建筑環(huán)保節(jié)能涂料及玻璃透明隔熱涂料的研制

黃俊濤（蘭州交通大學(xué)鐵道技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

1 緒 論

隨著科學(xué)技術(shù)與社會生產(chǎn)的快速發(fā)展，能源和環(huán)境成為全社會日益矚目的兩大問題，從而為節(jié)能和環(huán)保提出更高的要求。世界能源需求量以每年2%增長，而這些能源大約有30%能耗在建筑物上。高性能的環(huán)保型建筑節(jié)能材料將成為解決建筑保溫節(jié)能的突破口，建筑節(jié)能材料中建筑節(jié)能保溫涂料因經(jīng)濟、使用方便、環(huán)保和節(jié)能效果好等優(yōu)點而越來越受到人們的青睞，發(fā)展前景光明，將有望促進涂料市場和節(jié)能保溫材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。建筑節(jié)能保溫涂料技術(shù)的發(fā)展由以前的單一的、局部的、側(cè)重某一方面的保溫向一體化方向發(fā)展。基于這個發(fā)展趨勢，同時對墻體、屋頂和門窗玻璃進行節(jié)能保溫涂料的研究，力求使建筑節(jié)能保溫效果達到最佳。

為適應(yīng)建筑熱環(huán)境改善的需要，我國的建筑能耗必將呈激增趨勢。如果高能耗建筑繼續(xù)大量興建，建筑能耗急劇增加，那么不但會給我國能源供應(yīng)帶來巨大壓力，而且會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，從而制約我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，這與我國實施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是背道而馳的。在建筑節(jié)能已成為世界性的大潮流的今天，在我國積極推進建筑節(jié)能，降低建筑能耗，有助于合理利用能源、改善生態(tài)環(huán)境和生存環(huán)境，具有異常重要的經(jīng)濟意義和社會意義。

2 建筑隔熱涂料的分類和原理

建筑隔熱涂料根據(jù)隔熱機理和隔熱方式的不同被分為阻隔型隔熱涂料、反射型隔熱涂料和輻射型隔熱涂料三類。這三類涂料的隔熱機理不同，應(yīng)用場合和所得到的效果也各不相同。一種隔熱效果良好的涂料往往是兩種或多種隔熱機理同時起作用的結(jié)果。因而，研制出多種隔熱機理綜合起作用的復(fù)合型隔熱涂料將代表未來隔熱涂料的發(fā)展趨勢。

2.1 阻隔型隔熱涂料

隔熱機理：阻隔型隔熱涂料是通過對熱傳遞的顯著阻抗性實現(xiàn)隔熱的涂料。熱傳遞是通過對流、輻射及分子振動熱傳導(dǎo)三種途徑來實現(xiàn)的。材料導(dǎo)熱系數(shù)的大小是材料隔熱性能的決定因素，導(dǎo)熱系數(shù)越小，隔熱性能就越好。這種類型的涂料通常以表現(xiàn)密度小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、氣孔率高以及含水率小的材料作為輕骨料。依靠粘結(jié)劑的作用使其結(jié)合在一起，直接涂抹于設(shè)備或者墻體的表面達到隔熱的效果。

優(yōu)缺點：阻隔型隔熱涂料原材料很容易得到，生產(chǎn)設(shè)備簡單，投入少產(chǎn)出大；施工方便。其缺點是對降低對流和輻射傳熱效果差且保溫層較厚，吸水率高，不抗振動，使用壽命短，而且為了形成一個穩(wěn)定的保溫體系，還需要另外設(shè)防水層以及外護層。

2.2 反射型隔熱涂料

隔熱機理：通常，太陽的輻射光譜分為三個光譜區(qū)：紫外區(qū)0.2~0.4μm，占太陽能量的5%；可見光區(qū)0.4~0.72μm，占太陽能量的45%；近紅外區(qū)0.72~2.5μm，占太陽能量的50%。由此可以看出，太陽能量主要集中在波長在0.4~1.8μm的可見光和紅外光區(qū)。因此，需要研制的反射型隔熱性隔熱涂料在此波長范圍內(nèi)對太陽輻射的反射率越高，涂層的隔熱效果就會越好。反射型隔熱涂料就是通過選擇合適的樹脂、金屬或金屬氧化物顏料、填料及生產(chǎn)工藝，制得高反射率的涂層來反射太陽熱，從而達到隔熱降溫的目的。

優(yōu)缺點：反射型隔熱涂料與各種基材附著力好，與底漆中間漆具有良好的親容性，耐候性強，一般使用的溶劑無刺激性氣味，大大減少了施工對環(huán)境的影響，且隔熱效果較阻隔型隔熱涂料明顯。其現(xiàn)實存在的問題是大多反射型隔熱涂料是溶劑體系，而當(dāng)前建筑涂料中廣泛使用的是水性涂料，因此，如何制得具有廣泛應(yīng)用前景的水性反射型隔熱涂料是廣大涂料工作者新的研究課題。

2.3 輻射型隔熱涂料

隔熱機理：通過輻射的形勢把建筑物吸收的日照光線和熱量以一定的波長發(fā)射到空氣中，從而達到良好的隔熱降溫效果，這種涂料稱為輻射隔熱涂料。

由于涂料表層下面大多數(shù)為不透明的水泥層、鋼鐵層等不透明物質(zhì)，因此，可以近似認(rèn)為其透過率r=0，由此，上式又可簡化為：ρ(λ)+α(λ)＝1，其中ρ(λ)和α(λ)均隨波長變化而變化。輻射型涂料的主要特性是希望其在可見光和近紅外光范圍內(nèi)反射率盡可能地高；而在8～13.5μm波段內(nèi)，其發(fā)射率(等同于吸收率)即ε(λ)=α(λ)也盡可能高。

太陽的輻射能中0.3～2.5μm處的能量占絕大部分，把這部分能量反射回大氣是該涂料的一個主要功能。然而在8～13.5μm波段范圍內(nèi)，太陽輻射能和大氣輻射能遠低于地面向外層空間的輻射能，因此在此波段內(nèi)，如果涂料的吸收率即發(fā)射率盡可能高，這樣就能盡可能多地把涂層和下層的水泥層中吸收到的太陽能中的紫外光能和可見光及近紅外光能轉(zhuǎn)為熱能，以紅外輻射的方式在此波段內(nèi)穿過大氣紅外窗口，高效地發(fā)射到大氣外層的絕對零度區(qū)，從而達到隔熱的目的。

輻射型隔熱涂料的優(yōu)缺點：輻射型隔熱涂料不同于阻隔型隔熱涂料和反射型隔熱涂料，因為后兩者只能減緩但不能阻擋熱量的傳遞。當(dāng)熱量緩慢地通過隔熱層和反射層后，內(nèi)部空間的溫度緩慢地升高，此時，即使涂層外部溫度降低，熱能也只能困陷其中。而輻射型隔熱涂料卻能夠以熱發(fā)射的形式將吸收的熱量輻射掉，從而促使室內(nèi)與室外以同樣的速率降溫。但是輻射型隔熱涂料原材料的選取和燒結(jié)工藝比較復(fù)雜，要想達到穩(wěn)定的發(fā)射率還需進一步地深入研究。

2.4 復(fù)合型隔熱涂料

上述3種隔熱涂料各有其優(yōu)缺點，因此可以考慮將它們綜合起來，充分發(fā)揮各自的特點，揚長避短，研制出多種隔熱機理綜合起作用的復(fù)合型隔熱涂料。綜合利用上述三種原理制成了具有高輻射率的薄層隔熱保溫涂料。該涂料以液態(tài)涂料方式存在，干燥后的涂層熱阻較大，特別是熱反射率高，可有效地降低輻射傳熱、施工方便、涂層薄、無接縫、附著力好，并且集防水隔熱保護于一體。由此可見，高效隔熱、涂膜機械及化學(xué)性能優(yōu)良的復(fù)合型隔熱涂料代表了未來建筑隔熱涂料的發(fā)展趨勢。

3 玻璃用透明隔熱涂料的研制

3.1 ATO粉體玻璃透明隔熱涂料簡介

銻摻雜二氧化錫納米粉末具有優(yōu)良的電學(xué)性能和光學(xué)性能，作為透明導(dǎo)電氧化物被廣泛用于制作場致發(fā)光器件、太陽能電池、電極材料、智能窗和建筑用低輻射率玻璃等。目前，合成ATO納米粉末的原料主要采用的是錫和銻的氯化物體系，合成方法主要有固相合成法、化學(xué)共沉淀法、水熱法以及凝膠溶膠法。固相法合成溫度高，粉體摻雜不均勻，粒度大并且容易引入雜質(zhì)；研究得最多的制備方法是化學(xué)共沉淀法，即以SnCl4/SnCl2和SbCl5/SbCl3為原料，用NaOH或者氨水作為沉淀劑，采用均相或者非均相化學(xué)共沉積法制備前驅(qū)體，經(jīng)過高溫煅燒得到ATO粉體。溶膠凝膠法由于要采用金屬的有機醇鹽為原料。而水熱法制備納米粉體具有高純、超細(xì)、流動性好、顆粒粒度分布窄、顆粒團聚輕、晶體發(fā)育完整，工藝相對簡單以及燒結(jié)活性好，水熱后直接得到產(chǎn)品，不再需要后期的高溫?zé)崽幚恚瑥亩苊饬烁邷仂褵^程產(chǎn)生硬團聚、晶粒長大以及混入雜質(zhì)的可能等等優(yōu)點。

目前制作透明隔熱玻璃最常用的方法是在玻璃表面鍍膜或貼膜，但由于生產(chǎn)成本較高，難以廣泛應(yīng)用。在制作隔熱膜時一般采用高純氧化錫銻(ATO)納米復(fù)合粉末制成ATO靶材，然后在基體上成膜。ATO粉體具有優(yōu)良的光電性能，在紅外區(qū)的反射率達80%。采用ATO粉體制成透明隔熱涂料，用于玻璃等基材，將有良好的市場前景和推廣價值。本課題通過制備改性ATO粉體，意欲解決ATO粉體在樹酯中的分散問題，針對水性體系中涂料與玻璃表面的粘結(jié)問題、表干實干時間較長、不易大規(guī)模生產(chǎn)等問題，結(jié)合光固化涂料的優(yōu)勢，開發(fā)了光固化透明隔熱涂料。

3.2 改性ATO粉體涂料的制備

將一定濃度的分散劑的水溶液采用共滴加的辦法在攪拌同時加入一定濃度的混合均勻的SnCl4.5H2O和SbCl3的水溶液和氨水?？刂品磻?yīng)液的pH為2~3，滴加完后保持pH在3，繼續(xù)攪拌反應(yīng)1 h，得到一白色膠體溶液。將此白色膠體溶液進行抽濾，然后用去離子水洗滌。重復(fù)多次，直至徹底除盡所含有的Cl-，最后用無水乙醇進行洗滌脫水，最后得到淡黃色沉淀。

SnCl4.5H2O和SbCl3的水解反應(yīng)總反應(yīng)式如下：

用均質(zhì)攪拌分散機按配方將ATO分散于活性稀釋劑及適量甲苯的混合溶液中，在轉(zhuǎn)速為500r/min條件下分散30min后，與樹脂混合并加入各種助劑，繼續(xù)攪拌20min直至粒子在體系中均勻分散，即制得涂料。使用涂膜制備器(30μm)進行涂膜，然后在UV光下固化。

3.3 透明隔熱涂膜的性質(zhì)以及生產(chǎn)中的要點

（1）XRD譜圖可知煅燒溫度會對粉體的粒徑產(chǎn)生影響，粒徑及比表面積的大小對粉體的隔熱性能有直接影響，可以通過控制煅燒溫度來控制粒徑進而達到較好的效果。

（2）用大分子做粉體制備時的分散劑得到的粉體性能較好，這是因為大分子分散劑能夠較好的防止粉體在制備過程中的團聚。

（3）煅燒溫度對粉體的粒徑有很大的影響，隨煅燒溫度的升高粉體的粒徑也隨之增大。本文發(fā)現(xiàn)600℃煅燒時得到的粉體制成的涂料隔熱性能最好，相比其他溫度得到的粉體粒徑較為適中。溫度較高（800℃）和較低（400℃）時得到的涂料的性能相對較差。

（4）隨改性ATO含量的增加涂層的隔熱性能增加，但綜合性能和價格因素，宜控制在3%～4%左右。

（5）隨涂膜的厚度的增加涂層的隔熱性能增加，但由于試驗條件限制涂膜均勻性及厚度測量方面還存在一些問題，所以本實驗沒能得到定量關(guān)系式。

（6）涂料具有良好的綜合力學(xué)性能。

4 結(jié)論與展望

針對現(xiàn)今建筑隔熱涂料應(yīng)用等過程中出現(xiàn)的問題，以及建筑節(jié)能的嚴(yán)格要求，本課題介紹了建筑節(jié)能環(huán)保涂料，研究了用于玻璃的透明隔熱涂料，實現(xiàn)建筑節(jié)能向一體化方向發(fā)展。

雖然我國使用的建筑涂料目前還以中低檔為主且小型涂料廠產(chǎn)品的比例更大，但是我們應(yīng)該相信，由于建筑涂料固有的優(yōu)勢，建筑涂料的研究者、生產(chǎn)者和使用者的不斷努力以及科學(xué)技術(shù)的進步的必然趨勢，建筑涂料行業(yè)將會越來越充滿生機與活力，對國民經(jīng)濟的發(fā)展和美化人民生活環(huán)境的貢獻也將越大。

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