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反射隔热涂料的研制和应用
苏孟兴1, 2，庄海燕1, 2，陈翔1, 2，王晶晶1, 2( 1.中国船舶重工集团公司第七二五研究所厦门材料研究院，福建厦门361101；2.海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室，福建厦门361101)
0 引言
太阳能是人类生存与生活的必备条件，但强烈的辐射也会给人们的生活带来诸多不便。强烈的太阳热辐射会使城市热岛效应加剧， 降低生活环境的舒适度。有数据统计表明，如果环境温度平均升高1 ℃，就会使空调能耗增加5%-8%。对于工业中露天的储油罐， 表面温度升高还会使储罐内油品蒸发加剧，造成油量损失，甚至会引发爆炸。太阳辐射引起的表面温度过高还会加速材料的老化， 降低其使用寿命。目前，反射隔热涂料的研究与使用，有效地减小了物体表面热量的吸收与积聚，降低了能耗，是一种先进的环境友好型技术。本文根据热反射、隔热和红外辐射综合降温机理，制备了白色、海灰色和深灰色反射隔热涂料，测试了反射隔热隔热涂料的常规理化性能和降温性能， 介绍了反射隔热涂料的实船试验情况，最后展望了反射隔热涂料的应用前景。
1 实验
1.1 主要原料
丙烯酸改性多羟基树脂：上海众取化工有限公司；脂肪族聚异氰酸酯：拜耳；丙烯酸树脂：上海众取化工有限公司；环氧树脂：岳阳石化；脂肪胺固化剂，上海众取化工有限公司；醇酸树脂：上海众取化工有限公司；有机硅改性丙烯酸树脂：海纳环保科技；氟碳树脂：大金；R706 钛白粉：杜邦；磷酸锌钠白色颜料：自制；IRR5铜掺杂磷酸锌钠黑色颜料：自制；镍掺杂磷酸锌钠绿色颜料：自制；乙炔黑：宝驰化工；铁黑：河北振华；SZH 黑色颜料：世展；10C、30C、411A 黑色颜料：薛特；煅烧高岭土：山西金阳；二氧化硅气凝胶：卓达；BYK110 分散剂： 毕克；EFKA4310 分散剂、EFKA2020 消泡剂、EF鄄KA3777 流平剂：埃夫卡；6800 分散剂：德谦。所有原料均为工业级。
1.2 热反射面漆制备方法
反射隔热涂料的制备流程图如图1 所示。将树脂、分散润湿剂、消泡剂、流平剂及溶剂在低速搅拌下充分混合均匀，加入钛白粉、自制高红外反射颜料、高岭土、二氧化硅气凝胶等颜填料，高速分散研磨一段时间后，采用砂磨使涂料细度≤30 μm。通过调节钛白粉和自制高红外反射颜料的种类和数量制备出白色、海灰色和深灰色反射隔热涂料。
1.3 试验方法
样板用150 mm×75 mm×2 mm 的钢板作基片，表面预先涂100 μm 厚的环氧云铁灰底漆，然后在底漆上涂覆200 μm 厚的中间隔热漆， 最后涂覆厚为80 μm 的热反射面漆。采用GJB 2502.2—2006 测试颜填料和涂层的紫外-可见光-近红外反射光谱，并计算总太阳能反射比。其他热反射性能和耐候性能均按照国家标准进行。
1.4 测试仪器
紫外-可见光-近红外分光光度计，PE Lambda750。
2 结果与讨论
2.1 反射隔热涂层的降温机理分析
到达地球的太阳光能量分布如图2 所示。
由图2 可以看出， 太阳光到达地球后的主要能量分布为： 少量的紫外线（占所有能量的5%）、可见光（43%）和近红外（52%）波段[4]，可见太阳能量主要集中在波长为0.4~1.8 μm 的可见光和近红外区。
入射在涂层上的太阳辐射被反射、吸收和透射（如图3 所示），涂层样板为不透明，所以透射部分的能量为零。如果研制的反射型涂料对太阳辐射的反射能力越高，涂层的隔热效果就越好。除了反射外，还有一部分能量以传导的形式进入涂层内部。对于这部分能量， 通过热传递的阻抗作用实现隔热被动式降温，一般采用低导热率材料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。对于已经进入涂层内部的能量来说，希望通过辐射的形式把物体吸收的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。
理想的太阳热反射隔热涂料形成的涂层应具有以下特点：（1）对太阳光全波段，至少是可见光和红外光波段具有高反射率；（2）能够将所吸收的辐射能全部转化为2.5～5 μm 和8～13.5 μm 波长范围内的红外光辐射到外部空间去；（3） 涂层具有尽可能低的传热系数；（4）具有较好的耐候性及其他综合性能。
2.2 反射隔热涂料的影响因素分析
2.2.1 成膜物的选择
反射隔热涂料的基料应根据反射率、吸收率和对涂膜的耐候性要求进行选择。太阳热反射隔热涂料处于强太阳光的直接照射下， 采用的树脂必须能耐紫外线的破坏。用于反射隔热涂料的树脂要求对可见光和近红外光的吸收率低，通常要求树脂的透明度高（透光率应在80%以上），对辐射能吸收率低（树脂分子结构中尽量少含C—O—C、C==O、—OH 等吸能基团）。太阳反射隔热涂料常用的树脂包括聚氨酯、有机硅改性丙烯酸、有机硅、苯丙、环氧、氟碳等。有机树脂对光吸收的强弱主要用折光指数来表征，折光指数越大，对太阳光的吸收能力越弱。有机树脂的折光指数介于1.45～1.50 之间，相差不大，因此不同种类的基料树脂对涂料隔热性能的影响较小。
选择丙烯酸树脂、环氧树脂、醇酸树脂、有机硅改性丙烯酸树脂、丙烯酸聚氨酯树脂和氟碳树脂及其固化剂共6 种清漆， 对比研究其耐紫外人工加速老化性能，数据列于表1。
由表1 可知，丙烯酸、环氧和醇酸3 种成膜体系在紫外人工加速老化3 000 h 试验后出现不同程度的粉化和变色，而有机硅改性丙烯酸、丙烯酸聚氨酯和氟碳3 种成膜体系无粉化不变色， 表明本实验选择的有机硅改性丙烯酸树脂、丙烯酸聚氨酯树脂和氟碳树脂3种成膜体系的耐紫外人工加速老化性能比较优异。综合考虑透明度、耐候性和价格等因素，选择丙烯酸树脂和聚氨酯固化剂作为反射隔热涂料的成膜物，利用其在室温下自交联的特性形成涂膜。
2.2.2 颜料的选择
颜料是决定涂层热反射性能的关键组分。为了获得对太阳光的最大反射率， 经常采用钛白粉等白色颜料作为反射隔热涂料的颜料。虽然白色涂料具有最优异的太阳热反射性能，但现实中彩色涂料更受青睐。不同彩色系颜料的可见光反射率受制于颜色选择， 且颜色越深，差值越大，最大可达20%以上。应尽可能选择红外反射颜料配制相同颜色的涂料。美国绿色涂料环境标志（GS-11 Green Seal Environmental Standard for Paints and Coatings） 对墙面建筑涂料的要求是浅色涂料反射率在65%以上， 深色涂料反射率在40%以上。用相同颜色涂料涂饰的外墙面， 反射隔热涂料和普通涂料相比，其表面温度会较低，颜色越深、明度越低，差值越大。
配制有色反射隔热涂料的关键之一是选择较低吸收率的黑色颜料。几种黑色颜料的紫外-可见光-近红外反射光谱见图4， 采用GJB2502.2—2006 标准计算这几种黑色颜料的总太阳能反射比列于表2。由图4和表2 可以看出， 不同种类的黑色颜料具有迥然不同的太阳光反射光谱和总太阳能反射比。乙炔黑和铁黑等常规黑色颜料在紫外-可见光-近红外整个波段均具有很低的反射率， 同时也具有极低的总太阳能反射比，其总太阳能反射比<3%，因此，乙炔黑和铁黑不适用于调制深色太阳热反射涂层。SZH 和10C、30C、411A 等黑色颜料在近红外波段的反射率明显高于乙炔黑和铁黑等常规黑色颜料， 经计算所得总太阳能反射率介于11.4%~19.4%之间， 也明显高于乙炔黑和铁黑， 表明SZH 和10C、30C、411A 等黑色颜料具有红外反射特性。自制的IRR5 无机高红外反射黑色颜料具有更高的近红外反射率和总太阳能反射率， 总太阳能反射率达到了34.2%。因此，采用IRR5 作为调制深色热反射涂料的高红外反射黑色颜料。
2.2.3 填料的选择
反射隔热涂料中添加填料主要是为了提高涂层辐射能力，增加隔热效果，改善漆膜性能，降低成本。为了提高涂层体系的隔热效果， 添加二氧化硅气凝胶作为隔热填料。二氧化硅气凝胶是具有微孔、中空和大孔的多孔材料，热导率≤0.012 W/(K·m)，低于静止空气的热导率[0.026 W/(K·m)]，同时具有稳定的物理化学性能。
2.2.4 涂膜厚度的影响
2.2.4 涂膜厚度的影响
反射隔热涂料在使用中，反射性能还受到漆膜厚度、施工状况、基材等因素的影响，其中漆膜厚度对热反射性能的影响较大。当涂层较薄时，太阳辐射能会穿透涂层，此时反射的能量会受到基材种类和基层表面状况的影响。涂膜越薄，基材对涂层反射比的影响越大。
为了获得反射隔热涂层厚度对热反射性能的影响规律，以碳钢基材为样板，制备了不同涂层厚度的海灰色反射隔热涂层样板，测试了太阳光反射曲线，计算出TSR，如图6 所示。
由图6 可以看出，随着涂层厚度由25 μm 增加到60 μm，涂层的TSR 从42%急剧升高至60%，继续增加厚度对涂层的TSR 影响不大。对于海灰色反射隔热涂料，为降低基材对其热反射性能的影响，应保证涂层厚度≥60 μm。
2.3 反射隔热涂料性能
2.3 反射隔热涂料性能
反射隔热涂料的性能测试结果如表3 所示。
由表3 可以看出，自制的反射隔热涂料具有优良的力学性能和防腐蚀性能， 同时白色涂层的太阳光反射率为86%，半球发射率为0.87，海灰色涂层的太阳光反射率为61%，半球发射率为0.89，深灰色涂层的太阳光反射比为46%，半球发射率为0.92，表现出较好的降温性能。
2.4 反射隔热涂料的应用情况
反射隔热涂层体系在运输船的指挥台顶部的实船涂装效果如图7 所示。可以看出，反射隔热涂层漆膜光滑平整，涂装效果良好。
3 结语
通过树脂筛选、颜填料选择和厚度控制，研制出了热反射性能和耐候性能优异的反射隔热涂料， 并实现了反射隔热涂料的实船应用，实船涂装效果良好。反射隔热涂料的使用将有效地降低物体表面及空气温度，缓解城市热岛效应，符合国家绿色节能环保的理念。随着国家对于建筑节能的重视， 相继推出了一系列建筑节能标准，如建设部已先后发布了《公共建筑节能标准设计》等21 项国家标准和行业标准并强制推行，反射隔热涂料的应用前景将变得更加广阔。
