涂料热反射及隔热性能探讨时间:2014-06-04 23:41来源:上海申得欧涂料有限公司 作者:郑公劭 近年来，各种热反射涂料、隔热涂料、节能涂料、隔热饰面层涂料等外保温体系层出不穷。随之而来的适应这些新型涂料的标准不断发布，有GB/T 25261—2010《建筑用反射隔热涂料》、JC/T 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》、JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》等。从现有的标准和大量的报道文章看，涂料热反射、隔热、节能等性能的节能原理主要集中在以下3个方面：涂膜表面的热反射率效应、涂膜的半球发射率效应和涂膜因低导热率而产生的隔热效应。本文就这三方面进行探讨，希望能抛砖引玉，对这类节能涂料技术的发展起到推动作用。
1 涂膜的热反射效应
如果把墙面最外层涂料接收到的太阳能部分反射出去，就能降低外墙面的温度，减少向室内的热量传递。太阳能反射得越多，墙面的温度就越低。因此墙面涂料涂膜的热反射功能成为节能涂料的主要性能。
任何表面对接收到的太阳光都会产生不同程度的反射。从某表面反射的入射到地面太阳光的能量称为太阳光总反射率（TSR，total solar reflectivity），以百分数表示。如果一个物体表面的TSR 为70%，则可认为它吸收了30% 的入射能量。太阳光的热能主要集中在可见光区和红外光区。众所周知，白色对400~720 nm 的可见光几乎全部反射，黑色对可见光几乎全部吸收；红色对650~700 nm（红色波段的光）的光反射，而对其它波长的可见光吸收。因此为得到一定的可见色彩效果，不能改变颜料在可见光区的反射和吸收性能，而对于眼睛不可见的红外光部分，能否找到一些对这个区段的入射光具有较强反射率的材料，来达到反射具有高热能的红外光，降低物体表面温度的效果呢？
采用TSR 高的颜填料，如金属颜料、球形填料、特殊性能的填料来提高涂层的TSR，降低涂膜表面温度是节能涂料研究的主要方向。研究表明，不同的涂膜中树脂基料的TSR 虽有上下，但差异不大，对涂膜的TSR 影响不大，而涂膜中不同品种的颜料（包括体质颜料）对太阳能的反射率是不一样的。白色颜料是最好的红外反射颜料，对可见光全反射的同时，对红外光也有强烈的反射，如钛白的TSR 至少为75%（图1）。而普通的黑色颜料几乎对所有波长的光都吸收，如炭黑的TSR 低至3%~5％，即吸收了95%~97％的太阳光能量。
相同或相近颜色的颜料，在可见光区的反射率是相近的，但因其化学结构不同，它们在红外光区域的反射率是不一样的。我们把在可见光区呈现一定的色彩，在红外光区具有高反射红外光性能的颜料称为红外反射颜料（ 简称IR 颜料，InfraredReflective Pigment）。具有这种特性的红外反射无机颜料通常含有镍、锰、铬、钛、铁、钴等金属离子，一般由金属氢氧化物、硝酸盐、醋酸盐，或其氧化物混合后经1 000℃以上高温煅烧、反应，原料中的金属离子和氧离子重新排列，形成更稳定的类似于尖晶石结构或是金红石型结构。
 选择在红外区域反射率高的IR 颜料，所得涂膜的TSR 就高于采用红外区域反射率低的颜料的涂膜。我们采用不同的黑色颜料，与铁红和铁黄色浆配用，并用同一种不含钛白的基料，配制了5 个颜色相同的涂料，制膜后测定其TSR，结果见表1。
 由表1 可见：尽管它们在可见光区呈现相同的颜色，采用IR 颜料的涂膜比采用铁黑颜料的涂膜的TSR 要高3~4 倍。这表明如果在同等太阳照射和环境温度条件下，采用IR 颜料的涂膜的表面温度将会比使用铁黑颜料的涂膜要低。
另有一类颜料（尤其是有机颜料）在红外区域虽然不能对红外光有较大的反射率，但也不像炭黑等颜料那样对红外光有较高的吸收率，而是对红外光有很好的透过率。研究发现，在采用这种颜料时，只要涂层下面的底材或底涂有较高的红外反射性能（如白色），整个涂层体系同样具有较好的红外反射功能，同样可以降低涂膜的表面温度。有人把这类对红外光有很低的吸收率，但有较高透射率的颜料也称为IR 颜料。高透射率黑色IR 颜料涂膜在不同颜色基材上的反射曲线见图2。
 各色颜料中，白色颜料的反射率是最高的，它们在反射可见光的同时，对红外光也有强烈的反射。所以采用钛白的白色涂膜的TSR 大部分都可达到80%或以上。但是，白色涂料中只要加入彩色颜料，其TSR 就会随着彩色颜料的类型和添加量而大幅度下降，即便是添加很少量颜料色浆的浅色涂料也是这样。所以几乎所有彩色涂料涂膜的TSR 都≤ 80%。即使是全白的涂膜，在室外经过一段时间，其表面受到灰尘等污染，它的TSR 也会明显下降，达不到80%。ASTM C1438—04《Standard Specification forExterior Solar Radiation Control Coatings on Buildings》规定，任何颜色的太阳辐射涂料涂膜的太阳光反射比都必须达到0.8 以上，而我国几个热反射、隔热涂料的标准中只规定了白色涂膜的太阳光反射比（0.8左右），回避了彩色涂膜的太阳光反射比问题，所以这些标准缺乏指导意义。
当然要求彩色涂层的太阳光反射比都大于80%有些苛刻，很难做到，一个合理的指标可能更有可行性。正在制定中的日本标准JIS K 5675《屋顶用高太阳光反射率涂料》规定的太阳光反射比是“明度L值在40 以下时，近红外区域的太阳光发射率在40%以上；明度L 值超过40 时，近红外区域太阳光发射率要超过明度值”，而且还规定了天然曝晒后的涂层“太阳光反射保持率平均在80% 以上”。这可以在我们今后修订相关标准时作为参考。
2 涂膜的半球发射率效应 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射。除了反射接收到的部分太阳光热量外，涂膜还会吸收一定量的太阳能。提高涂膜的热发射作用，把涂膜吸收到的太阳光热量以一定的波长发射到空气中从而起到降温效果，这是涂料降低表面温度的另一机理。涂膜表面的发射率主要取决于材料的化学成分和表面平整度，与材料的颜色深浅无关。一个明显的例子是材质相同的黑色、白色两色涂料的太阳光反射率相差很大，所以白天在阳光照射下，它们的表面温度相差较大，黑色表面比白色表面的温度高很多，但由于它们的热发射率都很高，且几乎相同，所以在夜间这两个涂膜的温度降到一致。
涂层接收太阳光的辐射，部分吸收转化为热能后，其中部分热能会以长波辐射的形式发射到空间，即涂膜自身的热发射。几个标准里都规定了涂膜的半球发射率要大于80% 或85%。并不是说涂膜能把吸收到的80% 以上的热能再发射出去。半球发射率的定义是：相同温度下，实际物体的半球总辐射能力与黑体半球总辐射能力之比。物体的发射率还与物体的表面温度有关，试验表明，任何物体的半球发射率都将随其温度的升高而降低。但在相同的温度下，半球发射率高的涂层把吸收到的太阳光热量发射出去的能量比半球发射率低的涂层要多，则涂层表面的温度相对要低一些。
 由表2 可见，一般白色涂料的半球发射率都能达到80%~85%。据报道：多数过渡元素化合物，如MnO2、Co2O3、Fe2O3 等在整个波段具有较高的发射率；NiO、CuO、Cr2O3 等在短波范围内红外发射率较低，而在长波范围内红外发射率较高；也有人在硅酸盐结晶相中加入Al2O3、TiO2 等金属氧化物细粉功能填料，配制的涂料在5~15 μm 波段内红外发射率在85% 以上；具有远红外发射性能的陶瓷粉被认为是有效的高发射率填料。试验表明：在这类功能填料中加入少量的稀土和微量的过渡金属氧化物，如Y2O3 和Pd2O3，可以显著提高其常温下的远红外辐射发射率。但它们的价格远远高于一般的普通填料（如碳酸钙，滑石粉）。对于使用量大面广的外墙建筑涂料，如果普通外墙涂料的半球发射率能达到80% 以上，而添加一些价格很贵的功能填料后其半球发射率可能会提高几个百分点，从性价比来看又有多少人会这样做呢？实际上已在市场上销售的一般建筑外墙隔热涂料，很少添加此类功能填料。
3 涂膜因低导热率而产生的隔热效应
采用特殊的材料来降低涂膜的导热系数，从而起到隔热效果，这是隔热涂料的隔热原理，如在涂料中添加陶瓷中空珠和玻璃中空珠，主要是利用球形中空材料在涂层中形成了有效的热屏障层，它们自身热阻大，导热系数低，所以涂膜具有降低热传导性而达到隔热目的。
根据建材的热学原理，单层材料的导热性可由热阻R 表征：
R=δ/λ
其中，δ—材料的厚度，m ；λ—材料的导热系数，W/（m·K）。
就算隔热涂料的导热系数能达到与静止空气的导热系数0.023 W/（m·K）相似（一般来说涂料是不可能达到那么低的导热系数的）。根据上面的公式，要热阻R 达到1 m2·K/W，则涂膜的厚度要达到0.023 m，即23 mm，这是不可能的。以EPS 板的导热系数为0.040 W/（m·K），板厚为4 cm 计算，它的热阻R 为1 m2·K/W。以涂膜干膜厚度为200 μm，需要达到热阻R 为1 m2·K/W，则涂膜的导热系数λ 涂膜要达到0.000 2 W/（m·K），即比静止空气的导热系数要低100 倍，这显然是做不到的。因此对薄层涂料来讲，其导热系数再低，在降低材料热传导的隔热效应上是没有什么意义的。有报道：在隔热涂料中添加特殊的材料（如含有空气的空心珠，发泡材料），降低涂膜的导热系数，从而使薄层涂膜具有低的热传导性，起到隔热效果，甚至有人提出可以替代有EPS隔热材料层的外墙外保温体系，这显然是夸大的宣传，没有实际可能。
某些文章报道“空心陶瓷珠和玻璃珠对提高涂层隔热性能均有良好效果……”。我认为：可能是空心陶瓷珠和玻璃珠对提高涂层的太阳光反射率和发射率起到一定的作用，而不是因为它们对热流的阻隔作用。
4 结语
（1） 热反射涂料起到的降温效果是涂膜热反射和发射作用的结果，而薄层涂料基本没有热传导阻断效果。
（2） 白色涂料涂膜的太阳反射率和半球发射率一般都能达到80% 以上，而彩色涂层的太阳反射率会明显下降。如何提高彩色涂层的热反射降温效果，应该是研究热反射涂料隔热降温作用的关键。 （3） 红外反射颜料（IR 颜料）和填料的研究开发是热反射涂料的主要方向，我国应该加强对IR 颜料的研究开发工作。
（4） 关于如何提高薄涂层的半球发射率，采用什么特殊的原料能提高半球发射率，能使半球发射率提高多少，是值得技术人员去探讨的课题。
（5） 目前我国有关热反射隔热涂料的国标和行业标准，只规定了白色涂层的热性能指标，没有规定彩色涂层的相关指标要求，对实际应用的指导意义不大。建议在相关标准中增加彩色涂层的热反射性能指标和涂层在天然条件下被污染后热反射保持率的指标。 |
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