建筑反射隔熱涂料用原材料的研究進(jìn)展

徐 峰 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽合肥 230001）

0 引言

自從2006年國家強(qiáng)制實(shí)施建筑節(jié)能政策以來，建筑反射隔熱涂料作為一種節(jié)能材料得到大量應(yīng)用。大量的工程應(yīng)用帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，并因此促進(jìn)了其生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。就涂料的生產(chǎn)技術(shù)來說，應(yīng)當(dāng)包括原材料、配方、生產(chǎn)程序和質(zhì)量控制等許多方面。但是，從本質(zhì)上說，建筑反射隔熱涂料是一種再加工產(chǎn)品，其生產(chǎn)技術(shù)的研究與進(jìn)展主要體現(xiàn)在原材料和配方方面。因此，本研究主要討論的是其生產(chǎn)用原材料的研究進(jìn)展及其發(fā)展。

建筑反射隔熱涂料作為一種功能性涂料，也是由成膜物質(zhì)、顏料（填料）、助劑和分散介質(zhì)組成的。目前應(yīng)用于外墻和屋面的建筑反射隔熱涂料主要是水性類涂料，其分散介質(zhì)為水；因而其所用助劑通常為一般水性涂料用助劑，其應(yīng)用雖然會對反射隔熱涂料的性能產(chǎn)生重要影響，但主要是品種選用和合理搭配、協(xié)調(diào)使用等問題，且同一類產(chǎn)品的不同商品其使用可能會有很大差別，更多的是實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)驗(yàn)的積累。因而，建筑反射隔熱涂料生產(chǎn)用原材料的發(fā)展主要集中在成膜物質(zhì)、顏料和功能性填料等方面。

1 成膜物質(zhì)

在建筑反射隔熱涂料發(fā)展應(yīng)用的起步階段，其使用的成膜物質(zhì)主要是生產(chǎn)普通外墻乳膠漆用的聚丙烯酸酯乳液和苯丙乳液（包括普通乳液和彈性乳液）。但隨著時間的推移，這種情況發(fā)生了明顯變化，使用其他類膠結(jié)材料作為成膜物質(zhì)的研究和應(yīng)用逐漸增多。

1.1 使用改性聚丙烯酸酯乳液（或稱丙烯酸酯共聚 乳液）的研究

使用改性聚丙烯酸酯乳液生產(chǎn)建筑反射隔熱涂料基于以下幾個條件：一是就對涂膜的反射隔熱性能來說，不同種類樹脂作為涂料成膜物質(zhì)對反射隔熱性能的影響很小［1］；二是建筑反射隔熱涂料在外墻外表面應(yīng)用時受到的一大詬病是其耐久性和耐沾污性能不良；三是我國以前在使用改性聚丙烯酸酯乳液生產(chǎn)普通外墻涂料方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。使用改性聚丙烯酸酯乳液生產(chǎn)建筑反射隔熱涂料則能夠不同程度地克服上述問題。

使用改性聚丙烯酸酯乳液生產(chǎn)建筑反射隔熱涂料的研究包括使用有機(jī)硅-丙烯酸酯共聚乳液研制水性多彩反射隔熱涂料［2-3］，使用氟碳-丙烯酸酯共聚乳液研制高耐久、高耐沾污性和具有自清潔性的高性能建筑反射隔熱涂料［4-5］等。由于紫外線發(fā)射出的能量為314~419 kJ/mol，而F—C鍵具有485 kJ/mol的高鍵能，使其具有較強(qiáng)的抵御紫外線破壞的能力，因而氟碳-丙烯酸酯共聚乳液一般被認(rèn)為是具有高耐沾污性、高耐久性的高性能乳液。在實(shí)際研究中，使用氟碳乳液制備的熱反射隔熱涂料在耐污試驗(yàn)后表現(xiàn)出了比丙烯酸涂料更優(yōu)異的熱反射性能［6］。

1.2 使用環(huán)氧改性聚丙烯酸酯乳液研制反射隔熱涂料

聚丙烯酸酯乳液（樹脂）的抗回粘性差、耐熱性不良，其在高溫下的耐沾污性更差。當(dāng)建筑反射隔熱涂膜受到嚴(yán)重沾污后，其反射隔熱性幾乎會損失殆盡。利用環(huán)氧樹脂良好的硬度和耐熱性優(yōu)勢對聚丙烯酸酯乳液進(jìn)行物理共混改性，能夠制得性能更為優(yōu)異的復(fù)合乳液。以此乳液為基料的反射隔熱涂料性能顯著提高［7］。但是，環(huán)氧樹脂的耐紫外光照射性差，因而應(yīng)注意控制兩種樹脂的共混比例。

1.3 使用地質(zhì)聚合物研制反射隔熱涂料

地質(zhì)聚合物也被稱為地聚物，它是通過水玻璃堿性激發(fā)偏高嶺土制備而成的，它是一種硅氧、鋁氧四面體之間通過橋氧在三維空間聚合而成的無機(jī)聚合物。以地聚物為基料、以空心玻璃微珠為功能性填料制備的反射隔熱涂料屬于無機(jī)類涂料，具有強(qiáng)度高，耐久性好，耐沾污和反射效率高等特點(diǎn)，且隔熱效果顯著。例如，某研究以地聚物制備反射隔熱涂料，其反射率達(dá)到90 %以上，隔熱溫差可達(dá)到24 ℃［8］。

1.4 使用無機(jī)-有機(jī)聚合物復(fù)合基料研制反射隔熱涂料

地聚物雖然具有和有機(jī)高分子聚合物相似的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和結(jié)合性能，但其結(jié)構(gòu)易受環(huán)境影響而產(chǎn)生質(zhì)量劣化。當(dāng)將其和粘結(jié)性能、柔性均較好的苯丙乳液復(fù)合后，可以實(shí)現(xiàn)兩者在性能上的優(yōu)勢互補(bǔ)。

研究表明［9］，以偏高嶺基地聚物和苯丙乳液進(jìn)行復(fù)合制得的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠結(jié)材料作為成膜物制成的反射隔熱涂料，與僅使用苯丙乳液制備的反射隔熱涂料相比，前者除了具有較為理想的耐水、耐堿性，以及較強(qiáng)的耐溫抗變形外，還具有更高的反射率、更好的耐候性和耐久性以及更好的綜合性能。

1.5 采用硅溶膠-合成樹脂乳液復(fù)合成膜物質(zhì)制備 反射隔熱涂料

硅溶膠屬于納米級細(xì)度的SiO2分散體，將其作為無機(jī)組分與合成樹脂乳液復(fù)合制備通常的建筑涂料能夠取得良好效果。這種技術(shù)也同樣適用于反射隔熱涂料的制備。一些研究者進(jìn)行了這方面的研究［10-11］，并發(fā)現(xiàn)［10］涂料中硅溶膠比例的增加有助于提高涂膜的太陽光反射比和污染后的太陽光反射比，最終能夠制備出具有耐沾污、高熱反射和輻射能力的無機(jī)-有機(jī)復(fù)合型反射隔熱涂料。

2 功能性填料和顏料

2.1 功能性填料

賦予不透明型反射隔熱涂料熱性能的是功能性填料，主要有玻璃或陶瓷空心微珠。近年來出現(xiàn)了一些新型功能性填料，例如陶瓷粉、膨脹聚合物微球、反光粉、反射隔熱粉和熱反射粉等。除此之外，就玻璃空心微珠產(chǎn)品本身而言，近年來也出現(xiàn)了新的高性能產(chǎn)品。例如，德國Dennert公司推出的Poravor X?低吸水膨脹玻璃微珠，系由純無機(jī)礦物組成，具有良好的抗化學(xué)腐蝕性、不燃性和抗壓強(qiáng)度，能有效抵抗戶外紫外線照射和酸雨侵蝕。該玻璃微珠內(nèi)部具有蜂窩中空結(jié)構(gòu)，因而具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)、表觀封閉，使吸水率大大降低，將其應(yīng)用于涂料中具有黏度穩(wěn)定性好，幾乎不改變涂料顏色等特點(diǎn)［12］。

2.1.1 陶瓷粉紅外輻射顏料

陶瓷粉紅外輻射顏料主要是為了提高反射隔熱涂膜的半球發(fā)射率，在涂料配方中配合玻璃或陶瓷空心微珠而使用的紅外輻射顏料。陶瓷粉主要是由一些半導(dǎo)體金屬氧化物（如TiO2、MgO、Al2O3等）在 1 000 ℃以上的溫度煅燒制得的。當(dāng)光線照射到半導(dǎo)體金屬氧化物表面時，發(fā)生光電作用而產(chǎn)生大量電子躍遷，將一部分能量以紅外線的形式輻射到空氣中，從而提高反射隔熱涂膜的半球發(fā)射率。研究表明［13］，陶瓷粉能夠明顯地提高涂膜的半球發(fā)射率，且半球發(fā)射率隨陶瓷粉添加量的增加而增大，而當(dāng)達(dá)到最大值后，半球發(fā)射率則隨其添加量的增加而減小。

2.1.2 膨脹聚合物微球

膨脹聚合物微球的外殼為高分子聚合物（丙烯腈共聚物），內(nèi)部是碳?xì)浠衔?，在受熱?00~150 ℃）情況下，外殼軟化，碳?xì)浠衔镉梢簯B(tài)氣化，從而使外殼膨脹增大，當(dāng)溫度降低后外殼冷卻變硬，微球仍然能保持膨脹后的狀態(tài)。近年來該材料被應(yīng)用于建筑反射隔熱涂料中，如阿克蘇諾貝爾公司的Expance微珠，它是一種由聚合物殼體包裹的中空結(jié)構(gòu)物，其粒徑在常溫時為12 μm，當(dāng)加熱至80~190 ℃時，其粒徑可膨脹至40 μm。

也有研究發(fā)現(xiàn)［14］，在建筑反射隔熱涂料中加入直徑20~30 μm的膨脹丙烯酸微球前后，與參比黑板的隔熱溫差的差別并不明顯。

2.1.3 反光粉

通常僅使用玻璃或陶瓷空心微珠制備的建筑反射隔熱涂料，其涂膜表面粗糙、空隙較大，耐沾污性差。將不同粒徑的反射填料合理搭配使用，能夠使涂膜既具有良好的隔熱效果，又使表面光滑平整、耐沾污性好。由于反光粉粒徑較小，可有效地填充大顆粒間的間隙，提高涂膜的致密度和平整度，從而提高涂層的耐沾污性和反射率。

反光粉是高折射率玻璃微珠的半球鍍鋁反光材料，具有很高的反光能力，是用于生產(chǎn)道路反光涂料的主要功能填料。某研究［15］將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %的玻璃空心微珠、2 %的陶瓷空心微珠和3 %的反光粉復(fù)合成功能填料，制得的反射隔熱涂料涂膜隔熱溫差為15.3 ℃，太陽光反射比為 0.86，半球發(fā)射率為0.88，且涂膜致密，表面光滑。

2.1.4 紅外反射顏料

目前市場上的紅外反射顏料是一種改性金紅石型鈦白粉，屬于“冷顏料”類產(chǎn)品。典型產(chǎn)品是亨斯邁公司（Huntsman Corporation）的紅外反射顏料ALTIRIS?550和ALTIRIS?800，通過改變TiO2晶體的粒徑來提高反射率，通過改性和包覆處理而賦予其極高的耐久性。

ALTIRIS?550能使一些中等色度和淺色（L*＞ 40）涂料具有很高的太陽光反射比。研究表明［16］，調(diào)制中明度區(qū)彩色反射隔熱涂料，可將普通鈦白粉、反射隔熱粉（紅外反射顏料）和“冷顏料”三者配合使用。

ALTIRIS?800顏料的沖淡力極低（約為傳統(tǒng)鈦白粉的25 %），能使深色（L*＜ 40）和一些亮麗色彩涂料具有很高的太陽光反射性能，故可用于低明度（L*＜ 40）涂料，這些涂料（如黑色和絢麗的紅色）通常不使用或很少使用普通鈦白粉，配色時，如使用ALTIRIS?800顏料取代普通鈦白粉，則可適當(dāng)減少有色顏料的添加量［17］。

2.2 冷顏料

冷顏料也稱紅外反射顏料，通常定義為具有高太陽光反射率和良好的耐溫性、耐候性，并且自身化學(xué)穩(wěn)定性非常優(yōu)異的一類顏料。一些復(fù)合無機(jī)“冷顏料”系經(jīng)800 ℃以上的高溫煅燒而成，因而具有優(yōu)異的耐候性、耐高溫性和環(huán)保性。

“冷顏料”的應(yīng)用基礎(chǔ)是使用普通顏料調(diào)制彩色涂料時太陽光反射比會顯著降低。使用“冷顏料”會大大減輕這一現(xiàn)象。一般來說，在配制相同顏色的涂料時，用紅外反射顏料的涂料和用普通顏料的涂料相比，前者的反射率會較高，且顏色越深，差值越大，最大可達(dá)20 %以上［18］。

研究認(rèn)為，由于白色建筑反射隔熱涂料的太陽光總反射率＞80 %（淺色＞65 %），其光、熱反射性能較好，數(shù)值比較高，而使用“冷顏料”對太陽光總反射率的降低作用有限，效果不明顯；但對于深色涂料結(jié)果則相反，因而深色建筑隔熱涂料適宜使用“冷顏料”。例如，鉻鐵黑等“冷顏料”能夠有效提高涂料的太陽光總反射率，降低太陽輻射吸收率（ρ），節(jié)能明顯，節(jié)能效率可達(dá)10 %~14 %［19］。

3 綜合技術(shù)

除了以上所述單純品種原材料的發(fā)展與進(jìn)步外，也有將不同功能原材料組合在一起以簡化生產(chǎn)過程和保證涂料性能的新技術(shù)。例如，將作為成膜物質(zhì)的合成樹脂乳液和具有反射隔熱功能的填料組合成一種具有反射隔熱功能的復(fù)合型產(chǎn)品。陶氏化學(xué)公司的百歷摩? SR-01乳液就是這樣一款產(chǎn)品。使用該乳液配制的不同明度的反射隔熱涂料可以有效反射可見光及近紅外波段入射的太陽輻射通量；Solarproof舒熱盾反射隔熱聚合物［20］也屬于這類產(chǎn)品。

筆者曾對市場上屬于這類乳液的某一產(chǎn)品是有機(jī)-無機(jī)復(fù)合型還是有機(jī)復(fù)合型反射隔熱乳液的問題進(jìn)行了研究。所用方法是檢測干乳液膜的透明性和測試乳液固體物的650 ℃燒失量。

將乳液產(chǎn)品涂刷于試板上，在40 ℃烘干后發(fā)現(xiàn)，其涂膜是不透明的。從而可以判斷該產(chǎn)品是有機(jī)復(fù)合型反射隔熱乳液，因?yàn)楝F(xiàn)在制備有機(jī)-無機(jī)復(fù)合型反射隔熱乳液，通常是在乳液聚合過程中加入納米氧化銦錫（ITO）、氧化錫銻（ATO）、氧化鋁鋅（AZO）等半導(dǎo)體金屬氧化物，并使之結(jié)合于聚合物結(jié)構(gòu)中［21-23］，因而其干乳液膜是透明的。

在測試650 ℃燒失量時，先取適量乳液在85 ℃烘干至恒重，再取所得烘干物在650 ℃灼燒，測得乳液產(chǎn)品的固體含量為48.35%，固體聚合物樹脂的燒失量為99.11%，從這種固體樹脂在650 ℃下幾乎灼燒殆盡的情況來看，也能夠判斷出這種復(fù)合乳液是有機(jī)復(fù)合型反射隔熱乳液。

筆者發(fā)現(xiàn)，使用這種乳液制備反射隔熱涂料的優(yōu)勢有3點(diǎn)：一是貯存穩(wěn)定性較好，相較于使用玻璃空心微珠類涂料產(chǎn)品，其黏度穩(wěn)定，不會出現(xiàn)填料上浮現(xiàn)象；二是涂膜光滑度和平整度較好；三是簡化了涂料的生產(chǎn)過程。

4 結(jié)語

（1） 建筑反射隔熱涂料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展主要集中于生產(chǎn)原材料的發(fā)展，而后者則表現(xiàn)在成膜物質(zhì)、冷顏料和功能性填料等方面。

（2） 成膜物質(zhì)的進(jìn)展包括以提高涂料的耐沾污性和耐久性為主要目的的對聚丙烯酸酯乳液進(jìn)行改性，例如有機(jī)硅改性、氟碳改性和環(huán)氧改性等，此外還包括使用新型成膜物質(zhì)研制反射隔熱涂料，例如地聚物、地聚物-苯丙乳液復(fù)合物、溶膠-合成樹脂乳液復(fù)合物等。

（3） 除了一些新型功能性填料，例如陶瓷粉、膨脹聚合物微球、反光粉、反射隔熱粉和熱反射粉等外，新的高性能玻璃空心微珠產(chǎn)品的使用也能夠使反射隔熱涂料的性能顯著提高?！袄漕伭稀钡氖褂脛t使彩色反射隔熱涂料的反射率大大提高，增加了涂料的實(shí)用性。

（4） 將成膜物質(zhì)和功能填料組合成一種既具有成膜性、又具有反射隔熱功能的復(fù)合材料，能夠簡化生產(chǎn)過程，提高涂料貯存穩(wěn)定性和涂膜光滑度、平整度等。