保温隔热涂料的应用与研究进展概述

海晨晨 刘新状 刘晓通

当前，世界能源紧缺的问题日益严峻，各行各业对节能减排的要求也越来越迫切。保温隔热涂料作为一种新型功能性涂料，具有隔热节能、施工便利、适应性强等特点，在高温管道、容器、设备以及建筑物等表面涂刷，干燥固化后會形成具有一定强度和韧性的涂层，可起到保温隔热的效果，目前已被广泛应用于房屋建筑、汽车、石油化工、军事装备以及高温设备等行业与产品中。由于保温隔热涂料的使用无需对房屋内原有的墙体及水管、电线线管等进行改建，仅需按普通建筑涂料的施工工艺进行施工即可，因此其在既有房屋的节能改造中有着无可比拟的优势。现如今保温隔热涂料正朝着多功能、高性能的方向发展，而纳米材料等高新技术也已经被应用到新型涂料的研发中。

1保温隔热涂料的分类及工作机理

目前常见的保温隔热涂料根据工作机理的不同，可分为阻隔型、反射性、辐射型、混合型等4种类型。

1.1阻隔型保温隔热涂料

阻隔型保温隔热涂料是一种具有低热导率和高阻抗的被动式涂料，通常采用具有低热导率的材料（如气凝胶、空心玻璃微珠、硅藻土粉等）作为隔热骨料或在涂膜中引入空气（热导率极低），以密度小、孔隙率高的无机矿物为功能性填料，然后选取耐候性好、成膜性好的基料加工制成。其隔热性能的好坏主要取决于涂料中各组分导热系数的大小，保温隔热效果通常与涂料涂层的厚度成正比。阻隔型保温隔热涂料的隔热性能比较突出，更适用于夏季高温地区。

气凝胶涂料就是一种常见的阻隔型保温隔热涂料。涂料中气凝胶的纳米孔以及三维网状结构破坏了基质的热量传导路径，使其具有极低的导热系数。同时纳米孔结构限制了空气分子的自由流动，抑制了空气的对流传导，无限多的孔壁形成了热辐射的反射面和折射面，最大限度的抑制了辐射导热。因此气凝胶涂料能有效降低热量的传输，起到改善环境、降低能耗的作用。笔者团队将气凝胶阻隔型保温隔热涂料与普通涂料进行了保温隔热效果的比对实验，实验用细木工板成型了2个相同的1m³容积的箱体（如图1所示）。将颜色和厚度相同的2种涂料分别涂敷在箱体内部表面，干燥24h后，用红外线成像仪观测2个房间的红外成像照片。通过对比可以看出涂布普通涂料的箱体内部温度高于涂布保温隔热涂料的箱体内部温度。保温隔热涂料在箱体内表面的隔热效果明显。

1.2反射型保温隔热涂料

反射型保温隔热涂料具有反射光和热的性能。穿透大气层到达地面的太阳光的能量，有95%集中在波长为0.4～0.72um的可见光区以及波长为O.72～2.5um的红外光区，因此，反射型保温隔热涂料主要将这部分太阳热辐射反射回大气中，使其不被涂层、设备或建筑物所吸收，从而使被涂覆的设备或建筑物表面及内部的温度不致升高。该种涂料对可见光和红外光的反射率越高，隔热效果就越显著。因其主要功能为“隔热”而非“保温”，故主要应用于夏季炎热高温期较长的地区，而很少用于冬季寒冷的地区。

制备反射型保温隔热涂料时，一般是在涂料中加入具有高反射率、高空隙率、低导热系数的隔热颜填料，在内部构建封闭的孔隙结构，促使进入涂层内部的热量发生二次反射和散射。金属氧化物是最为常用的反射颜填料，如钛白粉（即二氧化钛，折光指数2.80）、氧化锌（折光指数2.20）等。此外，空心玻璃微球和陶瓷微球也常被作为功能性填料使用。在反射型保温隔热涂料中，颜填料的粒径大小、尺寸分布、颗粒形状及用量等方面都会对反射率造成较大的影响。

1.3辐射型保温隔热涂料

辐射型保温隔热涂料的工作机理，是利用涂料中采用的具有高热发射率物质组份的物理特性，将吸收的热量以电磁波的形式辐射到外部空间，从而起到减少材料表面得热的效果。具体来说，是由于物质的分子吸收了光子的能量，使得晶格、键团不断地振动产生碰撞，从而使分子能态级产生从高到低的热发射，将吸收的部分能量以红外辐射的方式发散到外部空间。辐射型涂料能够将已经吸收的热量以电磁波的形式发射出去，因此是一种主动降温隔热涂料，其隔热功效也要高于反射型涂料，但因其成本较高，目前在建筑物上应用并不多。辐射型保温隔热涂料通常采用具有高热发射率的金属氧化物等作为功能填料，如二氧化锰（Mn02）、氧化铁（Fe203）、氧化铜（CuO）的尖晶石型物质。

1.4复合型保温隔热涂料

复合型保温隔热涂料可同时具备阻隔、反射和辐射的功能，通常是将以上几种涂料的功能成分结合使用，发挥协同优势，从而增强涂料的保温隔热性能。

潘启昭等以丙烯酸树脂为成膜物质，加入金红石型钛白粉作为颜填料、空心玻璃微珠和纳米氧化锆作为功能填料，辅以其他助剂，制备了纳米复合型外墙隔热涂料，兼具了阻隔型、反射型和辐射型的功能。实验表明，空心玻璃微珠和纳米氧化锆有协同作用，与只添加空心玻璃微珠的涂料相比，同时添加空心玻璃微珠和纳米氧化锆的涂料最大温差为3℃。当纳米氧化锆含量为5%时，涂料的保温隔热性能最好，导热率为0.072W/（m·K）。

2保温隔热涂料的研究热点与展望

目前保温隔热涂料的应用场景越来越复杂多元，对性能的要求也越来越高，因此，多功能、高性能的保温隔热涂料成为了当前的研究热点，也是未来的发展方向。此外，保温隔热涂料的产品及施工质量也越来越受到人们的关注，这也使得检测技术的开发及相关标准的制定成为了重点研究领域。

2.1多功能高性能保温隔热涂料的研发

多功能、高性能保温隔热涂料一般具备耐高温、低导热、绿色环保、装饰效果多样化、防水耐久、价格低廉等特点。

北京志盛威华化工有限公司研发的zs-1型耐高温隔热保温涂料，1100℃环境下在物体表面涂覆8mm，便可将物体表面温度降低到100℃C以内。这种涂料能够承受180℃高温，可直接涂刷在窑炉及炉膛内外壁、管道、设备、航天器上进行保温隔热。

纳米技术也正在被越来越多地运用到新型保温隔热涂料的研发当中。“纳米孔超级隔热材料”是一种建立在低密度和超级细孔（小于50nm）结构基础上的新型隔热涂料，其导热系数接近于O。二氧化硅（SiO2）气凝胶及其复合材料就是此类纳米隔热材料的代表，除了隔热节能性能优异，还具有防水、环保、耐久等优点。近年来，采用纳米SiO2气凝胶来开发高效隔热保温涂料已成为主流趋势之一。

罗兰等指出，研发以保温为主、隔热为辅的保温隔热涂料具有重要意义，红外高发射率的辐射型保温隔热涂料是建筑涂料的发展方向。用以制備该种涂料的高发射率组分功能填料主要分为3类：一是相变材料，可通过相变吸热和放热的可逆过程，实现温度的恒定;二是金属氧化物，例如Fe2O3、MnO2、CuO以及氧化钴（CoO）等，主要辐射波段在2.5～12um范围内;三是具有红外发射率的碱土金属硫酸盐、碱土金属碳酸盐，如硫酸钡（BaSO4）、硫酸钙（CaSO4）、碳酸钙（CaCO3）等。在建筑室内墙壁涂刷的该种涂料，可以吸收部分由人体发出的红外线热量以及暖气、空调等电器发出的热量，当涂层达到一定的储热量时，再以红外发射波形式辐射热量到室内空气中，从而实现室内保温，达到节能目的，尤其适合冬季寒冷地区使用。

此外，随着我国对环境保护的重视程度不断提高，可降解涂料、环境友好型涂料必然是将来的主要发展方向。例如，目前市面上大部分反射型保温隔热涂料都是溶剂型，挥发性有机化合物（VOC）等有害成分含量较高，因此研发性能优异且绿色环保的水性反射型涂料也是当前的研究热点。

2.2保温隔热涂料的检测技术开发与标准制定

保温隔热涂料的性能检测也是当前研究的热点之一。中国建材检验认证集团股份有限公司（以下简称“国检集团”）发明了一种温差检测仪，通过热辐射原理测量材料2侧的温度差，以此为依据来评判辐射型涂层的隔热性能。该仪器采用电热容器烧水作为热源，采用实验装置及散热器构成均匀的温度场，并在同一温度场内设置2个样板放置口，在散热器与2个样板放置口之间设置2组热传感器，通过2组热传感器分别采集2个样板附近的热辐射温度，并通过单板机分别获取2组热传感器的不同信息。经单板机分析比对，获得不同涂层的样板阻隔热辐射的不同性能指标，从而比较出不同涂层的样板阻隔热辐射的性能指标。该仪器采用比较法检测，避免了环境对检测造成的误差，具有结构简单、检测方便，检测准确率高的优点。顾皓”。将保温隔热涂料涂覆在特制的容器表面来模拟建筑物外墙保温层，又将100℃的热水和0℃的冰水分别置入容器中，测量容器内温度的变化情况，以此对保温隔热涂料的导热系数进行测定。

截至目前，有关部门已经出台了《建筑用反射隔热涂料》（GB/T 25261-2018）、《建筑外表面用热反射隔热涂料》（JC/T 10402007）、《金属表面用热反射隔热涂料》（HG/T 4341-2012）、《建筑反射隔热涂料》（JG/T 2352014）、《建筑用反射隔热涂料节能检测标准》（JGJ/T 287-4014）等一系列国家与行业标准，对保温隔热涂料的生产、使用、质量检验等方面进行了规范。国检集团负责起草的中国电子学会标准《保温隔热涂料隔热温差检测方法》已经完成编制，正在征求意见阶段。该标准规定了保温隔热涂料隔热温差的试验条件与仪器技术要求、受检涂层和参比涂层的制作方法和试验方法等，适用于建筑用保温隔热涂料隔热温差检测，填补了该领域方法标准的空缺。

由于各类保温隔热涂料具有不同的工作机理，对其保温隔热效果的检测方法和评价标准，既需要针对不同材料的特性和机理，又应具有较为一致的保温节能效果的评价方法。特别是面对层出不穷的新材料和新技术，检测方法的适应性和评价标准的一致性需要不断完善和进步。

3结语

随着新型材料和高新技术的不断涌现，保温隔热涂料正朝着多功能、高性能的方向不断发展。与此同时，保温隔热涂料的标准体系逐步完善化、检测技术日趋先进化，产品质量也因此得到充分保障。相信在不远的将来，保温隔热涂料的应用范围会更加广泛，必将给整个节能产业的格局带来巨大的改变。