太阳热反射隔热涂料原理及发展趋势研究

    【建材网】摘要:综述了太阳热反射涂料的研究进展。对太阳热反射涂料基本原理、测试方法以及原材料对性能的影响进行了分析,展望了太阳热反射涂料的发展趋势。
　　
　　关键词:太阳热;反射;隔热;涂料;发展趋势
　　
　　中图分类号:TQ630·7文献标识码:A文章编号:0253-4312(2010)01-0070-05
　　
　　0引言
　　
　　可以说,地球上绝大部分能量都来自于太阳,煤炭、石油、风能、水的运动能等都是太阳能的一种形式。现在太阳仍以大约1·77×1017J/s的速度将能量辐射到地球表面,给地球生命提供了生存条件,但强烈的热辐射也给人类生活带来诸多不便。据分析,喷淋装置、空调、冷气机和电风扇等降温制冷设备每年所消耗的能量占全年总能耗的20%以上[1]。所耗能量大部分又是煤炭火力发电产生,消耗煤炭———间接的太阳能,同时产生大量的二氧化碳等温室气体,加剧了全球气候变暖,如此恶性循环造成人类居住的地球环境越来越恶化。如何合理地利用太阳能造福于人类,建立人与自然和谐共存的关系,是全人类所面临的共同课题与严峻挑战。直接利用太阳能发电是较环保、较有前途的主动利用太阳能的方法,但全面取代火电尚需时日。开发太阳热反射隔热涂料降低建筑物、设备表面温度是一种被动利用太阳能的方法,对节约能源、保护环境、创建人与自然的和谐关系具有重要的意义。
　　
　　1太阳热反射涂料基本原理
　　
　　太阳的能量产生于热核反应,以热辐射的形式向外发送,能量分布见表1。

　　氯化聚乙烯树脂的反射率较高,聚氨酯树脂反射率较低;底漆加面漆组合反射率即可远远大于50%合同技术指标(参考美国军标)要求,无需添加高反射率的中间涂层。　　郭年华[6]研制了聚氨酯改性氯丙树脂太阳热反射涂料,改性后的氯丙树脂使涂层性能有了明显提高,以改性树脂制得的白色漆的热反射率高达75%,达到美国军标要求。随着环保要求的不断提高,采用高固体分、无溶剂和水性树脂已成为涂料工业的发展趋势,因此,耐候性好且符合环保要求的无溶剂聚氨酯、硅丙乳液、水性聚氨酯、水性氟树脂等成为太阳热反射隔热涂料的优选树脂。洪晓[7]研制了太空绝热反射涂料,采用硅丙乳液和水性氟碳乳液作成膜基料,通过选择功能填料,产品热反射性能和隔热性能均达到或超过国外同类产品。

　　3·2颜填料
　　
　　涂层热辐射率取决于颜填料折光指数(np)与树脂折光指数(nr)的比值(np/nr)、涂层厚度、颜填料粒径、颜填料纯度以及颜料体积浓度(PVC)等。
　　
　　3·2·1颜填料光学性质
　　
　　当颜填料的折光指数和基料的折光指数相等时,涂料是透明的,当颜填料的折光指数大于基料的折光指数时,涂料就有遮盖力。

　　根据上述分析,颜填料粒径大对反射太阳热辐射有利,较小不应小于0·02μm,否则对温控没有贡献。但是颜填料粒径大,涂膜表面粗糙、孔隙多,易沾污,导致表面反射能力下降,因此,应有一个合适的粒径搭配,使涂膜既有良好的反射能力,又有较好的耐沾污性能使涂膜表面保持平整光滑。郭清泉等[9]研究了涂层日光热反射能力与反射材料粒径基聚集状态的关系,发现对单一颜料体系来说,在0·2~1·0μm粒径范围内累积质量分数越高,太阳热反射能力就越强;对复合颜料体系来说,由于颜料　　OralR·VanBuskirk[13]以聚偏氟二乙烯和聚异丁烯酸酯与3(2’-异丁基羟乙基)2,2-螺环己基噁唑烷共聚物组成的混合物为粘结剂,以黑色尖晶石颜料Co、CuCr、CuCo发明了一种太阳能选择吸收涂层,其中树脂混合物有较好的抗紫外线能力,可用作太阳热反射涂料的粘结剂。　　4·2新型颜填料和涂料
　　
　　颜填料是太阳热反射涂料中的光学活性物质,对涂层性能起决定性作用。通过对不同元素的各种化合物光学性能研究、微观结构(晶体结构、聚集状态)对光学性能的影响以及通过特殊工艺(沉积、包覆等)制备复合颜填料,可不断开发出性能、用途各异的新型颜填料。
　　
　　GottfriedHaacke[14]以锡酸镉添加少量铜发明了一种可用于建筑玻璃窗上的涂层,该涂层可反射红外光同时透过可见光。
　　
　　HenryMar[15]以肟固化的有机硅酮为粘结剂、添加高纯颜料BaTiO、CdS、CoTiO、CdSe发明了一种低红外辐射涂料,可用于分散红外辐射、视觉伪装、热控以及长时高温隔热等,可作为核爆炸防护涂层。
　　
　　PaulWeber[16]发明了一种制作反射红外线颜料的方法,以云母、玻璃、不吸收红外线的硅酸盐及相似物为载体,其上沉积10000到50000埃的贵金属如金、银、铂或锌、镍、铜、铝等,再在金属表面沉积100到300埃的电介质如二氧化钛、硫化锌及其混合物;所制备的红外反射颜料对750~1000nm的红外线有75%的反射率,对3000nm的红外线有近100%的反射率;可用常规树脂如醇酸(包括改性醇酸)、环氧(包括环氧酯)、精油树脂、氯化橡胶、乙烯树脂、聚氨酯、聚酯、无机硅或有机硅、聚酰胺、丙烯酸聚合物等制备涂料;涂料可用于砖结构、混凝土、灰膏、塑料、木材、纤维板及金属表面。ShulamitWasserman[17]发明了一种高红外反射率、低光泽的涂料,以聚烯烃为扩展剂,以600℃煅烧的金属氧化物、金属鳞片膏及二者混合物为颜料,以改性聚氨酯为粘结剂,该涂料同时还具有耐化学品性能,符合美军标MIL-C-46186(ME)。
　　
　　李红玲等[18]以合成乳液为基料,以细磨云母和高纯反光材料YZ为功能填料,制备了太阳热反射涂料;同时以非晶质二氧化硅为功能填料,制备了隔热底层涂料,以二者制备复合涂层,反射比为0·856,热辐射率为85%。
　　
　　马宏等[19]以自制的热塑性丙烯酸树脂为基料,通过研究不同颜料、颜填料纯度、颜基比、涂层厚度对反射率的影响,特别研究了空心玻璃微珠对涂层性能的影响,研制出了高性能太阳热反射涂料,太阳热吸收率为0·16,红外辐射率为0·87。殷燕子[20]等采用正交试验法研究了颜填料对太阳热反射涂料性能的影响,得出了热反射涂料的较佳配方,其热反射率达到了92%,高于国内同类产品。　　4·3深色太阳热反射涂料
　　
　　白色和浅色太阳热反射涂料反射效率较高,也较容易开发,但深色太阳热反射涂料对军方是必不可少的,同时民用市场也需要丰富多彩的各种颜色的太阳热反射涂料。
　　
　　NaofusaYamada[21]发现,通过用颜色原理混配出的深颜色比单一深色颜料提供的深颜色有较低低红外吸收率,比如常用的黑色颜料如炭黑、铁黑、铜铬黑红外吸收率都很高,而由红和青或黄和紫组成的消光黑色对380~780nm的可见光无反射,对780nm以上的近红外却具有高的反射率,通过配以耐候性的树脂,可制备出长效的白色以外的太阳热反射涂料。

　　孙元宝等[22]研究出了绿色系列太阳热反射涂料,草绿色涂层在远红外区的反射率很高,在很宽的范围内超过了75%,较高达到79%;深绿色涂层红外反射值也达到了74·4%,远远高于美国军标深色热反射涂料50%指标要求。
　　
　　4·4单一涂层的太阳热反射材料
　　
　　单一涂层集防腐、隔热、反射等功能于一身,可减少施工工作量,同时涂层质量容易得到控制,因此,市场有一定需求,也是太阳热反射涂料发展的趋势之一。
　　
　　张彦军等[23]研究出了薄型太阳热反射隔热涂料,所研制的涂料在基材表面形成一层光滑、反射率高的致密漆膜,单层干膜43μm涂层太阳光热反射率达到了0·90,具有很好的太阳光反射能力。
　　
　　郭清泉等[24]研制了金属用单涂层太阳热反射水性涂料,将防腐、隔热、环保等多种性能综合体现在一层涂层中,在可见-红外波段的反射比达到80·6%。
　　
　　EdwardMoynihan发明了反射一种太阳能膜结构,以聚乙烯醇缩丁醛为粘结剂、以不透明的金属片(如银、金、铝、铜)为反光材料组成混合物,再通过膜具挤压成膜[25-26]。
　　
　　5·太阳热反射涂料发展趋势
　　
　　随着科技的发展,社会的进步,太阳热反射涂料呈现出以下发展趋势:
　　
　　(1)高耐候、长效性。改性丙烯酸树脂、聚硅氧烷树脂、含氟树脂等耐紫外线性能优异的树脂的不断开发,配以高光学性能的颜填料,使得高耐候、长效性的太阳热反射涂料的开发成为可能,加之自清洁技术等合成于同一涂层中,有望实现15年以上的免大修寿命。
　　
　　(2)单一颜填料向高纯度、复合颜填料向高性能方向发展。通过对高纯度颜料光学性能的理论研究和试验,对单一颜料的光学性能有更深刻的认识,然后通过特殊工艺,开发各种高性能复合颜填料,使太阳热反射涂料光学效率更高、效果更好。
　　
　　(3)环境友好性。社会发展要求人类活动对环境的负面影响越小越好,因此,水性、高固体分、无溶剂型涂料也成为涂料发展的大势所趋。