保溫隔熱涂料的應(yīng)用與研究進(jìn)展概述

海晨晨 劉新狀 劉曉通

當(dāng)前，世界能源緊缺的問題日益嚴(yán)峻，各行各業(yè)對(duì)節(jié)能減排的要求也越來越迫切。保溫隔熱涂料作為一種新型功能性涂料，具有隔熱節(jié)能、施工便利、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在高溫管道、容器、設(shè)備以及建筑物等表面涂刷，干燥固化后會(huì)形成具有一定強(qiáng)度和韌性的涂層，可起到保溫隔熱的效果，目前已被廣泛應(yīng)用于房屋建筑、汽車、石油化工、軍事裝備以及高溫設(shè)備等行業(yè)與產(chǎn)品中。由于保溫隔熱涂料的使用無需對(duì)房屋內(nèi)原有的墻體及水管、電線線管等進(jìn)行改建，僅需按普通建筑涂料的施工工藝進(jìn)行施工即可，因此其在既有房屋的節(jié)能改造中有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)如今保溫隔熱涂料正朝著多功能、高性能的方向發(fā)展，而納米材料等高新技術(shù)也已經(jīng)被應(yīng)用到新型涂料的研發(fā)中。

1保溫隔熱涂料的分類及工作機(jī)理

目前常見的保溫隔熱涂料根據(jù)工作機(jī)理的不同，可分為阻隔型、反射性、輻射型、混合型等4種類型。

1.1阻隔型保溫隔熱涂料

阻隔型保溫隔熱涂料是一種具有低熱導(dǎo)率和高阻抗的被動(dòng)式涂料，通常采用具有低熱導(dǎo)率的材料（如氣凝膠、空心玻璃微珠、硅藻土粉等）作為隔熱骨料或在涂膜中引入空氣（熱導(dǎo)率極低），以密度小、孔隙率高的無機(jī)礦物為功能性填料，然后選取耐候性好、成膜性好的基料加工制成。其隔熱性能的好壞主要取決于涂料中各組分導(dǎo)熱系數(shù)的大小，保溫隔熱效果通常與涂料涂層的厚度成正比。阻隔型保溫隔熱涂料的隔熱性能比較突出，更適用于夏季高溫地區(qū)。

氣凝膠涂料就是一種常見的阻隔型保溫隔熱涂料。涂料中氣凝膠的納米孔以及三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞了基質(zhì)的熱量傳導(dǎo)路徑，使其具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)。同時(shí)納米孔結(jié)構(gòu)限制了空氣分子的自由流動(dòng)，抑制了空氣的對(duì)流傳導(dǎo)，無限多的孔壁形成了熱輻射的反射面和折射面，最大限度的抑制了輻射導(dǎo)熱。因此氣凝膠涂料能有效降低熱量的傳輸，起到改善環(huán)境、降低能耗的作用。筆者團(tuán)隊(duì)將氣凝膠阻隔型保溫隔熱涂料與普通涂料進(jìn)行了保溫隔熱效果的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用細(xì)木工板成型了2個(gè)相同的1m³容積的箱體（如圖1所示）。將顏色和厚度相同的2種涂料分別涂敷在箱體內(nèi)部表面，干燥24h后，用紅外線成像儀觀測(cè)2個(gè)房間的紅外成像照片。通過對(duì)比可以看出涂布普通涂料的箱體內(nèi)部溫度高于涂布保溫隔熱涂料的箱體內(nèi)部溫度。保溫隔熱涂料在箱體內(nèi)表面的隔熱效果明顯。

1.2反射型保溫隔熱涂料

反射型保溫隔熱涂料具有反射光和熱的性能。穿透大氣層到達(dá)地面的太陽(yáng)光的能量，有95%集中在波長(zhǎng)為0.4～0.72um的可見光區(qū)以及波長(zhǎng)為O.72～2.5um的紅外光區(qū)，因此，反射型保溫隔熱涂料主要將這部分太陽(yáng)熱輻射反射回大氣中，使其不被涂層、設(shè)備或建筑物所吸收，從而使被涂覆的設(shè)備或建筑物表面及內(nèi)部的溫度不致升高。該種涂料對(duì)可見光和紅外光的反射率越高，隔熱效果就越顯著。因其主要功能為“隔熱”而非“保溫”，故主要應(yīng)用于夏季炎熱高溫期較長(zhǎng)的地區(qū)，而很少用于冬季寒冷的地區(qū)。

制備反射型保溫隔熱涂料時(shí)，一般是在涂料中加入具有高反射率、高空隙率、低導(dǎo)熱系數(shù)的隔熱顏填料，在內(nèi)部構(gòu)建封閉的孔隙結(jié)構(gòu)，促使進(jìn)入涂層內(nèi)部的熱量發(fā)生二次反射和散射。金屬氧化物是最為常用的反射顏填料，如鈦白粉（即二氧化鈦，折光指數(shù)2.80）、氧化鋅（折光指數(shù)2.20）等。此外，空心玻璃微球和陶瓷微球也常被作為功能性填料使用。在反射型保溫隔熱涂料中，顏填料的粒徑大小、尺寸分布、顆粒形狀及用量等方面都會(huì)對(duì)反射率造成較大的影響。

1.3輻射型保溫隔熱涂料

輻射型保溫隔熱涂料的工作機(jī)理，是利用涂料中采用的具有高熱發(fā)射率物質(zhì)組份的物理特性，將吸收的熱量以電磁波的形式輻射到外部空間，從而起到減少材料表面得熱的效果。具體來說，是由于物質(zhì)的分子吸收了光子的能量，使得晶格、鍵團(tuán)不斷地振動(dòng)產(chǎn)生碰撞，從而使分子能態(tài)級(jí)產(chǎn)生從高到低的熱發(fā)射，將吸收的部分能量以紅外輻射的方式發(fā)散到外部空間。輻射型涂料能夠?qū)⒁呀?jīng)吸收的熱量以電磁波的形式發(fā)射出去，因此是一種主動(dòng)降溫隔熱涂料，其隔熱功效也要高于反射型涂料，但因其成本較高，目前在建筑物上應(yīng)用并不多。輻射型保溫隔熱涂料通常采用具有高熱發(fā)射率的金屬氧化物等作為功能填料，如二氧化錳（Mn02）、氧化鐵（Fe203）、氧化銅（CuO）的尖晶石型物質(zhì)。

1.4復(fù)合型保溫隔熱涂料

復(fù)合型保溫隔熱涂料可同時(shí)具備阻隔、反射和輻射的功能，通常是將以上幾種涂料的功能成分結(jié)合使用，發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢(shì)，從而增強(qiáng)涂料的保溫隔熱性能。

潘啟昭等以丙烯酸樹脂為成膜物質(zhì)，加入金紅石型鈦白粉作為顏填料、空心玻璃微珠和納米氧化鋯作為功能填料，輔以其他助劑，制備了納米復(fù)合型外墻隔熱涂料，兼具了阻隔型、反射型和輻射型的功能。實(shí)驗(yàn)表明，空心玻璃微珠和納米氧化鋯有協(xié)同作用，與只添加空心玻璃微珠的涂料相比，同時(shí)添加空心玻璃微珠和納米氧化鋯的涂料最大溫差為3℃。當(dāng)納米氧化鋯含量為5%時(shí)，涂料的保溫隔熱性能最好，導(dǎo)熱率為0.072W/（m·K）。

2保溫隔熱涂料的研究熱點(diǎn)與展望

目前保溫隔熱涂料的應(yīng)用場(chǎng)景越來越復(fù)雜多元，對(duì)性能的要求也越來越高，因此，多功能、高性能的保溫隔熱涂料成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，也是未來的發(fā)展方向。此外，保溫隔熱涂料的產(chǎn)品及施工質(zhì)量也越來越受到人們的關(guān)注，這也使得檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定成為了重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

2.1多功能高性能保溫隔熱涂料的研發(fā)

多功能、高性能保溫隔熱涂料一般具備耐高溫、低導(dǎo)熱、綠色環(huán)保、裝飾效果多樣化、防水耐久、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

北京志盛威華化工有限公司研發(fā)的zs-1型耐高溫隔熱保溫涂料，1100℃環(huán)境下在物體表面涂覆8mm，便可將物體表面溫度降低到100℃C以內(nèi)。這種涂料能夠承受180℃高溫，可直接涂刷在窯爐及爐膛內(nèi)外壁、管道、設(shè)備、航天器上進(jìn)行保溫隔熱。

納米技術(shù)也正在被越來越多地運(yùn)用到新型保溫隔熱涂料的研發(fā)當(dāng)中?！凹{米孔超級(jí)隔熱材料”是一種建立在低密度和超級(jí)細(xì)孔（小于50nm）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的新型隔熱涂料，其導(dǎo)熱系數(shù)接近于O。二氧化硅（SiO2）氣凝膠及其復(fù)合材料就是此類納米隔熱材料的代表，除了隔熱節(jié)能性能優(yōu)異，還具有防水、環(huán)保、耐久等優(yōu)點(diǎn)。近年來，采用納米SiO2氣凝膠來開發(fā)高效隔熱保溫涂料已成為主流趨勢(shì)之一。

羅蘭等指出，研發(fā)以保溫為主、隔熱為輔的保溫隔熱涂料具有重要意義，紅外高發(fā)射率的輻射型保溫隔熱涂料是建筑涂料的發(fā)展方向。用以制備該種涂料的高發(fā)射率組分功能填料主要分為3類：一是相變材料，可通過相變吸熱和放熱的可逆過程，實(shí)現(xiàn)溫度的恒定;二是金屬氧化物，例如Fe2O3、MnO2、CuO以及氧化鈷（CoO）等，主要輻射波段在2.5～12um范圍內(nèi);三是具有紅外發(fā)射率的堿土金屬硫酸鹽、堿土金屬碳酸鹽，如硫酸鋇（BaSO4）、硫酸鈣（CaSO4）、碳酸鈣（CaCO3）等。在建筑室內(nèi)墻壁涂刷的該種涂料，可以吸收部分由人體發(fā)出的紅外線熱量以及暖氣、空調(diào)等電器發(fā)出的熱量，當(dāng)涂層達(dá)到一定的儲(chǔ)熱量時(shí)，再以紅外發(fā)射波形式輻射熱量到室內(nèi)空氣中，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)保溫，達(dá)到節(jié)能目的，尤其適合冬季寒冷地區(qū)使用。

此外，隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度不斷提高，可降解涂料、環(huán)境友好型涂料必然是將來的主要發(fā)展方向。例如，目前市面上大部分反射型保溫隔熱涂料都是溶劑型，揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）等有害成分含量較高，因此研發(fā)性能優(yōu)異且綠色環(huán)保的水性反射型涂料也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

2.2保溫隔熱涂料的檢測(cè)技術(shù)開發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)制定

保溫隔熱涂料的性能檢測(cè)也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)檢集團(tuán)”）發(fā)明了一種溫差檢測(cè)儀，通過熱輻射原理測(cè)量材料2側(cè)的溫度差，以此為依據(jù)來評(píng)判輻射型涂層的隔熱性能。該儀器采用電熱容器燒水作為熱源，采用實(shí)驗(yàn)裝置及散熱器構(gòu)成均勻的溫度場(chǎng)，并在同一溫度場(chǎng)內(nèi)設(shè)置2個(gè)樣板放置口，在散熱器與2個(gè)樣板放置口之間設(shè)置2組熱傳感器，通過2組熱傳感器分別采集2個(gè)樣板附近的熱輻射溫度，并通過單板機(jī)分別獲取2組熱傳感器的不同信息。經(jīng)單板機(jī)分析比對(duì)，獲得不同涂層的樣板阻隔熱輻射的不同性能指標(biāo)，從而比較出不同涂層的樣板阻隔熱輻射的性能指標(biāo)。該儀器采用比較法檢測(cè)，避免了環(huán)境對(duì)檢測(cè)造成的誤差，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)方便，檢測(cè)準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)。顧皓”。將保溫隔熱涂料涂覆在特制的容器表面來模擬建筑物外墻保溫層，又將100℃的熱水和0℃的冰水分別置入容器中，測(cè)量容器內(nèi)溫度的變化情況，以此對(duì)保溫隔熱涂料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

截至目前，有關(guān)部門已經(jīng)出臺(tái)了《建筑用反射隔熱涂料》（GB/T 25261-2018）、《建筑外表面用熱反射隔熱涂料》（JC/T 10402007）、《金屬表面用熱反射隔熱涂料》（HG/T 4341-2012）、《建筑反射隔熱涂料》（JG/T 2352014）、《建筑用反射隔熱涂料節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 287-4014）等一系列國(guó)家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)保溫隔熱涂料的生產(chǎn)、使用、質(zhì)量檢驗(yàn)等方面進(jìn)行了規(guī)范。國(guó)檢集團(tuán)負(fù)責(zé)起草的中國(guó)電子學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《保溫隔熱涂料隔熱溫差檢測(cè)方法》已經(jīng)完成編制，正在征求意見階段。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了保溫隔熱涂料隔熱溫差的試驗(yàn)條件與儀器技術(shù)要求、受檢涂層和參比涂層的制作方法和試驗(yàn)方法等，適用于建筑用保溫隔熱涂料隔熱溫差檢測(cè)，填補(bǔ)了該領(lǐng)域方法標(biāo)準(zhǔn)的空缺。

由于各類保溫隔熱涂料具有不同的工作機(jī)理，對(duì)其保溫隔熱效果的檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，既需要針對(duì)不同材料的特性和機(jī)理，又應(yīng)具有較為一致的保溫節(jié)能效果的評(píng)價(jià)方法。特別是面對(duì)層出不窮的新材料和新技術(shù)，檢測(cè)方法的適應(yīng)性和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一致性需要不斷完善和進(jìn)步。

3結(jié)語

隨著新型材料和高新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，保溫隔熱涂料正朝著多功能、高性能的方向不斷發(fā)展。與此同時(shí)，保溫隔熱涂料的標(biāo)準(zhǔn)體系逐步完善化、檢測(cè)技術(shù)日趨先進(jìn)化，產(chǎn)品質(zhì)量也因此得到充分保障。相信在不遠(yuǎn)的將來，保溫隔熱涂料的應(yīng)用范圍會(huì)更加廣泛，必將給整個(gè)節(jié)能產(chǎn)業(yè)的格局帶來巨大的改變。