陶瓷材料在夏热冬暖地区建筑隔热中的应用

李智鸿，苏华枝，吴建青

（1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州510640；2.佛山市大千色釉料有限公司，广东佛山528137）

1 前言

由社会能源消耗结构可知，我国的能源消耗主要表现在三个方面：建筑能耗、交通能耗和工业能耗。随着人们对室内环境舒适度要求的提升，建筑能耗呈飞速上升的趋势，因此建筑节能是实现绿色发展的一项重要措施。

城市化进程使得热岛效应的影响逐渐增大，很多城市的白天平均温度比周边城郊地区的白天平均温度要高[1,2]。环境温度上升导致建筑物内的室温升高，在南方，尤其是夏热冬暖的华南地区，减少建筑物对太阳辐射的吸收，降低空调能耗对节约能源有十分重要的意义。根据国外对反射涂料的研究结果，太阳热反射材料可以有效地减少热量传递到室内，在夏天室内温度可降低5℃以上，每年每平方米可以节约空调能耗2.5 kWh以上。据建设部测算，2020～2030年左右，我国的建筑能耗将上升到总能耗的30～40%，其中外墙所承担的保温节能效果占建筑节能整体的50～60%。目前建筑外墙用的隔热材料除了Low-E玻璃幕墙就只有反射隔热涂料可选择，住宅等大多数建筑物一般不使用玻璃幕墙，而涂料的使用寿命短，再次涂装会带来污染与干扰。因此对使用寿命与建筑物相等、隔热效果显著、美观的隔热陶瓷材料进行研发，明确其隔热机理，优化制备工艺，对夏热冬暖地区的建筑节能具有重要的意义。

一般而言，除建筑物内部人类活动产生的热量以外，室内温度上升主要源于太阳辐射对建筑的作用。太阳热量作用于建筑外围有三种形式[3]：一是太阳热辐射直接作用于建筑外围，建筑表面的材料对热辐射产生吸收；二是太阳热辐射使建筑物周边的空气温度上升，导致空气与建筑表面的材料产生温度差，两者产生热交换，最终两种介质的温度趋于平衡；三是建筑物与外部环境发生的辐射换热。针对以上几种换热形式，研究人员[4-6]从材料研发的角度提出了一些解决方案，用于实现建筑物室内降温，其中最主要的是阻隔型隔热材料、反射型隔热材料和辐射型隔热材料。

2 阻隔型隔热材料

阻隔型隔热材料利用材料本身的低热导率，阻碍材料两边的介质发生热传导。无机阻隔型隔热材料多为多孔陶瓷，而复合阻隔型隔热材料指的是有机涂料与中空微珠及无机化合物充当填料的复合材料，其中起隔热作用的主要是中空微珠。

2.1 多孔隔热陶瓷

多孔陶瓷的气孔率在25～95%之间，具有轻质、耐酸碱、耐高温的特点，可在条件极端、工况严苛的场景下应用，如高温窑炉隔热层[7]等。除此以外，还可用于催化剂载体[8]、吸声材料[9,10]、污水及空气净化[11,12]、生物应用技术[13]、建筑物保温[14]等多个领域。

在多孔隔热陶瓷制备中，通常采用SiC，MgCO3等中的一种或者多种组合为发泡剂，发泡剂在高温下分解可以产生气体，从而形成气泡，体积膨胀，使产品的容重变低。这些发泡剂在反应过程中会释放出CO2气体，高温下由于有液相存在，释放出的CO2被液相包裹形成封闭气孔，从而使产品急剧膨胀。化学反应的快慢主要取决于反应物的活化能、反应物的浓度与反应温度。在反应物的活化能一定的条件下，反应速度就由反应物的浓度与温度决定。对于上述的分解反应，反应物的浓度越大，温度越高反应越容易进行，通常温度每升高10℃，反应速率增加2～4倍。因此，在适当的温度下延长保温时间，能促进坯体发泡膨胀。对于常用的SiC发泡剂，氧化越充分，发泡程度越大。因此，隔热保温陶瓷发泡程度主要取决于坯体配方、发泡剂的种类、用量、细度、烧成制度（包括烧成时间、烧成温度、保温时间）等因素。通过控制混合型发泡剂的用量以及各组分之间的配比以及烧成制度，就能够控制生成的气体量，在材料内部形成需要的气孔量。如表1所示，目前技术能够批量制备密度为0.25～0.5 g/cm3，导热系数为0.07～0.12 W/（m·K）的轻质陶瓷板，建筑用隔热陶瓷产业化努力的目标应当是密度在0.15g/cm3左右，导热系数低于0.05W/（m·K），并且具有较高强度的轻质陶瓷。

除了长石质陶瓷等普通陶瓷，多孔隔热陶瓷的材质还有很多，比如钛酸铝、莫来石、镁橄榄石、镁铝尖晶石等。钛酸铝多孔陶瓷的热膨胀系数较低、耐高温、耐候性强，能较好地抵抗热震冲击。莫来石多孔陶瓷除了抗腐蚀抗氧化能力强、抗高温侵蚀外，还具备荷重软化温度高、优良的电绝缘性能等特点。镁橄榄石多孔陶瓷的熔点高、稳定性高、与其他碱性材料相容性良好。镁铝尖晶石多孔陶瓷的耐磨性好、酸碱稳定性强、热膨胀系数低、抗热震性能强，熔点高达2135℃。赵杰等[15]将短切莫来石纤维与正硅酸乙酯、乙醇、氢氟酸、甲酰胺和水混合制得坯体，烧成后得到多孔轻质莫来石陶瓷，其气孔率高，隔热性能好。钛酸铝在800℃易发生热分解，较高的热膨胀系数容易使材料内部产生大量微裂纹。因此，刘欣等[16]提出，莫来石的“钉扎”效应可用来提高钛酸铝的热稳定性，镁铝尖晶石可用于提高复合陶瓷的力学性能，他们以质量比为63：27：10的钛酸铝、莫来石、镁铝尖晶石为主要原料，以淀粉作成孔剂，研究了复合多孔陶瓷的热稳定性，以及气孔大小对陶瓷隔热性能的影响。Wen Y等[17]发现硅微粉的加入可以在轻质多孔陶瓷烧成时促进气孔长大，当硅微粉加入量为3.2 wt%时，多孔镁铝尖晶石陶瓷的性能最佳。

表1 常用建筑材料的密度与导热系数

2.2 陶瓷材料在阻隔型隔热涂料中的应用

根据我国国家标准[18]规定，阻隔型隔热涂料的热导率应小于0.06 W/（m·K）。阻隔型隔热涂料以有机树脂为基体材料，加入填料和空心微珠及少量助剂制备而成。空心微珠是一类具有低热导率的材料，一般为陶瓷空心微珠[19,20]和玻璃空心微珠[21]。空心微珠球体壳层呈刚性，保证了球体中间的空气不被压缩，由于空气的热导率很低，因此空心微珠的隔热性能很好。陶瓷空心微珠耐火度高、力学性能较好，而玻璃空心微珠的透明度较好、质轻、制作成本较低，因此在制备阻隔型隔热涂料时，可将陶瓷空心微珠和玻璃空心微珠复合使用。此外，玻璃空心微珠力学性能相对较差，使用时需谨慎控制添加量，过多的玻璃空心微珠会导致玻璃的破损率明显提高，分散性和施工性都显著下降。

邢俊等[22]研究了陶瓷空心微珠和玻璃空心微珠含量对涂层隔热性能的影响，发现两者均在添加量高于10 wt%时，样品的隔热性能不再提高。此外，添加陶瓷空心微珠使涂料有严重增稠现象，而玻璃空心微珠在涂料中的稳定性较好。宋云娟等提出在空心微珠添加量不变的情况下，涂层的隔热性能与空心微珠的级配密切相关，通过陶瓷空心微珠、玻璃空心微珠与乳液基材混合，获得的最优样品的隔热温差为8.7℃。

3 反射型隔热材料

3.1 陶瓷材料对太阳光的隔热机理

光从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质间的光学性能差异，原来的光会产生吸收、反射、散射、透射。对于陶瓷釉层而言，散射部分的能量最终还是以吸收、反射、透射的能量表述。由于陶瓷基体基本不透光，因此透射效应可忽略不计，即只需考虑陶瓷材料对太阳光的吸收和反射作用。当样品对太阳光的反射能力提升时，吸收能力下降，隔热性能提高。而陶瓷对太阳光的反射作用受多方面因素影响，如晶体类型、晶体的体积浓度、反射层厚度等。

图1 基于AM1GH方法的太阳辐射分布光谱[23]

根据图1所示的太阳光能量分布可知，太阳光在不同波长下的能量密度不同，紫外波段（200～400 nm）能量约占太阳光总能量的1～5%、可见光波段（400～780 nm）能量约占太阳光总能量的45～50%，近红外波段（780～2500 nm）能量约占太阳光总能量的50%。若能提高陶瓷对可见光和近红外光的反射效果，则可提升反射型隔热陶瓷的隔热能力。由于材料在可见光区对不同波长的光有特定规律的反射或吸收特性，因此对于彩色的反射型隔热陶瓷而言，提升隔热性能的关键在于提升陶瓷对近红外光的反射能力。

3.2 反射型隔热陶瓷砖

太阳光作用于陶瓷砖时，陶瓷砖的反射性能受表面层的晶体种类和晶体含量的影响非常大。通常釉面砖中釉层含有的晶体的折射率越高，釉层对太阳光的反射性能越好。釉中晶体的分布、晶粒尺寸等因素都会对釉层的反射性能有影响，而陶瓷烧成是一个复杂的过程，配方组分和烧成制度的改变可能会导致釉层的反射性能发生明显变化。此外，釉层厚度影响釉的反射性能也是十分显著，当釉层较薄时，厚度增加会使反射性能明显增强，釉层达到一定厚度时，太阳光反射比的增幅变得非常小。

目前关于反射型隔热陶瓷砖的研究较少，较早开发反射型隔热陶瓷砖的是劳伦斯伯克利国家重点实验室（LBNL）的Ferrari等[24]，他们制备了底层为坯体、中层为化妆土、顶层为透明釉的多层复合陶瓷砖，其中化妆土层中包含有折射率较高的晶体，为陶瓷砖提供了优良的反射性能，实验中得出的最高的太阳光反射比约为0.9。此外，研究表明，以含钛矿物为主晶相的釉层对太阳光也具有高反射的性能[25,26]。

3.3 陶瓷材料在反射隔热涂料中的应用

反射型隔热涂料的化学组分与阻隔型隔热涂料的十分类似，主要差别在于反射型隔热涂料使用对太阳光有高反射性能的材料作为填料。因此，高反射填料和空心微珠常常同时应用在隔热涂料中，这样可以明显提升涂料的隔热性能。

钛白粉（锐钛矿型和金红石型二氧化钛）是目前最为广泛使用的填料，其价格相对较低，反射性能较好，且锐钛矿型二氧化钛具有一定的催化活性，在自清洁、杀菌方面有一定效果[27]。除钛白粉外，还有硫酸钡、氧化锌、氧化锡等物质具有较强的太阳光反射效果。马承银等[28]对掺了不同白色粉体的涂料做了近红外反射率的测定，结果见表2。数据显示，掺金红石型二氧化钛和锐钛矿型二氧化钛的涂料的反射率最高，氧化锡次之。一般而言，填料的种类是决定涂料太阳光反射性能的关键性因素，而填料的粒径、体积分数、不同填料间的配合、涂层的厚度等因素都会对涂料的反射隔热性能产生影响[29,30]。

表2 几种白色材料对近红外辐射的反射率[28]

4 辐射型隔热材料

辐射型隔热材料是一类能向外界主动辐射远红外光的材料，在陶瓷领域中，这类材料统称为远红外陶瓷粉。当太阳辐射到达远红外陶瓷粉表面时，首先发生光热转化，并将热量以红外长波形式向空气主动辐射[31]。根据使用温度的不同，远红外陶瓷粉可分为常温（≤150℃）和中温以上（＞150℃）远红外陶瓷粉[32]。常温远红外陶瓷粉有氧化镁、氧化铝、二氧化钛、氧化锆等体系，可应用于造纸、服装、医疗等行业。中温以上远红外陶瓷粉主要有 Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Cr的氧化物等，通常与涂料混合涂覆在锅炉、金属热处理炉、辐射加热器等的外表面。辐射型隔热材料应用前景十分广泛，但该类型隔热涂料要求基体、填料和助剂都需要有较好的红外发射率，选材范围局限，因此目前关于辐射型隔热材料的研究相对较少。

5 结语

耐候、耐火、耐腐蚀、易清洁的陶瓷隔热材料是建筑材料发展的重要方向，目前对于陶瓷隔热材料的研究还很不充分，应当根据使用地区的实际情况研发合适的陶瓷隔热材料，为建筑节能做出贡献。

参考文献

[1]Akbari H,Pomerantz M,Taha H.Cool surfaces and shade trees to reduce energy use and improve air quality in urban areas[J].Solar Energy,1998,70(3)：295-310.

[2]Synnefa A,Santamouris M,Livada I.A study of the thermal performance of reflective coatings for the urban environment[J].Solar Energy,2006,80(8)：968-981.

[3]柳孝图.建筑物理[M].中国建筑工业出版社,2010.

[4]陆洪彬,陈建华.隔热涂料的隔热机理及其研究进展[J].材料导报,2005,19(4)：71-73.

[5]徐峰,朱晓波,王琳.功能性建筑涂料 [M].化学工业出版社,2005.

[6]吴国坚,金骏,蔡玉斌.隔热涂料的研究现状及发展趋势[J].建筑节能,2011,39(4)：56-58.

[7]Wang H,Zeng L,Zhang H,et al.POROUS CERAMIC--GREEN FUNCTIONAL MATERIALS[J].China Ceramics,2002.

[8]Kingsbury B F K,Wu Z,Li K.A morphological study of ceramic hollow fibre membranes：A perspective on multifunctional catalytic membrane reactors[J].Catalysis Today,2010,156(3)：306-315.

[9]张守梅,曾令可,黄其秀,等.环保吸声材料的发展动态及展望[J].陶瓷学报,2002,23(1)：56-61.

[10]Lu T J,Chen F,He D.Sound absorption of cellular metals with semiopencells[J].Journal of the Acoustical Society of America,2000,108(4)：1697-709.

[11]Wu Qin,Kang Guan,Binglong Lei,等.One-step coating and characterization of α-Al2O3,microfiltration membrane[J].Journal of Membrane Science,2015,490：160-168.

[12]Qin W,Peng C,Wu J.Preparation of a highly permeable alumina membrane via wet film phase inversion[J].Rsc Advances,2015,5(110)：90493-90498.

[13]Draenert K.Porous material for use as implant,bone replacement and in general as material:US,US8814936 B2[P].2014.

[14]Wakili K G,Binder B,Vonbank R.A simple method to determine the specific heat capacity of thermal insulations used in building construction [J].Energy&Buildings,2003,35(4)：413-415.

[15]赵杰,董志军,袁观明,等.轻质陶瓷隔热材料的制备及其性能表征[J].武汉科技大学学报,2009,32(2)：205-208.

[16]刘欣,顾幸勇,李家科.钛酸铝质多孔隔热材料的制备[J].陶瓷学报,2010,31(1)：87-90.

[17]W Yan,N Li,B Han.High-Strength,Lightweight Spinel Refractories[J].2005,84(4)：65.

[18]GB/T17371-2008，硅酸盐复合绝热涂料[S].

[19]Zhong Z,Yin Y,Gates B,et al.Preparation of Mesoscale Hollow Spheres of TiO2and SnO2by Templating Against Crystalline Arrays of Polystyrene Beads[J].Advanced Materials,2000,12(12)：206-209.

[20]马承银,李延升,段远琼.二氧化钛包覆中空玻璃微珠制备近红外反射材料 [J].中南大学学报 (自然科学版),2004,35(5)：806-809.

[21]Wang Z,Zhang T,Park B K,et al.Minimal contact formation between hollow glass microparticles toward low-density and thermally insulating composite materials[J].Journal of Materials Science,2017,52(11)：1-15.

[22]邢俊,林庆文,陈华.复合型反射隔热涂料的制备与性能研究[J].中国涂料,2009,24(9)：37-40.

[23]ASTM E903.ASTM E903-96-standard test method for solar absorptance,reflectance,and transmittance of materials using integrating spheres.West Conshohocken,PA:ASTM International.

[24]Ferrari C,Libbra A,Muscio A,et al.Design of ceramic tiles with high solar reflectance through the development of a functional engobe[J].Ceramics International,2013,39(8)：9583-9590.

[25]Z Li,Mzhao,J Zeng,et al.High-solar-reflectance building ceramic tiles based on titanite(CaTiSiO5)glaze[J].Solar Energy,2017,153(1)：623-627.

[26]Zhihong Li,Yulu Yang,Cheng peng,et al.Effects of added ZnO on the Crystallization and Solar Reflectance of Titanium-Based Glaze[J].Ceramics International,2017,43(8)：6597-6602.

[27]Su H,Cheng P,Wu J.Effects of composition on the phase transformation behavior of anatase TiO2,in photocatalytic ceramics[J].Materials Research Bulletin,2013,48(11)：4963-4966.

[28]马承银，李延升.反射近红外辐射涂料的研究[J].材料导报,2004,18(4)：27-32.

[29]郭年华.聚氨酯改性氯丙树脂太阳热反射涂料的研制[J].现代涂料与涂装,2003(01)：6-9.

[30]Chai J,Cheng Q,Si M,et al.Numerical simulation of white double-layer coating with different submicron particles on the spectral reflectance[J].Journal of Quantitative Spectroscopy&Radiative Transfer,2017,189：176-180.

[31]Guo W,Qiao X,Huang Y,et al.Study on energy saving effect of heat-reflective insulation coating on envelopes in the hot summer and cold winter zone[J].Energy&Buildings,2012,50(7)：196-203.

[32]刘维良.纳米远红外陶瓷粉体材料的研究与应用 [C]//海南全国粉体技术研讨会.2001.