反射隔熱質(zhì)感涂料研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

引言我國(guó)自本世紀(jì)初開(kāi)始倡導(dǎo)對(duì)新建建筑和部分既有建筑采取節(jié)能措施，但仍有400億平方米的既有建筑是未采取任何節(jié)能措施的高能耗建筑。目前我國(guó)建筑能耗已經(jīng)占到社會(huì)總能耗的1/3以上，推廣建筑節(jié)能技術(shù)，降低建筑能耗，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)發(fā)展具有重大意義。根據(jù)GB50352—2019《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，我國(guó)包含了嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)以及溫和地區(qū)等5大氣候區(qū)。而其中夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)夏季高溫時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，建筑能耗以空調(diào)制冷能耗為主，在這兩個(gè)區(qū)域采用具有高太陽(yáng)光反射比的反射隔熱質(zhì)感涂料，對(duì)于建筑節(jié)能具有更好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性[1]。反射隔熱質(zhì)感涂料是一類新型的建筑裝飾材料，它不但可以模仿天然石材的裝飾效果，而且在我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)建筑外墻使用，可以幫助降低夏季制冷能耗。本文討論反射隔熱質(zhì)感涂料的作用機(jī)理、種類與特點(diǎn)，以及影響反射隔熱質(zhì)感涂料性能的因素，分析反射隔熱質(zhì)感涂料研究和應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀，希望對(duì)行業(yè)人士提供一定參考。1、反射隔熱質(zhì)感涂料的作用機(jī)理

照射到建筑物表面的太陽(yáng)光能量主要集中在可見(jiàn)光波段和近紅外光波段，如果可以將這一波長(zhǎng)范圍的太陽(yáng)光反射回大氣中，則可以降低建筑物表面因吸收太陽(yáng)光熱量造成的溫度上升幅度，進(jìn)而降低建筑物制冷能耗。而反射隔熱質(zhì)感涂料正是通過(guò)在涂料中添加對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光具有高反射率的顏料、填料或骨料，使涂料涂膜可以最大程度地將照射到建筑物表面的太陽(yáng)光能量反射出去，從而降低建筑物表面對(duì)太陽(yáng)光熱量的吸收，減少熱量向室內(nèi)的傳遞。2、反射隔熱質(zhì)感涂料的分類及性能特點(diǎn)

2.1分類及主要功能組分反射隔熱涂料按其實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)的飾面效果，可以分為反射隔熱平涂涂料和反射隔熱質(zhì)感涂料兩大類。本文重點(diǎn)討論的反射隔熱質(zhì)感涂料，根據(jù)組成材料和飾面效果又可分為反射隔熱砂壁質(zhì)感涂料、反射隔熱多彩涂料、反射隔熱仿石涂料等3種。反射隔熱砂壁質(zhì)感涂料通過(guò)在連續(xù)相中添加反射隔熱鈦白粉和冷顏料進(jìn)行調(diào)色來(lái)實(shí)現(xiàn)涂料的反射隔熱功能，以白砂為骨料使涂料涂膜呈現(xiàn)出石材質(zhì)感效果。反射隔熱多彩涂料中不含骨料，涂料涂膜的石材紋理效果則是通過(guò)添加了反射隔熱鈦白粉和冷顏料調(diào)色制備的各種彩色色粒搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)與其配套的底涂涂料中也往往添加反射隔熱鈦白粉和冷顏料進(jìn)行調(diào)色以獲得更高的太陽(yáng)光反射比。反射隔熱仿石涂料的主要成膜物質(zhì)（連續(xù)相）中不添加反射隔熱鈦白粉，其反射隔熱功能通過(guò)包裹了冷顏料經(jīng)燒結(jié)而成的彩砂實(shí)現(xiàn)。利用包裹了冷顏料經(jīng)燒結(jié)而成的彩砂，可以讓涂膜既具有較好的反射隔熱功能，又表現(xiàn)出一定的仿石效果。2.2性能特點(diǎn)我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)，夏季需要采取制冷措施的時(shí)間長(zhǎng)，而冬季采暖時(shí)間相對(duì)較短。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，將溫度降低1℃所需的制冷能耗是將溫度升高1℃所需制熱能耗的4倍。因此，我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)建筑能耗以夏季制冷能耗為主，在我國(guó)南方地區(qū)推廣反射隔熱質(zhì)感涂料具有更明顯的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益[3]。反射隔熱質(zhì)感涂料涂膜具有高太陽(yáng)光反射比，將其應(yīng)用在建筑物表面時(shí)，夏季節(jié)能效果顯著。在夏熱冬暖地區(qū)，于建筑物外墻涂刷反射隔熱質(zhì)感涂料，可使墻體滿足建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中對(duì)墻體節(jié)能方面的要求，不再需要施作外墻保溫系統(tǒng)。而在夏熱冬冷地區(qū)，在外墻外保溫系統(tǒng)的飾面層采用反射隔熱質(zhì)感涂料，則可以大幅減小保溫層的厚度，尤其是對(duì)于采用無(wú)機(jī)保溫材料的系統(tǒng)，可以極大地降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，提高保溫系統(tǒng)的安全性。另一方面，反射隔熱質(zhì)感涂料厚重的質(zhì)感和逼真的仿石效果，完全可以滿足當(dāng)代人對(duì)天然石材飾面返璞歸真效果的美好追求。由于缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，我國(guó)推廣應(yīng)用反射隔熱質(zhì)感涂料的初期，人們對(duì)其節(jié)能效果存有一定疑慮。2015年住建部發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T359—2015《建筑反射隔熱涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，對(duì)我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)建筑外墻使用反射隔熱涂料的等效熱阻取值做了規(guī)定。該技術(shù)規(guī)程的發(fā)布為應(yīng)用反射隔熱涂料的節(jié)能計(jì)算提供了相關(guān)的參數(shù)依據(jù)。表1為外墻及屋面使用建筑反射隔熱涂料的等效熱阻（JGJ/T359—2015附錄C），由表1可知，在夏熱冬暖地區(qū)（南區(qū)），當(dāng)建筑傳熱系數(shù)K值小于等于0.7時(shí)，依據(jù)反射隔熱涂料污染修正后的太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)ρc的不同，等效熱阻最高可以達(dá)到0.95，這一數(shù)值已經(jīng)可以滿足該區(qū)域?qū)ㄖ鈮?jié)能的要求。當(dāng)?shù)刃嶙枞≈禐?.48時(shí)，其節(jié)能效果相當(dāng)于19mm厚的EPS板，這已經(jīng)可以滿足夏熱冬暖地區(qū)絕大部分建筑的外墻節(jié)能要求。表1外墻及屋面使用建筑反射隔熱涂料的等效熱阻（JGJ/T359—2015附錄C）3、影響反射隔熱質(zhì)感涂料性能的因素

影響反射隔熱質(zhì)感涂料性能的因素有很多，包括乳液、顏料和填料等，下面分別論述。3.1乳液反射隔熱質(zhì)感涂料的主要成膜物質(zhì)是乳液，乳液對(duì)于反射隔熱質(zhì)感涂料的流變性能、力學(xué)性能和耐候性能等都有重要的影響。純丙乳液、硅丙乳液、醇酸樹(shù)脂和氟碳乳液等都可以作為反射隔熱質(zhì)感涂料的主要成膜物質(zhì)，但不同用途的涂料應(yīng)選擇符合相應(yīng)要求的乳液。反射隔熱質(zhì)感涂料由于要長(zhǎng)期經(jīng)受日曬雨淋，其主要成膜物質(zhì)必須選用耐候性能好的乳液。反射隔熱質(zhì)感涂料選擇乳液一般應(yīng)遵循兩個(gè)原則：一是根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的特殊性選擇合適的乳液，如建筑物外墻用反射隔熱質(zhì)感涂料通常應(yīng)選用純丙乳液、硅丙乳液等耐候性好的丙烯酸乳液作為主要成膜物質(zhì)；二是根據(jù)聚合物中所含吸能基團(tuán)選擇乳液，反射隔熱質(zhì)感涂料中所用乳液應(yīng)對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光的吸收率盡量低，也就是乳液中聚合物分子結(jié)構(gòu)盡量少含C-O-C、C=O和-OH等吸能基團(tuán)[4]。3.2顏料早期的反射隔熱質(zhì)感涂料基本都是白色或者淺色，而當(dāng)前人們對(duì)建筑外飾面的色彩及裝飾效果有著更豐富的需求。特別在國(guó)內(nèi)，建筑外墻極少采用白色涂料。在反射隔熱質(zhì)感涂料的發(fā)展過(guò)程中，冷顏料技術(shù)的進(jìn)步起到至關(guān)重要的作用。冷顏料被定義為具有高太陽(yáng)光反射比和耐溫性、耐候性良好，并且自身化學(xué)穩(wěn)定性非常優(yōu)異的一類顏料。選用具有高太陽(yáng)光反射比的冷顏料，可以配制出彩色的反射隔熱質(zhì)感涂料。研究表明，大多數(shù)復(fù)合無(wú)機(jī)顏料都具有較高的太陽(yáng)光反射比，可作為冷顏料用于制備彩色反射隔熱質(zhì)感涂料。復(fù)合無(wú)機(jī)顏料多由幾種金屬混合物如金屬氫氧化物、硝酸鹽甚至是金屬氧化物經(jīng)過(guò)高溫（800℃以上）煅燒化合而成，該類顏料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及含有的過(guò)渡金屬使得其在近紅外波段有較強(qiáng)的熱反射能力[5]。3.3填料在制備反射隔熱質(zhì)感涂料時(shí)，由于深色顏料的添加和鈦白粉用量的減少，涂料涂膜的太陽(yáng)光反射比會(huì)有不同程度的下降。在選擇用于彩色反射隔熱質(zhì)感涂料中的填料時(shí)，一方面需要考慮滿足涂料的基本物理性能指標(biāo)要求，另一方面需要選用具有較高太陽(yáng)光反射比的功能型填料以獲得更好的反射隔熱性能?？捎糜诜瓷涓魺豳|(zhì)感涂料的普通填料通常有滑石粉、云母粉以及重鈣粉等；可用于反射隔熱質(zhì)感涂料的功能型填料通常有空心微珠、紅外陶瓷粉、珠光云母粉、SiO2粉和Al2O3粉等。顏料和填料的粒徑對(duì)涂料的反射性能也有很大的影響，其粒徑d與散射波長(zhǎng)λ的關(guān)系見(jiàn)式（1）[6]：4、反射隔熱質(zhì)感涂料的研究與應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，歐美國(guó)家開(kāi)始研發(fā)反射隔熱涂料[7]。因反射隔熱涂料性能優(yōu)異，使用便利，經(jīng)濟(jì)性好而被廣泛應(yīng)用于油氣儲(chǔ)罐、建筑物屋頂及外墻等。我國(guó)科研機(jī)構(gòu)和少數(shù)龍頭企業(yè)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始研發(fā)反射隔熱涂料，經(jīng)過(guò)20余年的實(shí)踐，反射隔熱涂料生產(chǎn)技術(shù)已比較成熟，產(chǎn)品質(zhì)量也令人滿意。4.1反射隔熱砂壁質(zhì)感涂料反射隔熱砂壁質(zhì)感涂料以天然白砂為骨料，涂刷后外觀可仿單色砂巖或仿磚等，如圖1所示。通過(guò)在反射隔熱砂壁質(zhì)感涂料中添加反射隔熱鈦白粉和冷顏料，可提高涂膜的太陽(yáng)光反射比。金紅石型鈦白粉的折射率高（＞80%，目前已知白色顏料中折射率最高），粒徑分布理想，可見(jiàn)光遮蓋力好，近紅外光反射率高，是理想的反射隔熱鈦白粉。研究表明，當(dāng)金紅石型鈦白粉的粒徑分布在100~1200nm時(shí)，采用高速分散工藝（3500r/min，20min）對(duì)粉體漿料進(jìn)行分散處理，所制備的反射隔熱涂料涂膜的太陽(yáng)光反射比最佳[8-9]。對(duì)于反射隔熱砂壁質(zhì)感涂料來(lái)說(shuō)，涂料中添加的骨料的粒徑大小及分布也會(huì)對(duì)其反射隔熱性能產(chǎn)生一定影響：骨料粒徑較小，表面相對(duì)平整時(shí)，涂料涂膜的太陽(yáng)光反射比較高；反之，若骨料粒徑增大，表面粗糙度增加，則其太陽(yáng)光反射比會(huì)明顯降低。

圖1反射隔熱砂壁質(zhì)感涂料外觀4.2反射隔熱多彩涂料反射隔熱多彩涂料是將采用高分子保護(hù)膠纖維素或聚乙烯醇配制的保護(hù)膠溶液加入基礎(chǔ)色漆中進(jìn)行內(nèi)聚力加強(qiáng)，然后進(jìn)行切割造粒，最后將凝聚后的彩色色粒加入到連續(xù)相乳膠清漆中混合均勻并適度增稠而制得[10]。通過(guò)調(diào)整色粒的顏色搭配，色粒大小的變化，以及色粒切割工藝和噴涂工藝的變化，反射隔熱多彩涂料可以表現(xiàn)出各種花崗巖石材的逼真效果，如圖2所示。鈦白粉和冷顏料對(duì)反射隔熱多彩涂料的反射隔熱性能有著重要的影響。沈航[11]通過(guò)試驗(yàn)研究了在采用紅外反射改性TiO2替代多彩涂料底涂料中普通TiO2時(shí)對(duì)多彩涂料底涂料反射隔熱性能的影響。結(jié)果表明，改性TiO2在可見(jiàn)光波段的反射率與普通TiO2相同，但在近紅外波段比普通TiO2的反射率提升2%~5%。同時(shí)，使用“炭黑+改性TiO2”體系和“鐵鉻黑+普通TiO2”體系對(duì)涂料反射隔熱性能均有著顯著的提升，但“鐵鉻黑+普通TiO2”體系的反射隔熱性能更好。另一方面，反射隔熱多彩涂料的色粒對(duì)涂料的反射隔熱性能也有一定的影響。當(dāng)采用高明度的白色底涂料時(shí)，不同色粒的加入均會(huì)使涂膜對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光的反射率下降，但是高明度、暖色調(diào)的色粒對(duì)反射率的影響小于深色粒。而當(dāng)采用低明度的灰色底涂料時(shí)，鈦白色粒的加入可以使涂膜對(duì)可見(jiàn)光及近紅外光的反射率得到一定程度的提高。圖2反射隔熱多彩涂料外觀4.3反射隔熱仿石涂料反射隔熱仿石涂料是以合成樹(shù)脂乳液為基料，以不同級(jí)配和顏色彩砂為骨料，并加入各種功能性助劑而制成的涂料，如圖3所示。反射隔熱仿石涂料中不添加鈦白粉，涂膜的反射隔熱性能主要是由涂料中添加的反射隔熱彩砂來(lái)實(shí)現(xiàn)。反射隔熱彩砂是通過(guò)將冷顏料經(jīng)過(guò)煅燒工藝包裹于人工砂表面制得，其反射性能同時(shí)受到冷顏料性能和煅燒工藝的影響。在現(xiàn)有的技術(shù)工藝條件下，能夠用于煅燒砂的冷顏料品種和顏色極為有限，難以滿足各種仿石效果對(duì)于色彩的需求，同時(shí)冷顏料在應(yīng)用于煅燒砂表面包裹時(shí)其反射性能會(huì)有一定程度的降低。圖3反射隔熱仿石涂料外觀5、反射隔熱質(zhì)感涂料在應(yīng)用中存在的問(wèn)題

反射隔熱質(zhì)感涂料實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題之一是顏色和效果的局限性。根據(jù)美國(guó)干粉顏料制造商協(xié)會(huì)的定義和分類，冷顏料按照化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)可分為14種，常見(jiàn)的3種類型是金紅石型、尖晶石型和赤鐵礦型。能用于反射隔熱質(zhì)感涂料的冷顏料數(shù)量有限，尤其對(duì)于反射隔熱多彩涂料，任何色粒的加入都會(huì)使涂膜的整體反射率下降，限制了反射隔熱質(zhì)感涂料可以模仿的石材種類。缺少合適的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也是反射隔熱質(zhì)感涂料應(yīng)用中存在的一大問(wèn)題。目前反射隔熱質(zhì)感涂料主要執(zhí)行住建部發(fā)布的JG/T235—2014《建筑反射隔熱涂料》標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)主要考慮了單色反射隔熱平涂涂料產(chǎn)品，其中的測(cè)試方法對(duì)于反射隔熱質(zhì)感涂料尤其是反射隔熱多彩涂料來(lái)說(shuō)并不是很適合。目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)的反射隔熱質(zhì)感涂料產(chǎn)品品種越來(lái)越多，亟需出臺(tái)一部專門(mén)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以對(duì)反射隔熱質(zhì)感涂料產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)范和引導(dǎo)。結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)夏熱冬暖和夏熱冬冷地區(qū)，建筑能耗以夏季制冷為主，反射隔熱質(zhì)感涂料在這些區(qū)域具有良好的應(yīng)用前景。目前反射隔熱質(zhì)感涂料的發(fā)展受到顏料和填料技術(shù)的限制，而且生產(chǎn)