建筑用反射隔热涂料的研究现状

2022-04-01姜经帅郑晗祯潘秀伟

涂料工业 2022年2期

王燕，姜经帅，郑晗祯，管洲，潘秀伟

（1.德爱威（中国）有限公司，上海 200233；2.万科企业股份有限公司，广东深圳 518000）

近年来，反射隔热涂料因具有成本更低、降温效果更好，还兼具防腐防水等特性，而备受关注。依据隔热原理可将隔热涂料划分为三类：辐射型、阻隔型和反射型隔热涂料。其中，反射隔热涂料能够显著减少建筑物的热量积累、改善居住和工作环境，因而在建筑领域最具经济实用性[1]。

目前国内外对反射隔热涂料均进行了大量的研究，尤其是国外已有相关优质的产品投入生产应用。就研究现状而言，反射隔热涂料的研发工作主要集中在以下几个方面：现有颜填料的改性，如改性钛白，以此来进一步提升对可见光及近红外光的反射比；新原料的开发，近年来热门的新原料有二氧化硅气凝胶、中空玻璃微珠等，其隔热性能优异，有望应用于涂料中，实现规模化生产；对配方的优化，配方中涉及到的原材料众多，对部分原材料进行调整替换可以达到降本目的[2]。相比于国外，国内反射隔热涂料的研究起步较晚，还不够深入系统，存在一些不足之处。首先，市面上大多数产品是用经济实惠的原材料制备而成，这类产品在遮盖、耐磨、耐候等方面的提升空间还较大；其次，对涂料产品的把控还有待加强，比如相关的标准还不够完善，部分标准对于相同指标的达标率不尽相同；最后，在实际应用方面还需考虑各个地区的情况和施工人员的技术水平。因此，对于以上提及的问题，国内未来反射隔热涂料仍有较大的发展空间。

本文结合自身工作经验以及近几年关于反射隔热涂料相关的文献报道和政策，重点阐述了反射隔热涂料的隔热原理、标准、配方设计和实际应用效果，旨在能为反射隔热涂料的深入研究和商业应用提供参考。

1 反射隔热涂料的研究背景

1.1 反射隔热涂料的作用机理

反射隔热的提出是为了解决太阳光照射所导致的建筑物表面升温问题。涂层将太阳光反射回外界环境，保证建筑物外表面不会过多吸收太阳光中的能量，因此理想的反射隔热涂料都具有较高的太阳光反射比、近红外反射比和半球发射率，能够有效反射太阳辐射[3]。主流的反射隔热涂料作用机理如图1所示。由图1可以看出，使用了反射隔热涂料的基材对太阳光的反射比较高，大量的光线不被基材吸收，基材升温得到明显控制。

图1 普通隔热涂料与反射隔热涂料的反射隔热性能对比Fig.1 Comparison of reflective thermal insulation performance between general thermal insulation coatings and reflective thermal insulation coatings

然而，几乎很难有涂料能够做到百分之百反射太阳光，总有部分光会被涂料所吸收，被吸收的那部分太阳光无疑会产生热量。因此，除了传统的反射隔热涂料以外，部分新型反射隔热涂料还具有一定的辐射效果，即将吸收的少量热量又重新辐射回外部空间，相比于只能“被动”反射太阳光，此类兼具“主动”辐射的涂层表现出更强的隔热性能。

1.2 反射隔热涂料的执行标准

在目前节能环保的大背景下，反射隔热涂料已经展现了潜在的使用价值，如何对反射隔热涂料的性能进行有效评估和选用成为推进其进一步发展的重要步骤。

（1）JC/T 1040—2020《建筑外表面用热反射隔热涂料》。此标准替代了JC/T 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》。在JC/T 1040—2007 中提出了“耐人工气候老化性”等17 项技术指标，不足的是只有太阳光反射比和半球发射率这2 项关于隔热性能的功能指标。而在JC/T 1040—2020中做出了更加细化的性能指标规定，例如，将漆膜分为平涂和质感2 种类型分别制定指标、根据实测涂料的明度（L值）分别制定指标等。

（2）JG/T 235—2014《建筑反射隔热涂料》。该标准是JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》的修订版，也是目前使用最为广泛的一个标准。在JG/T 235—2008 中增加了隔热温差和隔热温差衰减两项热工性能的检测指标。增加的这2 项指标能够评估涂料产品的隔热性能，但其温差检测方法的设计存在缺陷[4]，并且配套的检测仪器规范性不足，导致各个机构的检测结果不易统一，故在修订后的JG/T 235—2014中取消了。此外，JG/T 235—2014提高了相同指标的达标门槛，新增了近红外反射比考察指标、污染及老化后对性能指标的影响，并且对彩色隔热涂料提出了反射指标。这些功能指标的完善使得企业对反射隔热涂料的研发和生产更为严格，不足之处是缺乏对温差的相关规定。

（3）GB/T 25261—2018《建筑用反射隔热涂料》。此标准替代了GB/T 25261—2010《建筑用反射隔热涂料》。在GB/T 25261—2010 标准中提出的反射隔热涂料等效热阻这一热工性能指标，可以作为理论依据来评价涂料产品的实际节能效果。但规定中只有太阳光反射比和半球发射率两项光学指标，且达标门槛低，很难把控涂料产品的质量。在此基础上替换的GB/T 25261—2018 标准不仅提高了太阳光反射比和半球发射率两项指标的要求，还新增了近红外光反射比、污染后太阳光反射比保持率等功能指标。

（4）HG/T 4341—2012《金属表面用热反射隔热涂料》。该标准针对基材选择范围有限，只适用于涂覆在金属表面的反射隔热涂料。其优势在于增加了近红外光反射比并对反射隔热涂料进行分级，有利于产品质量的改进和提升。

综合以上标准来看，我国对反射隔热涂料性能评估最主要的2 项指标是太阳光反射比和半球发射率。太阳光反射比考察的是涂层对太阳辐射的吸收能力，太阳光反射比越大，对太阳辐射的吸收量就越少；半球发射率考察的是涂料将吸收的能量返回周围环境的能力。这2 项指标在很大程度上可以决定涂料的隔热保温性能，但是并不能准确地判断涂料产品的节能效果，且在建筑用反射隔热涂料标准中也没有给出具体可行的节能评价方法。另外，现有的标准体系里还缺乏对彩色涂料的性能评估指标，仅对明度的分类是否合适涂料的色彩体系有待进一步验证。

2 反射隔热涂料的配方设计

2.1 配方设计

反射隔热涂料通常为水性涂料体系，配方中主要物质为水、成膜物质、颜填料和助剂。目前反射隔热涂料用成膜物主要是丙烯酸乳液、苯丙乳液等。根据文献报道，成膜物对太阳光反射比影响不大，对其进行改性更多集中在提高反射隔热涂料的耐候性、耐久性等其他性能。而近年来，新型氟碳树脂的应用受到了持续的关注，尤其是建筑行业里流行的“冷屋顶”系统。例如，Dong 等[5]用氟碳树脂制备出的反射隔热涂料，展现了优异的降温能力和耐候性。当在室外阳光直射的情况下，测试时间为上午11 点到下午2 点，基面平均降温可达5 ℃。此外，对漆膜进行高温、水浸和曝晒测试，发现其光学性能几乎没有变化。

相较于成膜物，颜填料的选择是反射隔热涂料配方设计中更为关键的环节。和普通涂料不同，反射隔热涂料中的颜填料不仅起到提供漆膜遮盖、形成骨架的作用，还必须保证足够的太阳光和近红外光反射功能。和其他水性建筑涂料类似，反射隔热涂料配方中也需要搭配一些助剂来保证涂料产品在生产、贮存、施工等环节中的正常运转。常用的助剂包括增稠剂、分散剂、成膜助剂和防霉杀菌剂。值得一提的是，为了避免涂层沾染污渍影响光反射性能，有时会使用一些疏水改性剂来提高涂层的耐沾污性。

2.2 影响反射性能的主要因素

在研发反射隔热涂料的过程中，反射性能是考察其实用性的一个重要指标。涂料产品的反射强弱与其对太阳光反射率有关。不同颜料制备出的反射隔热涂料因颜色不同，对太阳光反射率也不一样。一般来说，白色涂料的反射性能最佳。即使是相同颜料，不同的粒径、晶型和表面处理方式均会对涂料的反射性能造成差异，其中以较大粒径的金红石二氧化钛反射性能最强，并且金红石二氧化钛的热力学性质十分稳定、遮盖力很高，因此是反射隔热涂料中不可缺少的白色颜料[6]。行业内对钛白的研究报道很多，An等[7]从冰屋理念中得到灵感，设计出了由二氧化硅气凝胶和二氧化钛组成的多层纳米复合材料。结果表明该材料的导热系数低至0.029 W/（m·K），可见光反射率达90%，并且具有很高的耐磨性和耐久性，可广泛应用于节能建筑、车辆及电子产品中。Rong 等[8]将纳米二氧化钛、中空玻璃微珠和氧化铁红按一定比例添加，研发出了高性能、安全耐用的隔热涂层，并探讨了其在热带地区建筑外墙的降温节能效果，结果显示年节能率可达12.9%，同时低亮度的特性能够满足居住的舒适度。但白色涂料存在耐沾污性差的问题，并且污染后反射性能会急剧下降。通过添加色浆可对涂料进行调色，在彩色涂料体系里，有调研显示各种颜色的金属氧化物颜料是反射隔热涂料实现反射功能的关键。这类由金属氧化物和可溶性盐高温煅烧后得到的复合无机颜料色彩丰富、反射性能优异。例如，吕秋瑞[9]用Fe2O3、Sb2O3、Al2O3和TiO2四种金属氧化物制备了浅黄色、土黄色、红褐色和黑色颜料，太阳光反射率分别可达83.1%、79.7%、52.4%和44.5%，显著提高了涂层反射性能。此外，配方中所使用到的其他填料物质具有不同的太阳光反射比，也会对涂料的反射性能产生一定影响。

2.3 影响隔热性能的主要因素

除了上述提及的涂层反射性能外，隔热性能也是评估反射隔热涂料的重要指标之一。影响隔热性能的主要因素有填料的种类和含量以及涂层的厚度[10]。

反射隔热涂料的隔热能力是通过引入对太阳光高反射率的功能填料来实现的。其中，空心微珠和二氧化硅气凝胶是研究比较广泛的2 种填料。空心微珠具有中空轻质的特点，虽然反射能力不是它的强项，但它的导热系数低，能够有效地阻隔热量的传递，达到隔热的效果。在此特性基础上，对空心微珠进行改性可以达到更优异的性能。蒋平等[11]在空心玻璃微珠表面包裹一层二氧化钛，进一步提高了反射隔热涂料的保温隔热性能。值得注意的是，空心微珠壁薄易碎并且添加量过多会降低涂料的耐沾污性能。二氧化硅气凝胶具有较高孔隙率、极大比表面积和较低导热系数等优势，被认为是有较大发展潜力的功能填料之一，但其成本过高和不易分散的问题是目前需要攻克的难题。李伟胜等[12]通过改变多种助剂的用量和分散方式，获得分散性较高的二氧化硅气凝胶，进而控制气凝胶的用量和涂料成本。此外，反射隔热涂料中常用的填料还有重质碳酸钙、硫酸钡等。最近，对填料的研究热点涉及到有机填料。Sun等[13]通过0ickering乳液聚合法合成了微孔聚苯乙烯球，并将其作为反射隔热涂料中的功能性填料使用。利用扫描透射电镜和比表面积测试，观察并证明了微球的平均内孔径小于气体分子运动的平均自由程，说明微孔聚苯乙烯球具有较好的隔热能力，有望在反射隔热涂料中得到应用。利用这类填料制备的反射隔热涂料总能表现出良好的隔热性能，其隔热原理是通过涂层对太阳辐射的阻隔作用。当建筑物内外温差过大时，涂料可以削弱过大的温差引起的热传导作用，有效地阻隔涂层表面的热量向建筑物等基材内部传递，进而实现较高的隔热性能。

3 反射隔热涂料的实际应用

3.1 特点及优势

反射隔热涂料是近年来新型的功能涂料，相比于传统的保温材料，如保温板等，反射隔热涂料具有如下诸多特点及优势：（1）降温效果显著，节能环保；（2）轻巧便利，安全性高；（3）施工简便，应用范围广；（4）装饰效果佳。

3.2 应用案例

随着对反射隔热涂料研究的不断深入以及相应标准的出台，越来越多的反射隔热涂料已经投入实际使用，且产生了一定的效果。例如，邱童等[14]利用复层设计结构，研制出兼具多彩装饰效果及高反射比的涂层，应用于建筑外墙时，耐污性和隔热性都非常优异。徐品等[15]配合使用真石漆和水泥基材料，研制出新型外墙保温系统，相较于单独使用隔热涂料，该体系不仅可以提高外墙保温性能，还可以降低材料负荷。在夏季炎热地区的建筑外墙使用中，降温节能成效显著。

国外对反射隔热涂料的研究起步更早。Li 等[16]采用具有较高电子带隙的碳酸钙填料制备的碳酸钙-丙烯酸涂料，中午涂层表面温度比周围环境温度低1.7 ℃以上；此外，该涂料还具有成本低、兼容性好等优点。Li 等[17]为了证明硫酸钡纳米颗粒的可行性和可靠性，将硫酸钡应用于丙烯酸涂料中，现场测试结果表明，该涂料可以产生同样高的隔热能力。