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功能性颜填料在建筑热反射隔热涂料中的应用
蔡青青，张汉青,史立平,张雷（中海油常州涂料化工研究院有限公司，江苏常州213016）
0 引言
建筑物能耗占据了地球总能耗的约40%，其中大部分能耗是由供暖及制冷设施产生的。虽然有许多因素影响着室内温度以及由此发生的空调制冷能耗，如气候、建筑物结构、材料等，但建筑物屋顶和墙面承载建筑与外部环境之间超过50%的热量传递，是影响室内环境温度的重要因素。通过阻隔屋顶及墙面与外部环境之间的热量传递来降低屋顶及墙面温度、减少建筑物的热量累积以及降低采暖/制冷费用，该项技术被称为被动屋顶面冷却技术， 是全球建筑节能领域关注的焦点。在屋顶及外立面涂装太阳热反射隔热涂层是最常见以及安全可靠、切实有效的技术手段。国外已有不少研究人员试验证明涂装高反射率涂料的建筑物可以比普通建筑物降温10~25 ℃， 能有效保持适宜的室内温度以及节约能源。
国内目前建筑物节能主要依靠在外墙面粘贴导热系数低的保温材料来阻隔热量传递， 相关技术包括聚苯板薄抹灰技术及岩棉板外保温技术等， 这些技术可以很好实现现有的节能目标， 然而也存在以下诸多问题：（1）工序繁琐，施工难度较大且对工人技术水平要求高；（2）施工工期长，造价高；（3）因施工和配套不当容易引起脱落及开裂的质量问题；（4）材料易燃，存在火灾安全隐患。因此，研究人员致力于探索寻找其他途径来实现建筑节能， 轻质薄层的太阳热反射涂料由于其出色的热反射能力已成为建筑涂料领域研究的热点，在功能材料的选择和改性、性能测试以及配方筛选方面取得了不少研究进展。
有研究人员质疑单独采用薄层热反射涂料能否完全达到现有聚苯乙烯保温板（EPS/XPS）等隔热材料层的外保温体系的隔热保温效果[5]，若将热反射面涂层与热阻隔型中涂层与热阻隔型腻子层组合成复合涂层，有望达到更好的节能目标。未来，政府对建筑的节能标准定会日益提高，要求建筑物能量利用更有效率，碳排放更小，如欧盟就决定到2020 年将住宅及商业建筑能耗减少20%（和1995 年相比）, 到2050 年减少50%。Ali Joudi 等通过实地涂装考察试验发现，外墙涂装热反射涂料能够节省建筑制冷费用，但会损耗内部热能，内墙涂装热反射涂料能节省建筑采暖费用， 但对制冷费用没有作用， 由此建议寒冷地区采用内墙热反射涂料，夏热冬暖地区采用外墙热反射涂料，夏热冬冷地区同时采用内外墙热反射涂料， 针对不同地区的气候特点巧妙设计不同的组合方案， 可以更充分发挥热反射涂料的产品优势。中国地域宽广，从北到南不同区域气候类型各不相同， 以往建筑热反射涂料产品只是面向南方夏热冬暖地区及夏热冬冷地区进行开发， 若针对严寒地区开发内墙热反射涂料， 则可以大大拓宽产品应用范围及思路，使其在建筑领域得到更多应用，后期需要做的研究工作还很多。
热反射隔热涂料主要通过其功能性颜填料所具备的材质与结构的优势， 将太阳热量通过反射及辐射发射到外部空间，从而降低被照射物体温度，保护其不受高温破坏[7]。功能性颜填料的选择和应用是热反射涂料研究的关键技术， 本文总结了几种较新型热反射功能性颜填料的特点和应用效果， 希望能为以后热反射涂料的研究提供一些参考和借鉴。
1 复合无机颜料
最佳的太阳热反射隔热涂层需满足：（1）具有尽可能高的反射率；（2）具有尽可能低的吸收率和尽可能高的发射率。提高涂层的热反射率是热反射隔热涂料研究的主要目标，关键在于选择反射率高的颜填料。颜色越浅的材料反射率越高， 传统建筑热反射涂料多为白色， 因为白色钛白粉颜料会反射大部分可见光及红外光能量，从而达到较高的太阳光反射率。但白色涂层存在耐沾污性差、炫目刺眼、色调单一的缺点，建筑物外墙面需要更丰富的色彩。通过选用红外热反射率较高的颜料（即冷颜料）可以制备出彩色的建筑反射隔热涂料，经测试发现，大多数复合无机颜料都具备较高的太阳反射率TSR（Total Solar Reflectance）数值，虽然不及白色颜料的反射率， 然而与相同色的其他颜料相比还是有相当高的太阳光反射率， 可作为冷颜料用于制备彩色建筑热反射隔热涂料。
复合无机颜料CICP/MMO（Complex Inorganic ColorPigment/Mix Metal Oxide Pigments） 大多数由几种金属混合物如金属氢氧化物、硝酸盐甚至是金属氧化物经过高温煅烧（800 ℃以上）化合而成。在高温的作用下，这些固体混合物变得有活性， 其中的金属和氧离子重排而形成新的更稳定的结晶结构如纺锤形或金红石型之类。在此颜料里通常含有钛、镍、锰、铬、铜、铁、钴等
有色金属离子，以及晶体电荷平衡离子，如锂、镁、钛、钙、钽、铌、钼、钨、铝、锑等，该类颜料独特的结构及含有的过渡金属使得其在红外区域有较强的反射能力。
具有热反射功能的彩色复合无机颜料在可见光区域反射其本色波长的热量，而吸收其余波长的热量，其反射率并不低于普通彩色颜料； 但其在红外光谱范围内的反射率明显高于普通彩色颜料， 而且该类颜料具有优异的户外耐光耐候性， 适合用于建筑外表面的涂装，能够制备出优质的热反射功能涂料。
目前在中国，供应复合无机颜料的除了国外公司，如美国福禄(Ferro)公司、美国薛特颜料(Shepherd)公司、德国巴斯夫(BASF)公司等外，也有不少国内企业拥有此类产品，如湖南巨发颜料、广东华山、湖南科勒颜料、南京培蒙特等公司。复合无机颜料相比其他无机颜料价格较高，这是阻碍其大范围推广应用的主要原因，在选择该类颜料时应对颜料的添加方式及实际效果进行仔细考察。
孙顺杰等研究了彩色热反射涂料制备中原材料对性能的影响， 主要是冷颜料和其他填料及树脂的影响。研究发现，添加冷颜料的彩色热反射涂料与普通外墙涂料相比，具有更好的热反射性能，如普通深灰外墙涂料的太阳光反射比为0.092，而相同颜色的热反射涂料太阳光反射比为0.297， 两者1 h、1.5 h 隔热温差达到8.5 ℃和8.7 ℃。同时研究发现基材和涂膜厚度对热反射率也有一定影响。
曹延鑫等人对不同色系的复合无机颜料对彩色反射隔热涂料隔热性能的影响进行了考察，并与同色系普通隔热涂料进行了对比，发现灰色和棕色系深色反射隔热涂料的隔热效果提升显著，而黄色热反射颜料与普通颜料作用相同。
实际应用中，彩色外墙涂料的颜色往往需要两种以上的颜料色浆进行复配调色， 对于彩色热反射涂料的调色则应该小心对待， 因为不同的冷颜料会在不同的区域吸收， 当两种反射区域不同的颜料混在一起时可能会造成反射区域互相加和，起到了反作用，得到比单独使用两种颜料时更低的反射率。刘成楼等人采用不同颜色的颜料复配，调制深色热反射隔热涂料，考察了不同颜料复配对涂料反射率的影响。另外，复合无机颜料要求在700～1 100 nm 的近红外区域能最大限度地反射太阳光能量， 颜料粒径应该在0.35～0.55 μm 范围内，因此颜料在使用过程中应避免过分研磨，过度的研磨将打碎粒子，影响颜料的颜色和红外反射率。
2 空心微珠
空心微珠是近年来出现的一种新型隔热填料，具有中空轻质的特点，外观多为球形。和其他形状的填料相比，空心微珠的表面积体积比最小，吸油量低，可降低树脂的用量。更重要的是空心微珠具有相互独立的中空微观结构，折光指数高，能有效阻隔热量传递，具有较高的隔热性能，是制备反射隔热涂料的常见填料，通常有玻璃空心微珠和陶瓷空心微珠两种材质。已经有不少试验证明， 采用空心微珠可以制得效果良好的热反射涂料。
李冰等分别采用玻璃空心微珠以及陶瓷空心微珠作为隔热功能性填料制得了反射率和半球发射率均达0.89 以上的水性薄型热反射保温涂料。柏林股份有限公司的吕琪萍通过试验发现当功能填料陶瓷空心微珠在涂料中的加量从2%提高到15%时， 涂料的太阳热反射率可以由25%提高到52%。使用此类填料应该注意材料的粒径、壁厚以及表面处理方式，如空心微珠的粒径大，则涂层隔热效果好，但耐沾污能力差，反之粒径小，则涂层隔热效果差，耐沾污能力好，可以考虑将不同粒径的空心微珠复配使用。
随着研究的深入渐渐发现，空心微珠存在以下无法回避的问题：(1)空心微珠的粒径一般较大，在那些对涂料细度要求严格的装饰性涂料中则限制了其使用，此外空心微珠的薄壁多孔结构易在高剪切作用下破碎而丧失隔热效果；(2)以空心微珠为主要功能填料的热反射涂料，其隔热效果除了与热反射、红外反射率有关之外，还与热导系数直接相关，一般需要厚涂，使用成本高，表面平整度差，抗污能力差，导致了在使用过程中发射率和反射率的下降， 进而影响隔热性能；(4)空心微珠由于质轻，在涂料贮存过程中容易出现向上漂浮聚集现象以及施工流平性差的问题。有不少研究人员对空心微珠进行改性处理以获得性能更佳的反射隔热涂料，并取得了较为理想的结果。
朱明等采用化学沉积法使TiO2 以纳米粒子的形式包覆于空心玻璃微珠表面，成功制备了TiO2 纳米晶/空心玻璃微珠复合填料。经光谱分析表明该复合粉体对可见光和近红外波段的太阳光辐射具有很高的反射率(>95％)。作为填料制备的热反射隔热涂料平均光反射率＞85％，该性能指标优于空心玻璃微珠及国外同类产品。
曾国勋等采用水浆混合烧结法将空心玻璃微珠与SnO2、Sb2O3 微纳粉水浆混合并在530 ℃烧结， 制备出了核壳型结构的氧化锡锑（ATO）/空心玻璃微珠复合材料，由此制备的有机硅涂层在800～2 100 nm 近红外波段的反射率是4l%～50％； 在5～12 μm 红外波段，涂层的吸收率超过90％， 预示该复合材料有较高的红外辐射率，可作为一种彩色冷颜料。
3 纳米功能材料
近年来大量的纳米材料被用于隔热保温涂料的开发，与传统的隔热填料相比，纳米材料加入涂料中除可对涂膜性能进行改善外，还可赋予涂膜特殊的性能[20]。其中最早应用于纳米隔热涂料中的金属氧化物是纳米氧化铟锡（ITO）和氧化锡锑（ATO）。ITO 与ATO 薄膜的可见光透过率达到80%～90%， 红外反射率为75%～80%。
余丽蓉等添加纳米氧化钇、纳米氧化锡到水性涂料中，与改性空心玻璃微珠、远红外陶瓷粉配合制备了环保型弹性反辐射隔热涂料， 具有良好的隔热效果和施工性。
陈中华等应用纳米ATO 浆料和纳米Ti02 粉体与高反射、高辐射性能的颜填料配合，制备了一种水性纳米复合隔热涂料， 确定涂层全波段太阳热反射比为86％，辐射率为0.86。
孙仕梅等通过加入纳米氧化硅浓缩浆制备了一种纳米水性太阳能热反射涂料， 并考察了颜填料对涂料热反射率的影响。
纳米粉体的比表面积大，表面能高，颗粒间容易通过界面相互作用而产生团聚， 因此纳米粒子在涂料中的分散难题一直阻碍其在涂料中的应用。研究人员尝试改性纳米粒子来解决这个问题， 其中改性方法主要分为有机改性和无机改性两种。有机改性是将纳米粒子与有机树脂进行原位聚合、共混，通过化学键连接实现这两种材料纳米级别的复合。如王有轩等通过原位聚合法和共混法分别制备了掺锑二氧化锡(ATO)/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、硼酸钐(SmB03)/PET、ATO/氟碳树脂、氮化钛(TIN)/氟碳树脂复合涂料，可以很好地解决了纳米材料在树脂中的分散问题， 并对其光学性质进行了表征和研究。
无机改性方面，有研究尝试以无机填料做载体复合纳米粒子。如蔡伟炜将纳米二氧化钛与无机纤维素复合、纳米氧化锌与云母粉进行复合用作热反射涂料的填料，既解决了纳米材料的分散难题，同时又保持了无机填料的热稳定性和耐高温性， 可以作为新型的热反射功能材料。
4 红外辐射粉体
阻隔型保温涂料只能减慢但不能阻挡热能的传递，在热反射涂料中加入适量的红外辐射功能粉体，使得涂层中未被反射而吸收留下来的热能很快能以红外线的方式辐射出去[26]，释放在空气中，从而降低涂层表面温度，达到散热节能的目的。
涂层的热辐射能力采用半球发射率进行考察。半球发射率的定义是热辐射体在半球方向上的辐射出射度与处于相同温度的全辐射体(黑体)的辐射出射度之比值。如何提高涂层的半球发射率也是热反射涂料研究人员关注的重点。经研究发现，物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况，说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。一般认为非金属材料比金属材料有较高的发射率， 粗糙表面比光滑表面有较高的发射率。
具有远红外发射性能的陶瓷粉是有效的高发射率填料，一般称为远红外陶瓷粉，是一种将所吸收的太阳能以长波的形式发射到大气空间去的材料。以SiO2、Al2O3 为基料，以Fe2O3、CuO、MnO 为添加剂，经高温烧结、粉碎后研磨成的陶瓷粉，可大大提高对太阳热的反射率和发射率。李建涛，蔡会武[30]采用过渡区金属氧化物掺杂、高温固相烧结法制备红外辐射功能粉体，以此为功能填料制得在“大气窗口”波段内发射率大于78%的外墙节能涂料。
5 气凝胶
SiO2 气凝胶是一种纳米多孔网状结构材料， 是由二氧化硅单元簇拥在一起组成的低密度多孔材料，其孔隙率高达95％，孔径分布在2～50 nm，能有效地限制气体分子的运动并增加固相传热通路， 使热传导的固态传导和气态传导分量极低，是目前导热系数最低、隔热性能最好的材料之一, 适合用于热反射外墙涂料或在热反射涂层体系中起隔热节能效果。
许多研究者正在努力将气凝胶新型材料应用于隔热涂料的制备，许辉等以SiO2 气凝胶为功能填料，丙烯酸树脂为成膜剂，制备透明隔热涂料，性能测试结果表明涂料具有良好的化学稳定性和隔热性能。王慧制备了SiO2 气凝胶/苯丙原位复合乳液，并对不同SiO2气凝胶含量的隔热涂料的隔热效果进行了检测， 结果表明，SiO2 气凝胶含量为4%时隔热效果最好， 实际隔热效果模拟实验显示， 样品与空白玻璃的底板温差达10 ℃以上，具有良好的隔热效果。
气凝胶作为一种刚刚进入大众市场的新型材料，凭借优异的保温性能正引起越来越多研究人员的重视。由于其独特的纳米结构和物理性能，气凝胶在外墙保温涂料中的添加方式以及添加量、注意事项、实际效果等问题还需要深入研究， 将成为以后研究的重要努力方向。
6 结语
未来随着全球变暖、环境恶化以及社会环保意识的提高， 政府与民众对建筑节能的目标要求定会日益提高， 选择水性热反射外墙涂料来涂装保护建筑物使之节能舒适将成为必然趋势。本文介绍的功能性颜填料有些已经工业化生产形成了稳定产品， 有些还停留在实验室摸索试制阶段，市场上找不到成熟产品，给热反射涂料的性能提高带来了困难。但随着研究的深入，性能更优异的热反射功能颜填料定会逐渐涌入市场，进一步提高热反射涂料的性能， 预期建筑热反射隔热涂料将会有广阔的发展前景。
