建筑用反射隔熱涂料的研究現(xiàn)狀

王 燕，姜經(jīng)帥，鄭晗禎，管 洲，潘秀偉

（1.德愛威（中國）有限公司，上海 200233；2.萬科企業(yè)股份有限公司，廣東深圳 518000）

近年來，反射隔熱涂料因具有成本更低、降溫效果更好，還兼具防腐防水等特性，而備受關(guān)注。依據(jù)隔熱原理可將隔熱涂料劃分為三類：輻射型、阻隔型和反射型隔熱涂料。其中，反射隔熱涂料能夠顯著減少建筑物的熱量積累、改善居住和工作環(huán)境，因而在建筑領(lǐng)域最具經(jīng)濟(jì)實用性[1]。

目前國內(nèi)外對反射隔熱涂料均進(jìn)行了大量的研究，尤其是國外已有相關(guān)優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品投入生產(chǎn)應(yīng)用。就研究現(xiàn)狀而言，反射隔熱涂料的研發(fā)工作主要集中在以下幾個方面：現(xiàn)有顏填料的改性，如改性鈦白，以此來進(jìn)一步提升對可見光及近紅外光的反射比；新原料的開發(fā)，近年來熱門的新原料有二氧化硅氣凝膠、中空玻璃微珠等，其隔熱性能優(yōu)異，有望應(yīng)用于涂料中，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；對配方的優(yōu)化，配方中涉及到的原材料眾多，對部分原材料進(jìn)行調(diào)整替換可以達(dá)到降本目的[2]。相比于國外，國內(nèi)反射隔熱涂料的研究起步較晚，還不夠深入系統(tǒng)，存在一些不足之處。首先，市面上大多數(shù)產(chǎn)品是用經(jīng)濟(jì)實惠的原材料制備而成，這類產(chǎn)品在遮蓋、耐磨、耐候等方面的提升空間還較大；其次，對涂料產(chǎn)品的把控還有待加強，比如相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，部分標(biāo)準(zhǔn)對于相同指標(biāo)的達(dá)標(biāo)率不盡相同；最后，在實際應(yīng)用方面還需考慮各個地區(qū)的情況和施工人員的技術(shù)水平。因此，對于以上提及的問題，國內(nèi)未來反射隔熱涂料仍有較大的發(fā)展空間。

本文結(jié)合自身工作經(jīng)驗以及近幾年關(guān)于反射隔熱涂料相關(guān)的文獻(xiàn)報道和政策，重點闡述了反射隔熱涂料的隔熱原理、標(biāo)準(zhǔn)、配方設(shè)計和實際應(yīng)用效果，旨在能為反射隔熱涂料的深入研究和商業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 反射隔熱涂料的研究背景

1.1 反射隔熱涂料的作用機理

反射隔熱的提出是為了解決太陽光照射所導(dǎo)致的建筑物表面升溫問題。涂層將太陽光反射回外界環(huán)境，保證建筑物外表面不會過多吸收太陽光中的能量，因此理想的反射隔熱涂料都具有較高的太陽光反射比、近紅外反射比和半球發(fā)射率，能夠有效反射太陽輻射[3]。主流的反射隔熱涂料作用機理如圖1所示。由圖1可以看出，使用了反射隔熱涂料的基材對太陽光的反射比較高，大量的光線不被基材吸收，基材升溫得到明顯控制。

圖1 普通隔熱涂料與反射隔熱涂料的反射隔熱性能對比Fig.1 Comparison of reflective thermal insulation performance between general thermal insulation coatings and reflective thermal insulation coatings

然而，幾乎很難有涂料能夠做到百分之百反射太陽光，總有部分光會被涂料所吸收，被吸收的那部分太陽光無疑會產(chǎn)生熱量。因此，除了傳統(tǒng)的反射隔熱涂料以外，部分新型反射隔熱涂料還具有一定的輻射效果，即將吸收的少量熱量又重新輻射回外部空間，相比于只能“被動”反射太陽光，此類兼具“主動”輻射的涂層表現(xiàn)出更強的隔熱性能。

1.2 反射隔熱涂料的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

在目前節(jié)能環(huán)保的大背景下，反射隔熱涂料已經(jīng)展現(xiàn)了潛在的使用價值，如何對反射隔熱涂料的性能進(jìn)行有效評估和選用成為推進(jìn)其進(jìn)一步發(fā)展的重要步驟。

（1）JC/T 1040—2020《建筑外表面用熱反射隔熱涂料》。此標(biāo)準(zhǔn)替代了JC/T 1040—2007《建筑外表面用熱反射隔熱涂料》。在JC/T 1040—2007 中提出了“耐人工氣候老化性”等17 項技術(shù)指標(biāo)，不足的是只有太陽光反射比和半球發(fā)射率這2 項關(guān)于隔熱性能的功能指標(biāo)。而在JC/T 1040—2020中做出了更加細(xì)化的性能指標(biāo)規(guī)定，例如，將漆膜分為平涂和質(zhì)感2 種類型分別制定指標(biāo)、根據(jù)實測涂料的明度（L值）分別制定指標(biāo)等。

（2）JG/T 235—2014《建筑反射隔熱涂料》。該標(biāo)準(zhǔn)是JG/T 235—2008《建筑反射隔熱涂料》的修訂版，也是目前使用最為廣泛的一個標(biāo)準(zhǔn)。在JG/T 235—2008 中增加了隔熱溫差和隔熱溫差衰減兩項熱工性能的檢測指標(biāo)。增加的這2 項指標(biāo)能夠評估涂料產(chǎn)品的隔熱性能，但其溫差檢測方法的設(shè)計存在缺陷[4]，并且配套的檢測儀器規(guī)范性不足，導(dǎo)致各個機構(gòu)的檢測結(jié)果不易統(tǒng)一，故在修訂后的JG/T 235—2014中取消了。此外，JG/T 235—2014提高了相同指標(biāo)的達(dá)標(biāo)門檻，新增了近紅外反射比考察指標(biāo)、污染及老化后對性能指標(biāo)的影響，并且對彩色隔熱涂料提出了反射指標(biāo)。這些功能指標(biāo)的完善使得企業(yè)對反射隔熱涂料的研發(fā)和生產(chǎn)更為嚴(yán)格，不足之處是缺乏對溫差的相關(guān)規(guī)定。

（3）GB/T 25261—2018《建筑用反射隔熱涂料》。此標(biāo)準(zhǔn)替代了GB/T 25261—2010《建筑用反射隔熱涂料》。在GB/T 25261—2010 標(biāo)準(zhǔn)中提出的反射隔熱涂料等效熱阻這一熱工性能指標(biāo)，可以作為理論依據(jù)來評價涂料產(chǎn)品的實際節(jié)能效果。但規(guī)定中只有太陽光反射比和半球發(fā)射率兩項光學(xué)指標(biāo)，且達(dá)標(biāo)門檻低，很難把控涂料產(chǎn)品的質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上替換的GB/T 25261—2018 標(biāo)準(zhǔn)不僅提高了太陽光反射比和半球發(fā)射率兩項指標(biāo)的要求，還新增了近紅外光反射比、污染后太陽光反射比保持率等功能指標(biāo)。

（4）HG/T 4341—2012《金屬表面用熱反射隔熱涂料》。該標(biāo)準(zhǔn)針對基材選擇范圍有限，只適用于涂覆在金屬表面的反射隔熱涂料。其優(yōu)勢在于增加了近紅外光反射比并對反射隔熱涂料進(jìn)行分級，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)和提升。

綜合以上標(biāo)準(zhǔn)來看，我國對反射隔熱涂料性能評估最主要的2 項指標(biāo)是太陽光反射比和半球發(fā)射率。太陽光反射比考察的是涂層對太陽輻射的吸收能力，太陽光反射比越大，對太陽輻射的吸收量就越少；半球發(fā)射率考察的是涂料將吸收的能量返回周圍環(huán)境的能力。這2 項指標(biāo)在很大程度上可以決定涂料的隔熱保溫性能，但是并不能準(zhǔn)確地判斷涂料產(chǎn)品的節(jié)能效果，且在建筑用反射隔熱涂料標(biāo)準(zhǔn)中也沒有給出具體可行的節(jié)能評價方法。另外，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系里還缺乏對彩色涂料的性能評估指標(biāo)，僅對明度的分類是否合適涂料的色彩體系有待進(jìn)一步驗證。

2 反射隔熱涂料的配方設(shè)計

2.1 配方設(shè)計

反射隔熱涂料通常為水性涂料體系，配方中主要物質(zhì)為水、成膜物質(zhì)、顏填料和助劑。目前反射隔熱涂料用成膜物主要是丙烯酸乳液、苯丙乳液等。根據(jù)文獻(xiàn)報道，成膜物對太陽光反射比影響不大，對其進(jìn)行改性更多集中在提高反射隔熱涂料的耐候性、耐久性等其他性能。而近年來，新型氟碳樹脂的應(yīng)用受到了持續(xù)的關(guān)注，尤其是建筑行業(yè)里流行的“冷屋頂”系統(tǒng)。例如，Dong 等[5]用氟碳樹脂制備出的反射隔熱涂料，展現(xiàn)了優(yōu)異的降溫能力和耐候性。當(dāng)在室外陽光直射的情況下，測試時間為上午11 點到下午2 點，基面平均降溫可達(dá)5 ℃。此外，對漆膜進(jìn)行高溫、水浸和曝曬測試，發(fā)現(xiàn)其光學(xué)性能幾乎沒有變化。

相較于成膜物，顏填料的選擇是反射隔熱涂料配方設(shè)計中更為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。和普通涂料不同，反射隔熱涂料中的顏填料不僅起到提供漆膜遮蓋、形成骨架的作用，還必須保證足夠的太陽光和近紅外光反射功能。和其他水性建筑涂料類似，反射隔熱涂料配方中也需要搭配一些助劑來保證涂料產(chǎn)品在生產(chǎn)、貯存、施工等環(huán)節(jié)中的正常運轉(zhuǎn)。常用的助劑包括增稠劑、分散劑、成膜助劑和防霉殺菌劑。值得一提的是，為了避免涂層沾染污漬影響光反射性能，有時會使用一些疏水改性劑來提高涂層的耐沾污性。

2.2 影響反射性能的主要因素

在研發(fā)反射隔熱涂料的過程中，反射性能是考察其實用性的一個重要指標(biāo)。涂料產(chǎn)品的反射強弱與其對太陽光反射率有關(guān)。不同顏料制備出的反射隔熱涂料因顏色不同，對太陽光反射率也不一樣。一般來說，白色涂料的反射性能最佳。即使是相同顏料，不同的粒徑、晶型和表面處理方式均會對涂料的反射性能造成差異，其中以較大粒徑的金紅石二氧化鈦反射性能最強，并且金紅石二氧化鈦的熱力學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定、遮蓋力很高，因此是反射隔熱涂料中不可缺少的白色顏料[6]。行業(yè)內(nèi)對鈦白的研究報道很多，An等[7]從冰屋理念中得到靈感，設(shè)計出了由二氧化硅氣凝膠和二氧化鈦組成的多層納米復(fù)合材料。結(jié)果表明該材料的導(dǎo)熱系數(shù)低至0.029 W/（m·K），可見光反射率達(dá)90%，并且具有很高的耐磨性和耐久性，可廣泛應(yīng)用于節(jié)能建筑、車輛及電子產(chǎn)品中。Rong 等[8]將納米二氧化鈦、中空玻璃微珠和氧化鐵紅按一定比例添加，研發(fā)出了高性能、安全耐用的隔熱涂層，并探討了其在熱帶地區(qū)建筑外墻的降溫節(jié)能效果，結(jié)果顯示年節(jié)能率可達(dá)12.9%，同時低亮度的特性能夠滿足居住的舒適度。但白色涂料存在耐沾污性差的問題，并且污染后反射性能會急劇下降。通過添加色漿可對涂料進(jìn)行調(diào)色，在彩色涂料體系里，有調(diào)研顯示各種顏色的金屬氧化物顏料是反射隔熱涂料實現(xiàn)反射功能的關(guān)鍵。這類由金屬氧化物和可溶性鹽高溫煅燒后得到的復(fù)合無機顏料色彩豐富、反射性能優(yōu)異。例如，呂秋瑞[9]用Fe2O3、Sb2O3、Al2O3和TiO2四種金屬氧化物制備了淺黃色、土黃色、紅褐色和黑色顏料，太陽光反射率分別可達(dá)83.1%、79.7%、52.4%和44.5%，顯著提高了涂層反射性能。此外，配方中所使用到的其他填料物質(zhì)具有不同的太陽光反射比，也會對涂料的反射性能產(chǎn)生一定影響。

2.3 影響隔熱性能的主要因素

除了上述提及的涂層反射性能外，隔熱性能也是評估反射隔熱涂料的重要指標(biāo)之一。影響隔熱性能的主要因素有填料的種類和含量以及涂層的厚度[10]。

反射隔熱涂料的隔熱能力是通過引入對太陽光高反射率的功能填料來實現(xiàn)的。其中，空心微珠和二氧化硅氣凝膠是研究比較廣泛的2 種填料。空心微珠具有中空輕質(zhì)的特點，雖然反射能力不是它的強項，但它的導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠有效地阻隔熱量的傳遞，達(dá)到隔熱的效果。在此特性基礎(chǔ)上，對空心微珠進(jìn)行改性可以達(dá)到更優(yōu)異的性能。蔣平等[11]在空心玻璃微珠表面包裹一層二氧化鈦，進(jìn)一步提高了反射隔熱涂料的保溫隔熱性能。值得注意的是，空心微珠壁薄易碎并且添加量過多會降低涂料的耐沾污性能。二氧化硅氣凝膠具有較高孔隙率、極大比表面積和較低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)勢，被認(rèn)為是有較大發(fā)展?jié)摿Φ墓δ芴盍现?，但其成本過高和不易分散的問題是目前需要攻克的難題。李偉勝等[12]通過改變多種助劑的用量和分散方式，獲得分散性較高的二氧化硅氣凝膠，進(jìn)而控制氣凝膠的用量和涂料成本。此外，反射隔熱涂料中常用的填料還有重質(zhì)碳酸鈣、硫酸鋇等。最近，對填料的研究熱點涉及到有機填料。Sun等[13]通過0ickering乳液聚合法合成了微孔聚苯乙烯球，并將其作為反射隔熱涂料中的功能性填料使用。利用掃描透射電鏡和比表面積測試，觀察并證明了微球的平均內(nèi)孔徑小于氣體分子運動的平均自由程，說明微孔聚苯乙烯球具有較好的隔熱能力，有望在反射隔熱涂料中得到應(yīng)用。利用這類填料制備的反射隔熱涂料總能表現(xiàn)出良好的隔熱性能，其隔熱原理是通過涂層對太陽輻射的阻隔作用。當(dāng)建筑物內(nèi)外溫差過大時，涂料可以削弱過大的溫差引起的熱傳導(dǎo)作用，有效地阻隔涂層表面的熱量向建筑物等基材內(nèi)部傳遞，進(jìn)而實現(xiàn)較高的隔熱性能。

3 反射隔熱涂料的實際應(yīng)用

3.1 特點及優(yōu)勢

反射隔熱涂料是近年來新型的功能涂料，相比于傳統(tǒng)的保溫材料，如保溫板等，反射隔熱涂料具有如下諸多特點及優(yōu)勢：（1）降溫效果顯著，節(jié)能環(huán)保；（2）輕巧便利，安全性高；（3）施工簡便，應(yīng)用范圍廣；（4）裝飾效果佳。

3.2 應(yīng)用案例

隨著對反射隔熱涂料研究的不斷深入以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，越來越多的反射隔熱涂料已經(jīng)投入實際使用，且產(chǎn)生了一定的效果。例如，邱童等[14]利用復(fù)層設(shè)計結(jié)構(gòu)，研制出兼具多彩裝飾效果及高反射比的涂層，應(yīng)用于建筑外墻時，耐污性和隔熱性都非常優(yōu)異。徐品等[15]配合使用真石漆和水泥基材料，研制出新型外墻保溫系統(tǒng)，相較于單獨使用隔熱涂料，該體系不僅可以提高外墻保溫性能，還可以降低材料負(fù)荷。在夏季炎熱地區(qū)的建筑外墻使用中，降溫節(jié)能成效顯著。

國外對反射隔熱涂料的研究起步更早。Li 等[16]采用具有較高電子帶隙的碳酸鈣填料制備的碳酸鈣-丙烯酸涂料，中午涂層表面溫度比周圍環(huán)境溫度低1.7 ℃以上；此外，該涂料還具有成本低、兼容性好等優(yōu)點。Li 等[17]為了證明硫酸鋇納米顆粒的可行性和可靠性，將硫酸鋇應(yīng)用于丙烯酸涂料中，現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該涂料可以產(chǎn)生同樣高的隔熱能力。

4 結(jié)語

在建筑中使用反射隔熱涂料能大幅降低因建筑內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)所導(dǎo)致的能源消耗。然而，反射隔熱涂料至今仍未實現(xiàn)大面積的使用，主要原因是：

（1）冬季或寒冷地區(qū)保溫性能欠缺。在冬季或寒冷地區(qū)，反射隔熱涂料往往很難發(fā)揮作用，甚至起到反效果。

（2）成本過高。如高太陽光反射率的鈦白的價格約為普通鈦白價格的5倍。

（3）調(diào)色限制較多。大部分反射隔熱涂料無法做到全色系調(diào)色。

（4）產(chǎn)品配套不足。目前大多數(shù)供應(yīng)商只是停留在單一的面漆開發(fā)而忽視了配套，造成涂層在不同基面、不同環(huán)境下的反射隔熱效果懸殊。

雖然反射隔熱涂料面臨著巨大的挑戰(zhàn)，但隨著節(jié)能環(huán)保政策的不斷貫徹，相應(yīng)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品開發(fā)的不斷深入，堅信上述問題可以逐步得到解決，反射隔熱涂料終將在節(jié)能減排方面發(fā)揮更大的價值。