈現菲涅耳反射，大大提高了塗膜對太陽光的反射比；若PVC值較高，反射則接近漫反射，不利於塗膜對太陽光的反射。
路國忠選用壁薄空心體積大的玻璃微珠和不透明聚合物為功能材料，通過合理級配，使塗料具有高的反射率。(2)通過添加適量的紅外輻射填料，可大大提高了塗層的輻射率。採用有機硅改性丙烯酸為基料，確定合適的P V C值，使漆膜具有獨特的硅氧結構和低的表面張力，使塗膜具有良好疏水透氣性，保持牆面處於健康狀態；選用超細氫氧化鎂作為阻燃劑，即使塗料具有一定的阻燃性能，又可調節塗料的p H值，節省了pH值調節劑，使塗料具有良好的阻燃性能。
2.1.5 乳液的選擇
由於太陽熱反射隔熱塗料主要用於建築物或油罐的外裝飾面，故其性能就必須滿足外牆的要求，要求具有良好的耐候性及保色性、優異的附着力及耐沾污性，有機硅樹脂能有效地抵禦紫外線對塗膜的光氧化降解，所以有機硅改性乳膠漆具有令人滿意的耐久性。有機硅樹脂分子由於具有有機基團，同時分子對稱性好，極性相互抵消，整個分子呈非極性，從而使其具有很低的表面張力，使塗膜具有很好的疏水性能。其優點在於：（1）能對建築物起到有效的保護；（2）能提高塗膜的耐沾污性，這是因為疏水性好的塗膜，吸水性低，進入塗膜毛細孔的灰塵少，所以耐沾污性提高。有機硅樹脂由於具有硅氧骨架結構，所以塗膜透氣性好。（3）有機硅樹脂Si-O主鏈成螺旋狀，其基團在界面能定向排列，與基層硅酸鹽類材料還可交聯，形成化學鍵，因此大大地改善了塗膜與基層之間的粘結，從而提高了塗膜的附着力。（4）該乳液還具有良好的延伸性，可使塗料具有優異的彈性，能夠彌補基層的細微裂紋
添加不透明聚合物乳液，可以提高塗層的太陽光反射率。這是由於干膜中粒徑均勻的中空不透明聚合物球體具有抗聚集效應，充分填充空心微珠中的空隙，使塗層中多級組合排列的空心球體更加緊密。如苯乙烯和丙烯酸酯的共聚乳液，乳液粒子呈球形，是由中空的苯乙烯芯/丙烯酸酯殼組成。起初，在乳液態和塗料中時，該聚合物的芯中充滿水，當塗料塗覆在基層表面乾燥後，水由微球的芯中擴散出來而被空氣所代替，形成微球內充滿氣體的空氣穴，使其成為具有極好的光散射介質，賦予干膜光散射效果和不透明度，從而進一步提高了塗層的太陽光熱反射率，也提高了塗料的白度和遮蓋力。
2.1.6 其他助劑的選擇
王曉莉等以水性丙烯酸彈性乳液為成膜物質，鈦白粉、空心玻璃微珠、高嶺土等為顏填料製備的反射隔熱彈性塗料中，通過調節助劑在塗料配方中的用量，發現0.22%的分散劑對塗料流動性的改善最為明顯；消泡劑含量為0.2%左右即可達到良好的消泡效果；耐沾污劑的最佳用量為1.3%。並且，鹼性條件更有利於分散劑效果的發揮，提高塗料的貯存穩定性。然而，助劑的添加對塗膜的拉伸強度和斷裂延伸率都有一定程度的影響。塗料製備中應該適當調整組分配方，避免不必要的負面效應，使塗膜的力學性能滿足不同的使用要求。
2.1.7 工藝流程
製備反射型節能塗料分為兩個過程，首先要在玻璃微珠表面包覆一層TiO2，然後以此為部分功能填料來配製反射型紅外節能塗料。以Ti(SO4)2為原料製備二氧化鈦包覆中空玻璃微珠的工藝過程為：稱取空心玻璃微珠5 g，加入到500 mL四口燒瓶中，加人蒸餾水50 mL，滴人2%的十二烷基苯磺酸鈉水溶液2 mL ，攪拌，分散，升溫到100C。用10%的NaOH溶液調節反應溶液的pH值。控制在不同的反應時間內加完Ti(SO4)2溶液。反應結束後，過濾，洗滌濾餅。濾餅在鼓風十燥箱中以120℃乾燥3 h，再在馬弗爐中於600℃煅燒2 h，得到包覆二氧化鈦的空心玻璃微珠。反射型功能塗料的製備工藝與乳膠漆的生產工藝基本相同：先分散顏填料，然後低速攪拌下加入空心微珠，攪拌分散均勻後加入乳液，再加入適蹬的消泡劑、增稠劑等助劑。由於微珠中空，在攪拌分散時注意避免微珠的破壞，需在低速攪拌下加入。
性能指標
各項性能指標
較早時候，太陽熱反射塗料沒有指標及行業標準，性能檢測主要參考美國軍標。楊曉鴻等研製了用於測量太陽熱反射塗層表面溫度和塗有太陽熱反射塗層的貯罐內液體溫度的自動檢測系統，能較好地測量和記錄即時溫度值和升溫曲線，對太陽熱反射塗料的研究大有裨益。殷燕子等在美國車標規定的熱反射塗料反射率測試裝潢進行了改進，消除了試驗過程中環境和人為因素對試驗結果造成的影響，可獲得科學可信的試驗結果，縮短研製過程。
2007年5月，國家發改委發布了建材行業標準JC/T 1040建築外表面用熱反射隔熱塗料，除了其他與塗料有關的綜合性能指標外，主要規定了太陽反射比和半球發射率這兩個代表熱反射隔熱塗料特性的指標和測試方法。這兩項指標均引用G．JB 2502-1 996衛星熱控塗層試驗方法(已被GJB 2502～2006航天器熱控塗層試驗方法代替)。2008年9月，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布了建設行業行標準JG/T 235-2008建築反射隔熱塗料，該標準主要規定了太陽反射比、半球發射率、隔熱溫差和隔熱溫差衰減(白色)4項指標，比建材行業標準JC/T 1040-2007多出2項與反射隔熱性能有關的指標，但太陽反射比和半球發射率2項指標均低於JC/T 1040-2007中指標要求。
力學及環境性能指標：符合有關標準，尤其是防腐蝕性能優秀。降溫性能指標：熱反射塗料(面漆)：反射率R≥70%( 0．3-1．35/μm)；半球反射率￡≥60%~70%( =8~13．5μm)。隔熱塗料(中間漆)；導熱係數p≤0．25W/cm·K。能滿足上述指標的塗層，一般可有較好的降溫功能。研製並批量供應市場的J332，其降溫性能指標舉例如下：熱反射塗料：白色R=0.98，￡=0.77；淡紅色R=0.71，￡=0．86。隔熱塗料(各色)：p≤0.25w/cm·K。
太陽熱反射率
太陽反射率是一個重要的特徵。顏料總是在某些種類的基料如塗料中使用，一旦塗料吸收了紅外能，其必定要向外散熱。不同的基材具有不同的散熱率。通過正確選擇顏料和使用塗料，將反射率和散熱率結合起來，可消弱建築物吸熱量，大幅降低製冷耗費，這樣散發到周圍環境中的熱會少些，因而可降低「熱島效應」。
3.2國內目前採用的幾種測試方法
(1)太陽光輻射試板(或小筒)法：即用太陽光直射塗有降溫塗料塗層的試板，試板規格多為100mmX 50mm X 2mm，板背置點溫計探頭。這種測試方法的特點是：①簡單、直觀，易與普通塗料塗層對比；②受陽光照度、板熱容量、環境(風速等)影響，難以得到準確數值。或者製成鋼板小筒，筒外壁塗降溫塗料，外壁及筒內分別置點溫計探頭測試。
(2)模擬太陽光輻照試板(或小筒)法：考慮到不同地區太陽光照射試驗的局限性，即環境溫度和太陽光的強度的差異性，需要使用紅外燈模擬太陽光進行照射試驗。模擬箱550mm×300mm×350mm的三合板製作，中間用20mm XPS聚苯板一分為二，成兩個測試艙，箱頂為斜坡(高度300mm)，四壁與箱底部位內襯20 mm XPS聚苯板。箱頂上方懸掛兩隻275 W的紅外燈，並接有穩壓變壓器。紅外燈距待測塗膜樣板的高度為250 mm。將塗料噴塗在330 mm×260 mm×0.5 mm的輕鋼板上，塗膜厚度為0.3 mm，室溫放置48 h。測塗膜表面的反射溫度及塗膜的隔熱溫度，用紅外燈同時對空白輕鋼板和塗膜樣板進行照射，從照射初始起計時和讀數，每5min記錄一次溫度，連續照射30 min後記錄平衡時樣板的溫度，根據不同配方塗料樣板溫度的變化來計算隔熱反射率：
P=(t blank-t1)/ (t0-t1)
式中：p-隔熱反射率，t blank:空白輕鋼板的實測溫度，固定為68℃；t1：實測的塗料樣板溫度；t0：當時的室溫。
模擬太陽光不是自然太陽光，其熱能分布與自然太陽光有差別，難以準確反映目標在真實狀態(自然太陽光)下的降溫效果。其優點是避免了環境的影響。
(3)太陽光輻照實物測試法：實物可以是鋼質容器、車輛、建築物等。把塗有不同塗層的試樣放在強太陽光下照射(室外溫度達到35～40℃的高溫天氣)，同時記錄環境溫度。每隔20 min用紅外線測溫儀測試試樣內外部溫度和環境溫度，測試至少6個周期以上。這種測試方法的特點是：①真實、可信度高；②對比性測試要多點測試並接入計算機。整個測試過程由計算機自動完成，全套測試設備價格高，需專業人員進行。
(4)塗層反射率、發射率及導熱係數測試：塗料降溫性能最直接的指標是其在所需(前述)波段內的反射率R、發射率e(熱反射塗料)、導熱係數J0(隔熱塗料)。R及e的測試可由專門儀器(如DG型地物光譜測試儀及IR～Ⅱ型發射率測試儀)進行。整個過程由計算機自動完成，可同時繪製塗層在所需波段的光譜反射曲線，並可給出該波長範圍內任意一點的反射率值，從而避免了人為主觀因素的影響。這種測試方法的特點是：①可真實反映塗層的降溫性能；②測試方法簡單、可行。[1]