我国透明隔热涂料研发的新进展
我国透明隔热涂料研发的新进展
一、概述
目前，我国已成为能源消费大国，因此节能和减排已经成为我国未来必须认真研究和解决的重大而迫切的课题之一。据有关资料报道，我国每年新建建筑物的面积将近20亿m2，且高能耗的建筑在80%以上；据统计我国建筑物的能量消耗已占社会总能耗的比例达27.8%之多，并且还有逐年不断升高的趋势。这种状况已经对社会造成了沉重的能源负担和严重的环境污染，因此建筑节能已经成为降耗减排的重大问题。通常建筑物门窗玻璃的总面积约为建筑外围面积的30%，其耗散的能量约占建筑总能耗的2/3以上，从而是建筑物能量损失最严重的部位，门窗玻璃的热损失是造成建筑采暖和制冷中大量能耗最主要的原因。近年来，为了减少因门窗玻璃上热量的散失或者透射造成的热能传递，科研人员对各种玻璃节能产品进行了多方面的研究和探索，已经先后研制出多种节能的玻璃结构和材料，但由于这些产品对可见光的透过率低、制造工艺复杂、价格昂贵等原因，从而大大地限制了它们的推广和应用。
研究表明，太阳所发射的能量主要在波长为0.2～2.5μm的范围内，其中：0.2～0.4μm紫外光占总能量的5% ；0.4～0.72μm的可见光区占总能量的45%；而0.72～2.5μm近红外光约占总能量的50% 。红外光是一种不可见光，但它会以热能方式辐射到被照射的物体上，因而对这部分能量进行反射或有效阻隔其能量在被照射物体内的传播，就可以起到隔热保温的效果而不影响玻璃或涂层的透明性，透明涂料就是一种能有效屏蔽红外光又能使可见光透过的功能性涂料[2]。为了减少有机涂料对环境的污染，目前水性涂料已经成为应用的主流涂料产品，因而国内对水性纳米透明隔热涂料也进行了广泛的研究与开发。由于这种涂料高效节能，且具有绿色环保、安全健康的综合产业优势，它们作为溶剂型隔热涂料的换代产品，对节能减排、环境保护有重要的现实意义和积极的社会效益，将会有广阔的市场前景。
二、反射隔热涂料
太阳光是人类赖以生存的必要条件，然而强烈的太阳辐射能量可使物体表面及内部的温度大幅度升高，以致造成建筑物、车辆、管道等设施内的温度过高。特别是对于我国南方地区，夏季用于制冷所需的能源消耗与日俱增，太阳光的热辐射还会造成物体因温度过高加速材料的化学腐蚀，加剧材料的老化和降解过程，也会使各种材料难以保持其原有的良好力学、化学和使用性能，同时会大大降低各种结构的使用寿命，以致有可能造成灾难性的后果。因此，反射隔热涂料已经成为当前功能涂料中研究和开发的一大热点。
王雅丽等对几种不同类型、不同颜色的常用涂料进行的隔热效果测试，结果表明，透明涂料隔热效果最差，浅色漆的隔热效果优于深色漆，铝粉漆具有最佳的隔热效果。郑其俊等研制成功一种高辐射率的薄层隔热保温涂料，其热反射率为0.79、热辐射率为0.83，各项主要性能接近国外同类产品的水平，而制造成本仅为国外同类产品的1/4左右，且涂层薄、附着力好和施工方便，并集防水、隔热外防护2种功能于一体。李建涛采用过渡区金属氧化物掺杂和高温固相烧结法制备成功一种高红外活性的四氧二铁酸钴反尖晶石相的陶瓷红外辐射材料，经过XRD表征, 这种粉末在26℃的环境下，对8～13.5 μm波段红外光的发射率大于94％；他们以氟碳乳液为基料，添加该红外粉末为功能填料，制成了红外光在"大气窗口"波段内发射率大于78％的外墙反射隔热涂料。张敏采用鳞片状铝粉为颜料制得了一种综合性能优良的水性反光隔热罩面透明涂料，经实体测定，当气温高达35～37℃时，涂层内部可降温11～13℃。王金台等用相同乳液比较了添加一般填料、氧化锌、堇青石、玻璃微珠、陶瓷微珠等不同功能性颜填料涂料的反射比及稳定性，表明添加玻璃微珠的涂料的反射比和稳定性较好。当在涂料中加入适量红外粉料，可使涂料具有高发射率(大于0.9)。赵石林研制的一种由丙烯酸合成乳液、反辐射陶瓷填料、隔热硅酸盐空心填料、颜填料、涂料助剂、稀释剂和水组成可涂于建筑物外墙或金属表面的水性反辐射隔热涂料，试验表明，这种反辐射隔热涂料具有附着力强、涂层薄、无毒、无污染、隔热性能好的特性。张安杰等人在水性聚氨酯树脂中添加氧化锡锑(Antimony doped Tin Oxide，ATO)、氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）制备成的复合纳米氧化物为主要隔热材料，所制备出的透明涂料对可见光的透过率达到70%以上，对红外光的阻隔率高达90%以上。经测试，涂覆这种涂料与未涂覆这种涂料的模拟温差为8～10℃，表明这种透明涂料具有良好的隔热效果。
张军科和惠学洲用苯丙乳液作为基料，通过在涂料中加入一定量的真空玻璃微珠作为隔热层，制备了一种隔热涂料，其隔热效果良好。倪正发根据混凝土建筑物涂装的太阳热反射涂料会因墙体变形及冷热交变应力作用而开裂，用30%～35%自制的弹性乳液为成膜物质、29%钛白粉作为反射料和1.3%纳米双疏二氧化硅为主要成分制成的高反射热弹性涂料，既有高的太阳光反射率，同时具有良好的抗裂性能和长久的耐沾污性能。许辉等用SiO2气凝胶、丙烯酸树脂制备一种透明隔热涂料，经对涂层的接触角、红外光谱、光学性能及隔热效果的系统测试，结果表明这种透明隔热涂料在500W 红外灯光下照射10 min后，涂了这种涂料的玻璃与空白玻璃的表面温度相差l1℃。郭宇研究了用红外反射白色颜料与铁铬黑、有机颜料或无机颜料配制的灰色涂料，这些涂料有效地提高了灰色涂层的红外光反射率，这些涂层的红外光反射率均可达到《建筑反射隔热涂料》（JG/T 235-2014）对中等明度
彭瑞迈等人采用溶胶-凝胶法，将钛酸酯、正硅酸乙酯和硅烷偶联剂(KH-560)进行共水解，制备了含二氧化钛的耐磨透明膜层材料，分析结果表明，其复合耐磨透明膜层对可见光的透过率达90%以上，具有较好的耐热性，与基材的附着性好，其铅笔硬度高达到6H。郭宇等人研究了用纯丙乳液、红外光反射颜料和铁铬黑配制的水性彩色反射隔热涂料反射率与涂层厚度的关系，结果表明，当涂在铁红底漆上时，涂层厚度小于50μm时，反射率基本稳定。试验还表明，涂在白色底材上比涂在黑色上反射率明显地高，随着涂层厚度增加，反射率的差异将缩小，当涂层的厚度超过100μm后，随涂层厚度增加反射率不再变化，认为根据底材料颜色不同，高反射涂料的涂层厚度应在50～100μm的范围为宜。
三、纳米隔热涂料
纳米透明隔热涂料是针对为保持建筑物、车辆、船舶内部空间的低温状态，其门窗玻璃要求对可见光具有很高的透过率，同时能够有效地阻隔红外光热辐射的一种新型功能涂料。这种纳米透明隔热涂料可刷涂或淋涂在普通玻璃、有机玻璃等透明物体表面上，要求这种涂料具有涂层薄、与玻璃的附着性好、涂层的硬度高和韧性好，且使用寿命长，因此纳米透明隔热涂料具有较高的节能效益和应用前景。
近年来的研究发现，纳米金属氧化物粉体对可见光透过率很高，并对红外光却具有良好的反射性能。经测定：在纳米SnO2 中加入铟、锑、砷等元素，几乎不影响波长400～800nm 可见光的透过率，而对于波长小于400nm前紫外光的吸收率约为90% ；而对波长800～2 500nm的近红外光可反射阻隔约43%的太阳能量。研究还表明，ATO对波长1 400～2 500nm和氧化铟锡(Indium doped Tin Oxide， ITO)对波长l 100～2 500nm的近红外光都具有良好的反射阻隔特性，如果将它们的粉末与具有良好紫外光阻隔性能的纳米二氧化钛、氧化锌、氧化铁等纳米粉体加入到涂料中，将是一种性能优异的纳米透明隔热涂料。殷武等人根据聚苯保温板热阻大，将使夏季抹面砂浆的防护层和饰面涂层表面温度高达60～80℃，而当突降暴雨时，其温度变化可达30～50℃以上，这种温度骤变很容易导致防护层和饰面层产生裂缝，当雨水或水汽通过裂缝进入到保温层中后，将会使保温板粘结强度下降，以致完全脱落。他们用中空玻璃微珠、纳米浆料和氟硅改性丙烯酸乳液制备了一种耐久性好、热反射率高和导热系数低的薄型保温隔热涂料，如用作保温系统的饰面涂层，大大提高了保温体系的使用寿命，增加保温体系的节能效果。黄燕等人用纳米ATO水性浆料和水性聚氨酯(PU) 制备了一种透明隔热涂料，并研究了不同纳米ATO的用量及涂膜厚度对涂层热学性能的影响，试验表明，当碘钨灯照射时，新研制的涂料与空白玻璃两者背面的温度差可达到10℃左右，木头盒中的温度与外部空气的温度差约为6℃，底板上的温差约达4℃。王雅丽等用纳米ATO制备了一种高性能的透明隔热涂料，这种涂料对于380～780nm的可见光的透过率达到了60%；对于红外光的阻隔率在50%以上，而且这种涂料耐水、耐盐碱及醇类的浸蚀，同时加入不同颜料还可制成彩色透明隔热涂料。
张冠琦等用纳米ATO分散体和水性聚氨酯制备的透明隔热涂料，试验表明纳米ATO的含量和涂膜厚度对涂层的隔热效果影响很大，当含30%纳米ATO分散体、湿膜厚度在100μm时具有较好的综合性能；环境模拟试验的结果，装有这种涂膜的玻璃能使室内空气的温度降低5～7℃。李宁等用稳定的纳米ATO水性浆料与水性聚氨酯配制了一种纳米透明隔热保温涂料，热分析表明，这种涂料的遮阳系数可达0.64；可见光透过率为64.94%。试验还表明，这种涂料还可通过调整透明树脂的比例和改变涂膜的厚度来调节涂层的遮阳系数。这种涂料环保高效、施工方便，且价格低廉，很适宜在透光率不太苛刻的幕墙或玻璃装饰物上应用。李楚忠等用水性纳米氧化锡锑(ATO)浆料和水性氟丙树脂通过共混，当ATO浆料的添加量为25.62%和紫外线吸收剂的用量为3%时，所制备的透明隔热涂料隔热效果良好。测试结果表明，这种涂料的红外光阻隔率为80.21%，其可见光和紫外光的透过率分别为78%和20.12%。
四、透明涂料的发展展望
随着我国城镇化的高速发展，各种建筑物猛增、能源消耗骤增和空气污染日益严重，因此节能减排的重要性和紧迫性已经日益凸显。为此，在党的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》中，明确规定了全国城镇建筑总能耗到2010年要实现节能50%，到2020年北方和沿海发达地区和超大城市要求实现建筑节能65%以上，但实际上到目前为止，一些城镇的建筑节能率还远未超过30%。目前，我国约45亿m2公共建筑总面积中99％都属于高能耗的建筑，而对于建筑物主要能耗的门窗玻璃上，透明隔热涂料的使用率还不到10%。此外，目前大量使用的车辆、船舶的玻璃上还基本上没有涂装透明隔热涂料。
改革开放以来，人们对工作和居住条件的要求不断提高，以及建筑结构的不断进步和发展，各种玻璃在建筑物上的应用比例呈现出明显上升的趋势；特别是随着近年来各种车辆、船舶使用量的快速增长，都大大增加了玻璃的使用量，因此透明隔热涂料研发必然会成为涂料行业中研究和开发的热点。然而，由于我国彩色透隔热涂料的研究与开发起步较晚，大量的研究工作主要是跟踪国外的一些研究成果，所以至今国内的研究和应用与发达国家还存在较大的差距。同时，由于当前大量研究和开发的高透明隔热涂料还大多处于实验室的试验阶段，以至许多研究成果也并没有进行产业化生产，而且对于透明隔热涂料的广告宣传和推广应用并不到位，加之透明隔热涂料的价格太高，难以为广大的消费者所接受，所以透明隔热涂料在国内的广泛应用还需要做大量的工作。另外，为扩大透明隔热涂料的推广和应用，应大力开发一些对可见光透过率要求不很高用途的透明隔热涂料的开发和研究，如用于混凝土建筑物外墙的装修、聚苯板保温系统的表面防护层、磁砖贴面建筑物的装饰涂料等，如果能将这类半透明隔热涂料投入到建筑物的节能改造中，预期透明隔热涂料将会有非常好的应用前景，而且会有巨大的消费市场空间。
作者：肖汝斌、 张存信
深圳市广承鑫环保科技有限公司
