保温涂料的研究现状及其展望

保温涂料的研究现状及其展望

吕 霞, 俞成丙, 张 云, 芮英宇 (上海大学高分子材料与工程系, 上海201800)

我国建筑物绝大多数是高能耗的非节能型建筑, 建筑物在使用期间, 采暖、空调、通风、热水供应等方面消耗了大量的能源, 这些能源约占人类总能源消耗的30% ~ 40%。我国能源利用率全国平均仅为30%左右, 而工业发达国家能源利用率已达70%以上, 在热能损失中因保温不良造成的损失占很大比例。为了保持建筑物内部温度、减少空调能源的消耗, 响应对建筑节能提出的要求[ 1] , 近年来国内外在保温涂料的保温机理和产品开发方面做了大量的研究工作, 本文根据这些年来保温涂料的发展历程, 总结了几种保温材料的保温隔热机理及其的优缺点, 并提出了新型保温涂料的发展方向。

1 国内外研究动态
国外早在20世纪70~ 80年代, 就有文献报导由丙烯酸乳液及复合材料制成的用于金属表面的绝缘涂膜具有隔热的物理特性[ 2]。20世纪末, 美国出现了将陶瓷保温涂料涂覆在金属表面上的应用, 尤其是在燃气轮机柴油机上应用的隔热涂层[ 3] 。陶瓷保温涂料因其经济、使用方便和隔热效果好等优点, 成为在欧美广泛采用的新型建筑保温材料, 德国、瑞士等西欧国家和意大利、西班牙等地中海沿岸国家也是这种环保节能型涂料的重要消费国。由于保温涂料具有涂料和保温材料的双重功能, 因而国外许多学者对其进行了大量的研究。Raouf等[4] 将富勒烯用在新型隔热保温材料中, 微米级富勒烯薄膜由于其低导热性和高发射率, 能够在800 e 下使其基层隔热降温达100 e 以上。Shinkareva 等[ 5] 将空心玻璃微球镀镍后作为填料, 由此制备了具有良好隔热性能、较低电阻率的保温涂料。Nahar等[ 6] 对干旱地区太阳光的冷却技术进行研究后发现, 测得涂有反射涂层的室内温度比未涂反射层的室内温度低很多。SynnefaA 等[ 7] 对城市环境热反射涂层的热性能进行了研究, 从国际市场上挑选了14 种反射型的涂料, 并将其应用于建筑物的表面和城市环境中的其他表面, 考察它们的降温性, 结果发现选择合适的涂料, 会对缓和热岛效应、减少建筑物的冷却负荷和电力消耗做出贡献。

国内目前生产和使用最为广泛的保温涂料仍然是阻隔型保温涂料, 尤其是复合硅酸盐类保温涂料, 该涂料是以多种含铝、镁的硅酸盐非金属矿物纤维为原料, 掺杂一定数量的辅助原料和填充剂, 并加入化学添加剂制成的。另外, 利用多种隔热机理的综合作用制备的复合型保温涂料, 可充分发挥各方面的优势, 使其具有更好的保温效果。反射型保温涂料, 由于反射太阳热型绝热涂料能够有效降低炎热地区夏季墙面的温度, 其应用已引起众多学者的关注并对其进行研究[ 8- 9] 。尽管我国对保温涂料的研究起步较晚, 但已取得了不少成就。中国建筑材料科学研究总院环境工程研究所研发生产的陶瓷保温涂料已通过建设部科技成果评估, 辛志军等[ 10] 的研究证明的陶瓷保温隔热涂料代替普通建筑外墙装饰涂料, 并与聚苯乙烯保温板外保温系统形成的新型保温隔热体系, 新体系具有保温隔热性能更优异、提高建筑舒适度、有效延长保温系统使用期等优点, 且施工方便、配套广泛、成本较低, 能带来显著的社会效益和经济效益。黄乃瑜等[ 11] 开发了金属型铸件专用保温涂料, 该保温涂料具有良好的悬浮性和涂覆性, 与底漆和面层导热涂料配合使用具有明显的调节铸件冷却速度的效果。北京国邦技术发展中心借鉴国外航天工业用高科技绝热瓷层的技术思路, 利用国产原料研制开发了具有自主知识产权的薄层保温涂料。该涂料以硅丙乳液等水性高分子材料为基料, 通过添加中空陶瓷珠粒等功能性填料, 得到对太阳热反射率高、导热系数低的绝热涂料。

2 隔热保温涂料
隔热涂料是以保温、降温和隔热为目的功能性涂料。其中, 阻隔性隔热涂料是通过对热传递的阻断作用来实现隔热目的。阻隔型保温涂料的原材料很容易得到, 生产设备简单,投入少产出大, 施工方便; 此类涂料的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保护层。应用最广泛的阻隔型保温涂料是复合硅酸盐保温涂料, 近年来, 复合硅酸盐保温涂料用于建筑物保温已得到认可, 并已有广泛的实际应用。但该涂料仍存在自身材料结构带来的缺陷, 如干燥周期长、施工受季节和气候影响大、耐冲击性较差、干燥收缩大、吸湿率大、对墙体的粘结强度偏低、施工不当易造成大面积空鼓现象且装饰性有待进一步改善等不足。因此, 充分利用我国在这方面所取得的技术优势,进一步提高复合硅酸盐保温涂料的综合性能, 是今后的研究重点之一。裴世红等[12] 对构成复合硅酸盐涂料的十几种原料用正交实验设计方法选出了合理的配方, 按此配方制备的试样达到国内先进水平, 并用自制装置测试了试样的相对热导率, 为固体材料导热性能测试方面提供了简便易行的技术。于明涛等[ 13] 对硅酸盐系保温涂料进行了研究, 得到了较好的涂料配方, 制备的硅酸盐系保温涂料可在常温下涂刷施工, 环境友好, 机械性能和隔热效果较好。

选择性热反射涂料是最近几年国外开发出的效果显著的隔热涂料, 其理论研究也日臻完善。它是一种以反射太阳光中近红外部分为主的涂料, 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, 能反射掉大量的太阳辐射, 减少空调能耗, 有显著的节能效果, 可用于建筑物屋顶、玻璃幕墙、海上钻井平台、油缸、石油管道、汽车、火车、飞机表面、船壳、以及坦克、军舰、火箭和宇宙飞船上, 但此类涂料目前在我国仍处于研制开发阶段。反射型保温涂料应具备对各种基材附着力好、与底漆中间漆的相容性好、耐候性优异等特点, 其制备采用的溶剂应无刺激性气味, 可减少施工对环境的影响。但现实问题是大多数反射型保温涂料是溶剂体系,因此, 如何制得具有良好应用前景的水性反射型保温涂料成为广大涂料工作者研究的新课题。赵金榜介绍了2 l世纪世界涂料发展的重点, 并对水性隔热保温涂料的由来、发展历程以及面临的挑战作了简述[ 14] 。N elson 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Ceram icS il32珠光隔热剂制得了隔热性能优良的水性隔热涂料[ 15] 。

涂料真正要做到隔热效果良好则需要将多种隔热机理协同作用, 这是一个发展方向, 国外已有此类产品, 它系高分子聚合物多元改性共聚而成的溶剂型复合隔热涂料, 这种涂料除了有良好的保护装饰性、耐候性、绝热性、物理化学性能以及反射红外线等功能外, 还具有对太阳热反射率高的特点。此外, 水性反射隔热涂料、薄层隔热反射涂料、真空绝热保温涂料以及含有纳米或纳米以下微孔结构的涂层和用纳米材料制成的涂层都将是下阶段发展的热点。

3 保温涂料的发展动向
311 水性反射隔热涂料
20世纪90年代美国根据原有的太空绝热涂料技术开发了水性隔热保温涂料, 不久, 日本、加拿大、澳大利亚和德国等也开发了这类涂料, 我国在20 世纪末到21世纪初这种涂料一直是空白, 虽有探索研究但未见产品出现, 直到2006年上海一企业终于研制成功这种产品, 并填补了国内空白。水性隔热保温涂料是一种主动式和智能型的隔热保温涂料, 将其施涂在建筑外墙上后, 涂膜受到阳光的照射刺激, 就会立即将阳光中热能的主要来源红外线部分光线反射掉。普通的建筑材料, 如混凝土、砂浆、砖石等对整个太阳能波谱范围内的太阳辐射能吸收率可达85% ~ 95%, 用这种反射型隔热保温涂料对建筑物外表面进行防护, 其热反射率可达到60% ~ 90%, 这是普通涂料所不能及的。李冰等[ 16] 采用正交试验设计和自制隔热检测装置确定了最佳实验方案, 并制备了能达到建筑外表面使用要求和热反射隔热涂料标准要求的水性薄型热反射隔热保温涂料。张宜恒等[ 17] 将颜填料、部分丙烯酸弹性乳液和助剂等混合均匀, 用锥形磨研磨到合适的细度制成色浆, 然后加入剩余乳液和助剂, 分散后在低速搅拌下加入空心微珠, 制备了性能稳定、表面光滑、涂层薄、耐沾污、热反射效率高、隔热性能良好且适应范围广的隔热保温涂料。刘杰等[18] 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、颜基比及涂抹厚度对涂层隔热性能的影响。结果表明, 以水性丙烯酸树脂为成膜基料, 以金红石型二氧化钛、硫酸钡、空心陶瓷微珠为隔热功能颜填料, 再加上云母粉、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%。

312 多功能薄型隔热保温涂料
最佳隔热保温涂料的基本功能应该是在阳光照射下具有全面协同的光谱特征和阻止热传递的功能。现阶段最有效可行的方法是制备一个多涂层的复合体系, 面涂层的功能要求符合光、热的反射、吸收和发射机理; 中涂层的功能是通过热传递的阻抗作用实现隔热, 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; 配合具有防腐防水功能的底漆, 使之成为一个完整的隔热体系。制备既有良好的隔热效果又较薄的保温涂料, 一直是广大涂料研究人员的努力目标。余丽蓉等[19] 选取了近红外反射率较高的改性空心玻璃微珠、金红石型二氧化钛、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保温涂料, 该涂料具有良好的隔热效果和施工、使用性能。殷武等[ 20] 选用合适的中空玻璃微珠、纳米浆料和氟硅改性丙烯酸乳液, 制得一种耐久性好、热反射率高且导热系数低、可薄涂施工的新型保温涂料, 将其用于外墙外保温体系中作饰面涂层, 可防止外墙外保温体系中的聚苯板保温层因外界环境温差的剧烈变化而产生开裂、脱落等现象, 从而大大提高了保温体系的使用寿命。采用耐候性、韧性、成膜性及耐温性等性能好的基料, 以及轻质、孔隙率高、热绝缘系数大、反射率高、表面光洁的填料, 辅以合适的分散剂、阻燃剂、成膜助剂等, 目前已能制备出热反射率可达85%以上的薄层隔热反射涂料。通过阻隔、反射、辐射等机理来降低被涂物内部的热量积累, 目前国内外对这种涂料的研究取得了一些进展。随着研究的不断深入, 技术的不断成熟,集阻隔型、反射型、辐射型3种隔热功能为一体的高效薄层隔热防腐一体化的隔热涂料将成为研究的主要方向。

313 纳米孔超级绝热涂料
超级绝热材料的概念起源于20世纪90年代初期, 美国恩威尔特的CC100绝热涂料已进入中国市场, 将该涂料涂覆于建筑外墙可使室内空调最高节能达75%, 李宇顺等[ 21] 测试了在钢结构营房上喷CC100绝热保温涂料的保温隔热效果, 结果发现喷涂了恩威尔特CC100涂料后可以减弱日光对营房内的热辐射以及营房内向外界的冷量的散失, 从而节约室内制冷的电耗。随着纳米材料的研究在国内外的不断升温, 纳米孔绝热材料的研究也不断向实用化与工程化发展。纳米孔超级绝热材料是建立在低密度和超级细孔结构基础上, 理论上其导热系数可趋近于零。研究人员以合成树脂乳液为基料,加入反射率高、热阻大的纳米级反射隔热材料, 制备出纳米绝热保温涂料。作为最具市场应用潜力的新兴纳米科学技术,其发展为隔热保温涂料的研究提供了前所未有的机遇和可能性。孟庆林等[ 22] 将纳米ATO与水性聚氨酯通过一定的工艺制备出纳米保温涂料, 在常温下将之涂在玻璃表面可制成低辐射玻璃, 该涂料具有较好的隔热效果, 可见光透过率较高,具有良好的市场应用前景。
除此以外, 由于阻隔型、反射型和辐射型3种保温涂料各有其优缺点, 因而将这3种隔热机理协同作用, 充分发挥各自的特点、优势互补, 构成一个具有综合隔热性能的涂料体系,可大大提高隔热效果。此外, 开发多功能、高效率、高性能的保温涂料, 更是人们所希望的发展方向。

4 结 语
目前, 国内阻隔型、反射型和辐射型保温涂料还没有得到广泛的应用, 随着科学技术的飞速发展, 保温涂料的应用领域不断扩大, 为保温涂料的研究与发展提供了前所未有的机遇和可能性。而今, 随着能源的日益紧缺, 节能降耗成为科技开发的基本目标之一。在我国能源消耗中, 建筑能耗大约占全国能源消耗的四分之一, 而建筑用绝热材料仅占隔热保温材料总量的11%左右, 可见建筑节能潜力很大, 大力发展建筑隔热节能涂料及相关技术具有广泛的应用前景。同时, 人们对隔热机理还在不断深入的研究, 许多新型的隔热保温材料会陆续开发出来, 隔热保温涂料将朝着更加多元化的方向发展。