建筑隔热保温涂料研究及应用进展

谢磊，吴会军，2，江向阳，刘彦辰，2，杨丽修，2

（1.广州大学 土木工程学院，建筑节能研究院，广东 广州 510006；2.广州大学 广东省建筑节能与应用技术重点实验室，广东 广州 510006；3.广州市建筑科学研究院集团有限公司，广东 广州 510440）

0 前言

为应对全球气候变化，我国承诺到2030 年达到二氧化碳排放峰值，并于2060 年前实现“碳中和”。据统计，全球建筑领域消耗了40%的能源，同时约占全球总碳排放量的36%[1]；我国建筑行业碳排放占全国总碳排放的比例约为20%[2]。

建筑隔热保温涂料是一种具有隔热保温、保护和装饰功能的新型建筑节能涂料，涂覆于屋顶和外墙的外表面可减少由室外环境造成的传热负荷。20 世纪90 年代，美国、德国、瑞士等国家建筑物外墙涂料装饰率达80%[3]。当时国内外建筑外墙涂料发展的主要方向是高耐候性、高耐玷污、高保色和低污染，建筑外墙涂料只是起到装饰与保护的作用。随着建筑节能与碳排放日益受到重视，21 世纪以来，隔热保温涂料应用市场重心逐渐由航天、军工向工业和建筑转移。

建筑隔热保温涂料一般由成膜基料、颜填料、溶剂和助剂组成，按成膜物质可分为有机涂料、无机涂料；按所用溶剂可分为溶剂型涂料、水性涂料；根据隔热保温机理不同，建筑隔热保温涂料可分为阻隔型、反射型、辐射型和复合型4 类[4]。

1 阻隔型涂料研究及应用进展

阻隔型涂料常在涂膜中引入空气或选择低热导率填料的方式来减小涂层导热。其隔热机理如图1 所示[5]。通过发泡的方式在涂料中引入空气可使涂层具有疏松多孔结构，虽然降低了导热系数，但也会导致涂层的力学性能变差，而且孔隙率较高容易吸水，影响涂层的隔热效果和使用寿命。目前常采用加入隔热保温填料的方式，在起到隔热保温作用的同时减小疏松结构对涂层防水的负面影响[6]。表1 比较了几种常见隔热填料的基本性能[7-8]。

表1 常见隔热填料的基本性能

目前常用空心玻璃微珠作为阻隔型填料（见图2），其主要成分为硼硅酸盐，球体内部包含的气体使其具有较低的导热系数。微珠粒径过大时，颗粒之间的空隙增大；粒径过小时，颗粒容易团聚，都不利于填料致密、均匀地分布在涂层中，进而影响涂层的导热系数。杨光和邓安仲[9]研究了空心玻璃微珠平均粒径和掺量对涂层导热系数的影响，当平均粒径为45 μm、掺量为9%时，涂层导热系数为0.061 W/（m·K）。吴梓轩[6]研究了平均粒径分别为15、55 μm 的空心玻璃微珠复配对涂层导热系数的影响，在不同复配比下涂层的导热系数为0.084～0.107 W/（m·K）。

通过将不同的阻隔型填料进行复配可以获得阻隔性能更优的涂料。刘成楼等[10]以空心玻璃微珠、SiO2气凝胶、硅酸短切铝纤维和高岭土作为填料，制备出一种导热系数为0.027 W/（m·K）的薄层外墙隔热涂料。杨旗和彭红[11]选用空心玻璃微珠、硅藻土、漂珠等3 种导热系数较低的功能填料，采用正交试验的方法得到外墙隔热涂料阻隔性能最优时，3 种填料的质量含量分别为1.8%、20%、1.2%。

阻隔型涂料可用于冬季寒冷和夏季高温地区，涂层的厚度和导热系数是影响涂层隔热保温性能的关键因素。实际应用时对外墙涂料厚度的一般要求是：薄涂型涂料的干膜厚度＜1 mm，厚涂型干膜厚度≥1 mm，涂层厚度有限[12]。因此为了阻隔型涂料在实际应用中具有良好的隔热保温效果，进一步降低涂层的导热系数仍十分必要。

2 反射型涂料研究与应用进展

建筑反射隔热涂料是指以合成树脂为基料、配以功能性颜填料及助剂制成的具有较高太阳光反射比的涂料。反射型涂料的隔热机理如图3 所示，由于太阳光的辐射能量主要分布在可见光和近红外波段，反射型涂料主要是通过反射可见和近红外波段的太阳辐射进行隔热。

反射型涂料反射率主要取决于颜填料与树脂的折射系数，颜填料折射系数与树脂折射系数的比值越大，涂层反射率越高[13]。常用树脂折射系数一般为1.45～1.50，其种类对涂层太阳热反射能力影响不大，因此反射型涂料多选用折射系数高的颜填料作为隔热功能填料，表2 比较了几种常见反射填料的折射系数[7]。

表2 常见反射填料的折射系数

钛白粉（TiO2）由于折射率高、无毒、稳定等优点，成为反射型涂料中常用的功能颜填料。但以钛白粉为主要颜填料的涂层常呈白色或浅色，用于建筑外墙和屋面容易造成眩光，且难以满足建筑对色彩的需求。红外反射颜料通常也指“冷颜料”，与普通颜料一样具有色彩，但在近红外光谱区（0.7～2.5 μm）的太阳光反射率高于普通颜料，采用“冷颜料”的材料表面温度比同颜色传统材料表面温度低5～13 ℃[14-16]。Zhu C等[17]将黑色红外反射颜料、氟化丙烯酸树脂乳液和少量纳米二氧化硅粒子混合在硅树脂乳液中，制备了一种黑色热反射涂层，涂层的近红外太阳光反射率为0.68，而普通黑色涂层为0.05。张雪芹等[18]从颜填料、乳液的选择等方面讨论了彩色建筑反射隔热涂料的制备。

在建筑屋顶和外墙外表面涂覆反射涂料可获得良好的隔热和节能效果。Yuan L 等[19]将黄色材料BiVO4包覆在云母-钛氧化物表面，合成黄色环保型近红外反射颜料。该颜料的近红外太阳光反射率大于0.73，将添加该颜料的反射涂料和同颜色的传统涂料分别施涂于自制试验箱的屋面后发现：相比于传统涂料，采用该颜料的涂料，其屋面内表面温度和箱内的空气温度分别降低了4.5、2.3 ℃。Qiu T 等[20]使用DeST 软件对夏热冬冷地区一幢外墙和屋面使用了反射涂料的典型住宅建筑进行了能耗模拟，研究结果表明，反射涂料产生的节能效果相当于墙体使用7～23 mm 或屋面使用14～107 mm 的隔热保温层。

建筑屋面外墙用反射隔热涂料长期暴露在室外，玷污及老化作用会降低涂层的太阳光反射率，影响其隔热性能，开发具有高耐玷污性及耐候性的反射隔热涂料是推广其应用的关键。另外，在冬季较寒冷的地区使用反射隔热涂料可能会增加额外的供热量，因此研究可变太阳光反射率涂料具有重要意义。

3 辐射型涂料研究与应用进展

辐射型涂料可应用于屋面外表面，利用大气对8～13.5 μm 波段的高透过率（大气窗口），将热以红外辐射的形式发射到低温的室外空气中，达到主动降低屋面外表面温度的效果。其传热机理如图4 所示[21]。常用的辐射型填料一般为堇青石、含过渡金属氧化物的尖晶石等具有高红外发射率的陶瓷材料。

李建涛和蔡会武[22]采用过渡区金属氧化物掺杂、高温固相烧结法制备了在“大气窗口”发射率大于0.94 红外陶瓷辐射材料，并以自制红外辐射粉为功能填料，制得了在“大气窗口”波段内发射率大于0.78 的节能涂料。杨光和邓安仲[9]研究了远红外陶瓷粉（见图5）的掺量和平均粒径对涂层8～13.5 μm 波段红外发射率的影响，结果表明，增大掺量、减小平均粒径可提高涂层的红外发射率，当掺量为9%、平均粒径为1 μm 时，涂层红外发射率为0.91。Cheng Z 等[23]通过优化BaSO4和SiO2的粒径分布制备了一种辐射冷却涂层，该涂层在“大气窗口”波段的发射率为0.96，在太阳光波段的反射率为0.95，施涂于屋面发现，在11：00～13：00，屋面的外表面温度较周围空气温度最多降低了8.1 ℃，实现了日间的亚环境温度。

辐射型涂料用于屋面外表面时，在不用额外输入能量的情况下就能产生可观的冷却效果，可以减少制冷设备产生的能耗，但其冷却效果受到气候条件的影响，主要包括大气可降水量以及云层等。

4 新型SiO2 气凝胶阻隔型涂料研究与发展

SiO2气凝胶隔热保温材料是一类具有超低导热系数的新型纳米材料（见图6）[24]，具有很高的孔隙率，其空间网络结构中的孔隙能够有效地阻隔固体热传导，并延长空气热对流路径，其室温下的导热系数可低至0.013～0.016 W/（m·K），低于空气的导热系数[0.025 W/（m·K）][25-27]。

将具有超低导热系数的SiO2气凝胶用于涂料中能显著提高涂料的隔热保温效果。刘红霞等[28]分别将改性SiO2气凝胶、空心微珠作为隔热填料添加到丙烯酸酯涂料中，通过自制隔热测试装置测得涂刷SiO2气凝胶涂料的箱内温度比涂刷空心微珠涂料的箱内温度低5.3 ℃。Ibrahim M 等[29]通过数值模拟与实验的方法评估了一种导热系数为0.027 W/（m·K）的SiO2气凝胶隔热保温涂料发现，相比与其他隔热保温材料，采用SiO2气凝胶涂料的墙体的隔热保温性能更好。

SiO2气凝胶涂料制备过程如图7 所示[30]。采用稳定剂、分散剂等助剂先制成SiO2气凝胶浆料，随后再与成膜树脂、助剂、溶剂以及其他颜填料混合，最后通过高速分散制得SiO2气凝胶涂料。制备SiO2气凝胶涂料时应尽量避免由于SiO2气凝胶易团聚和自身脆性大、强度低等问题对隔热性能造成的影响。

李伟胜等[31]研究了几种助剂的用量、分散方法和pH 值对SiO2气凝胶分散效果的影响，制得导热系数为0.065 W/（m·K）、隔热温差为15.8 ℃的SiO2气凝胶隔热涂料。孙理理等[32]以力学性能优异的水性聚氨酯树脂作为基料，避免了SiO2气凝胶在形变时发生的脆性断裂，当气凝胶添加量为13%～16%时，涂层的导热系数低于0.050 W/（m·K），且涂层表面不开裂，综合性能较好。

5 结论与展望

随着建筑涂料工业的迅速发展，具有2～3 种隔热保温机理协同作用的高性能复合隔热保温涂料备受关注。制备复合型涂料主要有2 种方式，一是将具有不同功能的填料同时加入涂料中；二是制备出复合型填料后将其加入涂料中。针对不同气候区开发相适应的光、热特性建筑节能涂料是复合型涂料发展的一个重要方向。

面向碳达峰、碳中和国家重大战略及建筑行业的绿色低碳发展需求，建筑隔热保温涂料需开展进一步的基础理论研究与技术研发，包括：（1）建筑隔热保温涂料光热转换理论、光热性能与材料微观结构间关联机制等基础理论需深入研究；（2）辐射型涂料在建筑主动致冷、可再生能源利用等方面展现出巨大潜力，但其建筑应用方法与技术性能指标尚需完善；（3）气凝胶等新型材料在建筑隔热保温方面表现出优异性能，但其成本问题、建筑应用形式等有待解决。