建筑环保节能涂料及玻璃透明隔热涂料的研制

2011-02-23黄俊涛兰州交通大学铁道技术学院甘肃兰州730070

中国建材科技 2011年1期

黄俊涛（兰州交通大学铁道技术学院，甘肃兰州730070）

1 绪论

随着科学技术与社会生产的快速发展，能源和环境成为全社会日益瞩目的两大问题，从而为节能和环保提出更高的要求。世界能源需求量以每年2%增长，而这些能源大约有30%能耗在建筑物上。高性能的环保型建筑节能材料将成为解决建筑保温节能的突破口，建筑节能材料中建筑节能保温涂料因经济、使用方便、环保和节能效果好等优点而越来越受到人们的青睐，发展前景光明，将有望促进涂料市场和节能保温材料应用领域的拓展。建筑节能保温涂料技术的发展由以前的单一的、局部的、侧重某一方面的保温向一体化方向发展。基于这个发展趋势，同时对墙体、屋顶和门窗玻璃进行节能保温涂料的研究，力求使建筑节能保温效果达到最佳。

为适应建筑热环境改善的需要，我国的建筑能耗必将呈激增趋势。如果高能耗建筑继续大量兴建，建筑能耗急剧增加，那么不但会给我国能源供应带来巨大压力，而且会造成严重的环境污染，从而制约我国经济的持续发展，这与我国实施的可持续发展战略是背道而驰的。在建筑节能已成为世界性的大潮流的今天，在我国积极推进建筑节能，降低建筑能耗，有助于合理利用能源、改善生态环境和生存环境，具有异常重要的经济意义和社会意义。

2 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。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。

2.1 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。

2.2 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0.2~0.4μm，占太阳能量的5%；可见光区0.4~0.72μm，占太阳能量的45%；近红外区0.72~2.5μm，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0.4~1.8μm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。

2.3 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。

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：ρ(λ)+α(λ)＝1，其中ρ(λ)和α(λ)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8～13.5μm波段内，其发射率(等同于吸收率)即ε(λ)=α(λ)也尽可能高。

太阳的辐射能中0.3～2.5μm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8～13.5μm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。

2.4 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。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。

3 玻璃用透明隔热涂料的研制

3.1 ATO粉体玻璃透明隔热涂料简介

锑掺杂二氧化锡纳米粉末具有优良的电学性能和光学性能，作为透明导电氧化物被广泛用于制作场致发光器件、太阳能电池、电极材料、智能窗和建筑用低辐射率玻璃等。目前，合成ATO纳米粉末的原料主要采用的是锡和锑的氯化物体系，合成方法主要有固相合成法、化学共沉淀法、水热法以及凝胶溶胶法。固相法合成温度高，粉体掺杂不均匀，粒度大并且容易引入杂质；研究得最多的制备方法是化学共沉淀法，即以SnCl4/SnCl2和SbCl5/SbCl3为原料，用NaOH或者氨水作为沉淀剂，采用均相或者非均相化学共沉积法制备前驱体，经过高温煅烧得到ATO粉体。溶胶凝胶法由于要采用金属的有机醇盐为原料。而水热法制备纳米粉体具有高纯、超细、流动性好、颗粒粒度分布窄、颗粒团聚轻、晶体发育完整，工艺相对简单以及烧结活性好，水热后直接得到产品，不再需要后期的高温热处理，从而避免了高温煅烧过程产生硬团聚、晶粒长大以及混入杂质的可能等等优点。

目前制作透明隔热玻璃最常用的方法是在玻璃表面镀膜或贴膜，但由于生产成本较高，难以广泛应用。在制作隔热膜时一般采用高纯氧化锡锑(ATO)纳米复合粉末制成ATO靶材，然后在基体上成膜。ATO粉体具有优良的光电性能，在红外区的反射率达80%。采用ATO粉体制成透明隔热涂料，用于玻璃等基材，将有良好的市场前景和推广价值。本课题通过制备改性ATO粉体，意欲解决ATO粉体在树酯中的分散问题，针对水性体系中涂料与玻璃表面的粘结问题、表干实干时间较长、不易大规模生产等问题，结合光固化涂料的优势，开发了光固化透明隔热涂料。

3.2 改性ATO粉体涂料的制备

将一定浓度的分散剂的水溶液采用共滴加的办法在搅拌同时加入一定浓度的混合均匀的SnCl4.5H2O和SbCl3的水溶液和氨水。控制反应液的pH为2~3，滴加完后保持pH在3，继续搅拌反应1 h，得到一白色胶体溶液。将此白色胶体溶液进行抽滤，然后用去离子水洗涤。重复多次，直至彻底除尽所含有的Cl-，最后用无水乙醇进行洗涤脱水，最后得到淡黄色沉淀。

SnCl4.5H2O和SbCl3的水解反应总反应式如下：