影響建筑反射隔熱涂料隔熱性能因素的研究

林美

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，福建 福州 350025）

影響建筑反射隔熱涂料隔熱性能因素的研究

林美

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，福建 福州 350025）

從涂料的主要成分合成樹脂乳液、填料和顏料等因素分析和討論其對隔熱涂料隔熱性能的影響，提出顏料對建筑反射隔熱涂料的太陽光反射比的影響最為顯著，功能填料的影響次之，樹脂影響最小（特種樹脂除外）；同時(shí)分析了不同填料的紅外反射效果，提出熱反射隔熱粉填料對提高涂料的近紅外反射比的貢獻(xiàn)明顯，在彩色涂料中添加熱反射粉填料，可以明顯提高涂料的隔熱效果。

建筑反射隔熱涂料；功能填料；顏料；太陽光反射比；中空玻璃微珠

建筑反射隔熱涂料是由合成樹脂乳液、填料、顏料、助劑等組成的薄質(zhì)涂料，根據(jù)性能要求有時(shí)略有變化，它廣泛應(yīng)用在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外表面起到隔熱的作用。建筑物的傳熱大多是以輻射、對流、導(dǎo)熱3種方式綜合作用的結(jié)果，建筑反射隔熱涂料的外表面狀態(tài)及厚度決定了它對對流換熱和傳導(dǎo)阻熱的效果微乎其微，其主要表現(xiàn)為對輻射換熱的影響，依靠其較高的太陽光反射比，反射了相當(dāng)部分的太陽輻射熱，在夏季起到節(jié)約空調(diào)能耗的作用；但在冬季，則反而可能增加采暖能耗[1-2]。

本文從涂料的主要成分合成樹脂乳液、填料和顏料等因素分析和討論了其對隔熱涂料隔熱性能的影響，同時(shí)又重點(diǎn)討論不同的功能填料在近紅外部分反射比的差異引起隔熱效果不同，這些研究成果對生產(chǎn)企業(yè)正確認(rèn)識建筑反射隔熱涂料的隔熱效果及優(yōu)化隔熱涂料的配方設(shè)計(jì)具有很現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

乳液：純丙乳液，純丙2800，國民淀粉；純丙乳液，YS8430，北京百利川；硅丙乳液，SB45N，德國巴斯夫。填料：重鈣，800目，梨樹鑫??；S-2熱反射粉，杭州；803-HT熱反射粉，上海；空心玻璃微珠，3M公司；金紅石鈦白粉，R-1型，日本；鈦白粉，CR808，美國杜邦；沉淀硫酸鋇，800目；超細(xì)硫酸鋇，1250目；超細(xì)滑石粉，1250目，海城他山；云母粉，325目；顏料：金紅石鈦白，R706；福祿紅，V13810；透明鐵蘭，CSE-501w。

1.2 試驗(yàn)儀器

高速分散機(jī)，SDF400，上海眾托實(shí)業(yè)有限公司；便攜式太陽光譜反儀，AvaSR-96，美國；傅立葉變換紅外光譜儀，NICO－LET380FT-IR，美國；掃描電子顯微鏡，S-3400N型，日本；建筑材料熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀，JTRG-3；掃描電子顯微鏡，JSM-5610LV，日本。

1.3 涂料的基礎(chǔ)配方（見表1）

表1 涂料的基礎(chǔ)配方

1.4試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.4.1 原材料的正交試驗(yàn)

確定3種乳液、功能填料和顏料，按照L9（34）正交表安排，進(jìn)行9次配方試驗(yàn)組合，可以確定出最優(yōu)的涂料配方，正交試驗(yàn)因素與水平如表2所示。反射隔熱涂料性能按照J(rèn)G/T 235—2014《建筑反射隔熱涂料》要求進(jìn)行測試。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平

1.4.2 功能填料的對比試驗(yàn)

選擇了幾種常規(guī)粉體顏填料，通過傅立葉變換紅外光譜儀測試在可見光和近紅外波段（300～2500 nm波段）的反射率，測試結(jié)果見圖1。同時(shí)選用2種典型的功能填料（803-HT熱反射粉和中空玻璃微珠）制備反射隔熱涂料，803-HT熱反射粉和中空玻璃微珠的掃描電鏡照片見圖2。依據(jù)表1的引導(dǎo)性配方進(jìn)行配料，考核指標(biāo)為太陽光反射比、近紅外反射比和導(dǎo)熱系數(shù)。在表1基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂料配方設(shè)計(jì)，其中主要材料的配方如表3所示。

圖1 填料的紅外反射光譜

圖2 803-HT熱反射粉和中空玻璃微珠的掃描電鏡照片

表3 主要原材料配方設(shè)計(jì)kg

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原材料正交試驗(yàn)

表4為按照正交試驗(yàn)方案（見表2）配制成的9種涂料的試驗(yàn)結(jié)果，圖3為9種彩色涂料試板照片。

表4 原材料正交試驗(yàn)L9（34）設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果分析

從表4可以看出：（1）1＃、6＃和8＃試件的太陽光反射比均符合JG/T 235—2014標(biāo)準(zhǔn)中高明度產(chǎn)品的指標(biāo)要求，其它的試件達(dá)到中明度指標(biāo)的要求；（2）顏料的極差R最大，其次是功能填料，乳液的極差最小，故可知顏料對建筑反射隔熱涂料太陽光反射比的影響最為顯著，乳液對建筑反射隔熱涂料的太陽光反射比的影響最??；（3）根據(jù)極差分析，最佳原材料條件為：乳液為純丙YS8430，功能填料為803-HT熱反射粉，顏料為鈦白R-1型。

反射太陽光的強(qiáng)弱主要用物質(zhì)的折射率表征，折射率越大，對太陽光的反射能力越強(qiáng)。常用涂料成膜物質(zhì)的有機(jī)樹脂的折射率為1.45～1.50[3]，因此選擇不同的有機(jī)樹脂，涂層的太陽光熱反射效果不會發(fā)生顯著變化，對于樹脂只要求其透明度高，對太陽光的吸收率低。

顏料因色相對太陽光具有不同的反射效果，一般顏色越淺，反射率越高，如白色在可見光波段可達(dá)到高于90%的反射；反之顏色越深，則反射率越低（碳黑在可見光波段反射率僅為2%～5%）。紫外線的穿透性很強(qiáng)，所有顏料往往在該波段（占5%太陽能量）幾乎不反射，而大部分太陽光能量集中于可見光（占43%太陽能量）及近紅外波段。建筑反射隔熱涂料的反射率主要取決于涂料中顏料、填料的光學(xué)屬性，涂料中的顏料主要以散射為主，顏料的折射率和樹脂的折射率的比值即為顏料對日光的散射能力，這個(gè)值相差越大，對太陽光的反射能力越強(qiáng)。金紅石鈦白粉折射率為2.76[3]，作為強(qiáng)散射，弱吸收，穩(wěn)定，惰性，無毒且價(jià)格相對適中的顏料，已被大量運(yùn)用于涂料顏料中，在可得的白色顏料中，其在可見光區(qū)域擁有最高的折光指數(shù)與最強(qiáng)的光散射性，因此采用金紅石型鈦白R-1型的涂料制備的1＃、6＃和8＃試件測試的太陽光反射比分別為0.8438、0.8968和0.9051，均大于其它顏料（福祿紅和透明鐵蘭）制備的涂料試件。當(dāng)然顏料的品種及粒徑對涂層的熱反射能力也起著很大的作用，一般來說，所選顏料的粒徑為入射光波長的1/2，那么它的反射效果是最佳的，根據(jù)這個(gè)規(guī)律，一般粒徑在0.2～0.36 μm[4-5]。

從表4還可以看出，當(dāng)采用相同的顏料配制反射涂料時(shí)，采用功能性填料熱反射粉，可以有效提高涂料的太陽光反射比，如1＃試件的太陽光反射比小于6＃試件的太陽光反射比，1＃試件的太陽光反射比小于8＃試件的太陽光反射比。熱反射粉是通過反射太陽紅外波段，不讓太陽的熱量在物體表面累積升溫，再通過自身進(jìn)行熱量輻射散熱降溫。本次試驗(yàn)采用福祿紅、透明鐵蘭2種顏料配制成的彩色涂料制成的試件如2＃、3＃試件的太陽光反射比均符合JG/T 235—2014標(biāo)準(zhǔn)要求，因此在彩色涂料中添加入熱反射粉功能填料，有效提高近紅外區(qū)的反射比，提高隔熱效果，不失為一種科學(xué)有效的配方之一，同時(shí)彌補(bǔ)了淺色涂料無法滿足人類審美的不足，加強(qiáng)高紅外反射率的熱反射粉的研制就具有很積極的意義。

圖3 彩色涂料試板照片

2.2 填料對比試驗(yàn)

從圖1可以看出，不同的填料在300～2500 nm波段反射率區(qū)別較大，803-HT熱反射粉在近紅外波段表現(xiàn)出較高的反射率，甚至優(yōu)于鈦白粉系列的紅外反射率，3M空心玻璃微珠反射率最低。因此配制隔熱涂料應(yīng)綜合考慮填料的光學(xué)屬性。

表5為按表3設(shè)計(jì)配方選用2種反射率差異較大的填料即803-HT熱反射粉和中空玻璃微珠制成的涂料隔熱性能測試結(jié)果。

表5 涂層隔熱性能測試結(jié)果

從表5可以看出，摻有中空玻璃微珠的涂料太陽光反射比和近紅外反射比均低于摻有熱反射粉的涂料，但摻有中空玻璃微珠的涂料導(dǎo)熱系數(shù)較低。中空玻璃微珠在近紅外波段的反射率均低于熱反射粉的反射率。熱反射粉是以紅外波原理加工成的高折射率填料，它既有對太陽光的高反射功能，也有對吸收熱的發(fā)射功能。803-HT熱反射粉是由納米級酞酸酯與納米級累托粉提出物和復(fù)合體經(jīng)特殊的加工工藝配制而成，由于有親水性基團(tuán)對它進(jìn)行了表面包覆，這種復(fù)合物對陽光中的紅外及遠(yuǎn)紅外波段具有非常高反射率。中空玻璃微珠在760～2500 nm波段的也會有紅外反射率，但是低于鈦白粉系列和熱反射粉。同時(shí)，摻有中空玻璃微珠的涂料導(dǎo)熱系數(shù)較低。圖3的掃描電鏡照片顯示，中空玻璃微珠顆粒表面光滑且為封閉的微小球體，中空玻璃微珠由含硅、鋁等元素氧化物材料經(jīng)特殊工藝制成的薄壁、該球體內(nèi)部包裹一定量的氣體，因此具有密度小、質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，它可以以填料的方式直接加入涂料體系中，使涂料固化后涂膜具有隔熱效果，它的隔熱作用主要是通過涂膜對熱輻射的阻隔作用，可有效延緩熱能傳遞，阻隔大氣及涂層表面熱量外部熱量向建筑內(nèi)部傳導(dǎo)，因此它的導(dǎo)熱系數(shù)低于摻有熱反射粉的涂料，導(dǎo)熱系數(shù)越低，隔熱效果越明顯；同時(shí)中空玻璃微珠的粒徑一般較大，涂料涂層較粗表面平整度差，也會影響太陽光反射比和近紅外反射比的測試結(jié)果，因此近紅外反射比和太陽光反射比測試結(jié)果略低。對于摻有中空玻璃微珠的涂料，其隔熱效果是反射和阻隔綜合效果。

3 結(jié)語

通過對反射隔熱涂料組成成分的分析，得出其隔熱性能與涂料成分密切相關(guān)，其中顏料對建筑反射隔熱涂料的太陽光反射比的影響最為顯著，功能填料的影響次之，樹脂影響最?。ㄌ胤N樹脂除外）。通過對不同填料紅外反射率光譜圖的分析，分析了不同填料的紅外反射效果，以及通過對摻有熱反射粉和中空玻璃微珠涂層隔熱性能的研究，提出熱反射粉填料對提高涂料的近紅外反射比的貢獻(xiàn)明顯，同時(shí)提出對中空玻璃微珠類的涂料應(yīng)綜合考慮其阻隔和反射帶來的隔熱效果。

[1]徐永祥，李運(yùn)德，師華，等．太陽熱反射隔熱涂料研究進(jìn)展[J]．涂料工業(yè)，2010，40（1）：70-73．

[2]林美.熱反射涂料隔熱計(jì)算的研究[J].新型建筑材料，2015（4）30-32.

[3]涂料工藝編委會.涂料工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[4]程明，吉靜，常雨鑫.熱反射顏填料對建筑節(jié)能涂料的影響[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（1）：50-54.

[5]王曉莉，孟赟，楊勝.顏料對水性反射隔熱涂料性能的影響[J].新型建筑材料，2010（11）：86-89.

Study on the factors affecting the thermal insulation performance of architectural reflective thermal insulation coating

LIN Mei
（Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology，F(xiàn)ujian Academy of Building Research，F(xiàn)uzhou 350025，China）

Analyzes from the main components of paint，including resin，fillers and toner，and discusses the influence on the performanceofheatinsulationcoating，proposedtonerhasthemostsignificanteffectonthesunlightreflectionratioof architectural reflective thermal insulation coating，the effect of functional filler takes the second place，resin is the minimum（except for special resin），and analyzes the infrared reflection effect of different fillers，puts forward that the heat reflective powder filler coating has markedly contribution in increasing the near infrared reflectance，the adding of heat reflective powder filler into the color coatingcan significantly improve the coating thermal insulation effect.

architectural reflective thermal insulation coating，functional filler，toner，total solar reflectance，hollow glass beads

TU56+1.69

A

1001-702X（2016）09-0066-03

2016-03-30；

2016-05-13

林美，女，1977年生，福建福州人，高級工程師。