太陽(yáng)熱反射隔熱涂料研究進(jìn)展

中國(guó)新型涂料網(wǎng)訊：

地球上絕大部分能量都來(lái)自于太陽(yáng),煤炭、石油、風(fēng)能、水的運(yùn)動(dòng)能等都是太陽(yáng)能的一種形式�，F(xiàn)在太陽(yáng)仍以大約1.77 ×10¹⁷ J / s的速度將能量輻射到地球表面,給地球生命提供了生存條件,但強(qiáng)烈的熱輻射也給人類(lèi)生活帶來(lái)諸多不便。據(jù)分析,噴淋裝置、空調(diào)、冷氣機(jī)和電風(fēng)扇等降溫制冷設(shè)備每年所消耗的能量占全年總能耗的20%以上。所耗能量大部分又是煤炭火力發(fā)電產(chǎn)生,消耗煤炭———間接的太陽(yáng)能,同時(shí)產(chǎn)生大量的二氧化碳等溫室氣體,加劇了全球氣候變暖,如此惡性循環(huán)造成人類(lèi)居住的地球環(huán)境越來(lái)越惡化。如何合理地利用太陽(yáng)能造福于人類(lèi),建立人與自然和諧共存的關(guān)系,是全人類(lèi)所面臨的共同課題與嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。直接利用太陽(yáng)能發(fā)電是最環(huán)保、最有前途的主動(dòng)利用太陽(yáng)能的方法,但全面取代火電尚需時(shí)日。開(kāi)發(fā)太陽(yáng)熱反射隔熱涂料降低建筑物、設(shè)備表面溫度是一種被動(dòng)利用太陽(yáng)能的方法,對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、創(chuàng)建人與自然的和諧關(guān)系具有重要的意義。

1　太陽(yáng)熱反射涂料基本原理

太陽(yáng)的能量產(chǎn)生于熱核反應(yīng),以熱輻射的形式向外發(fā)送,能量分布見(jiàn)表1。

表1　太陽(yáng)輻射能量分布

由表1可見(jiàn),太陽(yáng)的能量主要集中在可見(jiàn)光和紅外光區(qū)。室溫下或溫度更低的一般物體,也在不斷地以紅外光和波長(zhǎng)更長(zhǎng)的電磁波向外輻射能量。

一般物體對(duì)能入射量有3種響應(yīng):反射、吸收和透過(guò)。若定義反射率為ρ,吸收率為ε,透過(guò)率為τ,則如式(1)所示。

ρ+ε+τ= 1 式(1)

大部分物體都是不透明的(包括色漆固化后的涂層) ,此時(shí)τ= 0,式(1)簡(jiǎn)化為式(2) 。

ρ+ε= 1 式(2)

大氣對(duì)紅外輻射在215～5μm和8～1315μm有兩個(gè)窗口,即大氣對(duì)這兩個(gè)區(qū)域的紅外輻射吸收能力較弱,透過(guò)率一般在80%以上。因此,要實(shí)現(xiàn)物體的持續(xù)降溫,就要把吸收的熱量盡可能通過(guò)這兩個(gè)窗口輻射到外層空間去。

傳熱方式有輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)3種。太陽(yáng)輻射熱在涂層中的傳遞主要通過(guò)傳導(dǎo)進(jìn)行,基本上沒(méi)有輻射和對(duì)流的貢獻(xiàn),原因?yàn)?/span>: (1)固化后的涂層為不透明的,避免了熱量通過(guò)輻射方式向內(nèi)部傳遞; (2)對(duì)流傳熱需要有液體或氣體介質(zhì),固化后的涂層內(nèi)部可以認(rèn)為不存在液體介質(zhì),氣體介質(zhì)主要是殘存于涂層氣泡內(nèi)的空氣,通過(guò)合理的配方和正確的施工工藝,可以使氣泡完全消除或基本無(wú)氣泡,至少不會(huì)形成對(duì)流通路,因此氣體對(duì)流傳熱也可以認(rèn)為不能發(fā)生。

根據(jù)上述分析,理想的太陽(yáng)熱反射隔熱涂料形成的涂層應(yīng)具有以下特點(diǎn): (1)不透明; (2)對(duì)太陽(yáng)光全波段,至少是可見(jiàn)光和紅外光波段具有高反射率; (3)能夠?qū)⑺�吸收的輻射�?span lang="EN-US" style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; word-wrap: break-word; line-height: 25px; ">

全部轉(zhuǎn)化為215～5μm和8～1315μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外光輻射到外層空間去; (4)成膜物質(zhì)具有盡可能低的傳熱系數(shù);(5)具有較好的耐候性和涂層應(yīng)具備的其他綜合性能。

2　太陽(yáng)熱反射涂料測(cè)試方法

    2007年5月,國(guó)家發(fā)改委發(fā)布了建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 1040建筑外表面用熱反射隔熱涂料,除了其他與涂料有關(guān)的綜合性能指標(biāo)外,主要規(guī)定了太陽(yáng)反射比和半球發(fā)射率這兩個(gè)代表熱反射隔熱涂料特性的指標(biāo)和測(cè)試方法。這兩項(xiàng)指標(biāo)均引用GJB 2502—1996 衛(wèi)星熱控涂層試驗(yàn)方法(已被GJB 2502—2006 航天器熱控涂層試驗(yàn)方法代替) 。

2008年9月,中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 235—2008 建筑反射隔熱涂料,該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了太陽(yáng)反射比、半球發(fā)射率、隔熱溫差和隔熱溫差衰減(白色) 4項(xiàng)指標(biāo),比建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC /T 1040—2007多出2項(xiàng)與反射隔熱性能有關(guān)的指標(biāo),但太陽(yáng)反射比和半球發(fā)射率2項(xiàng)指標(biāo)均低于JC /T 1040—2007中指標(biāo)要求。

3　太陽(yáng)熱反射涂料原材料及對(duì)反射隔熱性能的影響

3.1　樹(shù)脂

太陽(yáng)熱反射隔熱涂料處于強(qiáng)太陽(yáng)光的直接照射下,樹(shù)脂必須能耐紫外線破壞,因此,環(huán)氧樹(shù)脂、芳香族聚氨酯等不宜用作基料樹(shù)脂,除此之外大部分樹(shù)脂如醇酸樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、氨基樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、有機(jī)硅改性醇酸樹(shù)脂、有機(jī)硅改性聚酯樹(shù)脂、有機(jī)硅改性丙烯酸樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂、含氟樹(shù)脂等都可以用作太陽(yáng)熱反射隔熱涂料的基料樹(shù)脂。要求樹(shù)脂的透明度高,透光率在80%以上(以利于顏填料反射) ,對(duì)輻射能吸收率低(樹(shù)脂分子盡量少含C—O—C、C O、—OH等吸能基團(tuán)) 。

隨著環(huán)保要求的不斷提高,采用高固體分、無(wú)溶劑和水性樹(shù)脂已成為涂料工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),因此,耐候性好且符合環(huán)保要求的無(wú)溶劑聚氨酯、硅丙乳液、水性聚氨酯、水性氟樹(shù)脂等成為太陽(yáng)熱反射隔熱涂料的首選樹(shù)脂。

3.2　顏填料

涂層熱輻射率取決于顏填料折光指數(shù)( n_p)與樹(shù)脂折光指數(shù)( n_r )的比值(n_p /n_r ) 、涂層厚度、顏填料粒徑、顏填料純度以及顏料體積濃度( PVC)等。

3.2.1顏填料光學(xué)性質(zhì)

當(dāng)顏填料的折光指數(shù)和基料的折光指數(shù)相等時(shí),涂料是透明的,當(dāng)顏填料的折光指數(shù)大于基料的折光指數(shù)時(shí),涂料就有遮蓋力。涂料遮蓋力大小取決于顏填料和基料折光指數(shù)之差,見(jiàn)式(3) 。

    式(3)

式中, F—反射系數(shù); n_p—顏填料折光指數(shù); n_r —基料折光指數(shù)。

物體對(duì)光的反射包括全反射和散射,涂層中顏填料對(duì)光的反射主要以散射為主。顏填料折光指數(shù)與樹(shù)脂折光指數(shù)比值( np / nr )為顏填料對(duì)白光的散射能力m,見(jiàn)式(4) 。

m = n_p / n_r    式(4)

由(3)式和(4)式可知,顏填料折光指數(shù)與樹(shù)脂折光指數(shù)相差越大, 散射能力越強(qiáng)。顏填料遮蓋力越強(qiáng),散射能力越強(qiáng)。

樹(shù)脂的折光指數(shù)一般在1.45～1.50之間,醇酸樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂的折光指數(shù)接近1.48,氟樹(shù)脂折光指數(shù)較低,為1.34～1.42。常見(jiàn)幾種顏填料折光指數(shù)見(jiàn)表2。

表2　顏填料折光指數(shù)

3.2.2　顏填料粒徑

顏填料粒徑與反射入射光的波長(zhǎng)有關(guān),對(duì)應(yīng)于最大反射的顆粒直徑可用式(5)計(jì)算。

        式(5)

式中: d—顏填料粒徑; np —基料樹(shù)脂的折光指數(shù); m —顏填料散射能力( np /nr ) ;λ—入射光波長(zhǎng)。

　　當(dāng)顏填料粒徑與入射光波長(zhǎng)比( d /λ)為0.1～10時(shí),表現(xiàn)為菲涅耳型反射,對(duì)溫控有利;當(dāng)d /λ < 0.1時(shí),表現(xiàn)為瑞利散射,對(duì)溫控?zé)o效。

根據(jù)上述分析,顏填料粒徑大對(duì)反射太陽(yáng)熱輻射有利,最小不應(yīng)小于0.02μm,否則對(duì)溫控沒(méi)有貢獻(xiàn)。但是顏填料粒徑大,涂膜表面粗糙、孔隙多,易沾污,導(dǎo)致表面反射能力下降,因此,應(yīng)有一個(gè)合適的粒徑搭配,使涂膜既有良好的反射能力,又有較好的耐沾污性能使涂膜表面保持平整光滑。

3.2.3　顏填料輻射性能

通過(guò)選擇合適的樹(shù)脂、顏填料及設(shè)計(jì)合理的配方,可以將大部分(85%以上)太陽(yáng)輻射能反射出去,但仍有一部分會(huì)被涂層吸收,被吸收的這部分熱量可以通過(guò)傳導(dǎo)向內(nèi)傳遞。這部分熱量是不斷積累的,若不通過(guò)其他方式排除掉,也會(huì)引起涂層及涂層下物體溫度不斷上升。

傳導(dǎo)是通過(guò)分子振動(dòng)傳遞熱量的方式,分子振動(dòng)產(chǎn)生電磁波,因此,涂層所吸收的熱量一部分會(huì)以電磁波———紅外光的方式輻射出去。研究表明, 金屬氧化物如Fe₂ O₃、MnO₂、Co₃O₂、CuO等摻雜形成的具有反尖晶石結(jié)構(gòu)的物質(zhì)有高紅外光發(fā)射率,可作為隔熱節(jié)能涂料的填料。

4　太陽(yáng)熱反射涂料研究現(xiàn)狀

太陽(yáng)熱反射涂料國(guó)外20世紀(jì)50年代研制成功并投產(chǎn), 70年代至80年代其理論表述已經(jīng)形成, 90年代后期,隨著技術(shù)的發(fā)展,高性能樹(shù)脂的合成、高反射率的顏填料發(fā)現(xiàn)以及更精確、更快捷檢測(cè)儀器的研制成功,使太陽(yáng)熱反射涂料技術(shù)更加完善。隨著建設(shè)節(jié)能型社會(huì)的發(fā)展要求,太陽(yáng)熱反射涂料的研究在我國(guó)也呈現(xiàn)出方興未艾的趨勢(shì)。

4.1　高性能樹(shù)脂

太陽(yáng)熱反射涂層處于太陽(yáng)輻射直接作用下,太陽(yáng)照射到地面的光能中約有5%的紫外線,近年來(lái),由于臭氧層破壞的加劇,太陽(yáng)輻射到地面的光能中紫外線含量有上升的趨勢(shì)。紫外線波長(zhǎng)為290～400 nm,能量為314～419 kJ /mol,大部分聚合物自動(dòng)氧化反應(yīng)的活化能為42～167 kJ /mol,離解能為167～418 kJ /mol,除F—C鍵具有485 kJ /mol的高鍵能,能抵御紫外線進(jìn)攻外,大部分聚合物的化學(xué)鍵都會(huì)被紫外線破壞。

因此,高性能樹(shù)脂一般都是含氟聚合物。航天器用對(duì)粒子輻射和太陽(yáng)輻射穩(wěn)定且能反射太陽(yáng)輻射的封閉隔離罩及其外用隔熱涂層,封閉隔離罩作為基材,外用隔熱涂層覆蓋其上;外用隔熱涂層由3層組成:以透明的全氟乙烯- 丙烯共聚物作為太陽(yáng)能穩(wěn)定涂層(1215～125μm) ,在其外表面熔融燒結(jié)一層聚酰亞胺如聚[N, N( p, p - 氧基雙苯撐)苯均酰亞胺]作為粒子穩(wěn)定涂層,在太陽(yáng)能穩(wěn)定涂層內(nèi)表面沉積鋁、銀、金、銅為反射層,再把反射層通過(guò)粘合劑等方式粘接航天器外殼上。

4.2 新型顏填料和涂料

顏填料是太陽(yáng)熱反射涂料中的光學(xué)活性物質(zhì),對(duì)涂層性能起決定性作用。通過(guò)對(duì)不同元素的各種化合物光學(xué)性能研究、微觀結(jié)構(gòu)(晶體結(jié)構(gòu)、聚集狀態(tài))對(duì)光學(xué)性能的影響以及通過(guò)特殊工藝(沉積、包覆等)制備復(fù)合顏填料,可不斷開(kāi)發(fā)出性能、用途各異的新型顏填料。以錫酸鎘添加少量銅可用于建筑玻璃窗上的涂層,該涂層可反射紅外光同時(shí)透過(guò)可見(jiàn)光。

以肟固化的有機(jī)硅酮為粘結(jié)劑、添加高純顏料BaTiO、CdS、CoTiO、CdSe發(fā)明了一種低紅外輻射涂料,可用于分散紅外輻射、視覺(jué)偽裝、熱控以及長(zhǎng)時(shí)高溫隔熱等,可作為核爆炸防護(hù)涂層。

一種制作反射紅外線顏料的方法:以云母、玻璃、不吸收紅外線的硅酸鹽及相似物為載體,其上沉積10 000到50 000埃的貴金屬如金、銀、鉑或鋅、鎳、銅、鋁等,再在金屬表面沉積100到300埃的電介質(zhì)如二氧化鈦、硫化鋅及其混合物;所制備的紅外反射顏料對(duì)750～1 000 nm的紅外線有75%的反射率,對(duì)3 000 nm的紅外線有近100%的反射率;可用常規(guī)樹(shù)脂如醇酸(包括改性醇酸) 、環(huán)氧(包括環(huán)氧酯) 、精油樹(shù)脂、氯化橡膠、乙烯樹(shù)脂、聚氨酯、聚酯、無(wú)機(jī)硅或有機(jī)硅、聚酰胺、丙烯酸聚合物等制備料;涂料可用于磚結(jié)構(gòu)、混凝土、灰膏、塑料、木材、纖維板及金屬表面。

4.3　深色太陽(yáng)熱反射涂料

白色和淺色太陽(yáng)熱反射涂料反射效率最高,也最容易開(kāi)發(fā),但深色太陽(yáng)熱反射涂料對(duì)軍方是必不可少的,同時(shí)民用市場(chǎng)也需要豐富多彩的各種顏色的太陽(yáng)熱反射涂料。通過(guò)用顏色原理混配出的深顏色比單一深色顏料提供的深顏色有較低低紅外吸收率,比如常用的黑色顏料如炭黑、鐵黑、銅鉻黑紅外吸收率都很高,而由紅和青或黃和紫組成的消光黑色對(duì)380～780 nm的可見(jiàn)光無(wú)反射,對(duì)780 nm以上的近紅外卻具有高的反射率,通過(guò)配以耐候性的樹(shù)脂,可制備出長(zhǎng)效的白色以外的太陽(yáng)熱反射涂料。綠色系列太陽(yáng)熱反射涂料,草綠色涂層在遠(yuǎn)紅外區(qū)的反射率很高,在很寬的范圍內(nèi)超過(guò)了75% ,最高達(dá)到79%;深綠色涂層紅外反射值也達(dá)到了74.4%。

4.4　單一涂層的太陽(yáng)熱反射材料

單一涂層集防腐、隔熱、反射等功能于一身,可減少施工工作量,同時(shí)涂層質(zhì)量容易得到控制,因此,市場(chǎng)有一定需求,也是太陽(yáng)熱反射涂料發(fā)展的趨勢(shì)之一。

5　太陽(yáng)熱反射涂料發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的發(fā)展,社會(huì)的進(jìn)步,太陽(yáng)熱反射涂料呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì):

(1)高耐候、長(zhǎng)效性。改性丙烯酸樹(shù)脂、聚硅氧烷樹(shù)脂、含氟樹(shù)脂等耐紫外線性能優(yōu)異的樹(shù)脂的不斷開(kāi)發(fā),配以高光學(xué)性能的顏填料,使得高耐候、長(zhǎng)效性的太陽(yáng)熱反射涂料的開(kāi)發(fā)成為可能,加之自清潔技術(shù)等合成于同一涂層中,有望實(shí)現(xiàn)15年以上的免大修壽命。

(2)單一顏填料向高純度、復(fù)合顏填料向高性能方向發(fā)展。通過(guò)對(duì)高純度顏料光學(xué)性能的理論研究和試驗(yàn),對(duì)單一顏料的光學(xué)性能有更深刻的認(rèn)識(shí),然后通過(guò)特殊工藝,開(kāi)發(fā)各種高性能復(fù)合顏填料,使太陽(yáng)熱反射涂料光學(xué)效率更高、效果更好。

(3)環(huán)境友好性。社會(huì)發(fā)展要求人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響越小越好,因此,水性、高固體分、無(wú)溶劑型涂料也成為涂料發(fā)展的大勢(shì)所趨。