日光反射隔热涂料新一代节能材料

1日光反射隔热涂料——新一代节能材料上海市闵行区科技协会腐蚀科技专业委员会沈志聪吴贤官关键词：日光反射热隔热节能温室气体排放一.前言地球每时每刻都受到太阳的照射，太阳给地球的光和热使万物得以生长和延续。但是现代社会随着地球的不断变暖，过量的太阳热辐射使河湖干涸，土地沙化，危及着人类的生存；强烈的城市热岛效应，让人们忍受着难忍的高温。人类在近一个世纪以来大量使用矿物燃料（如煤、石油等），排放大量CO2等多种起温室效应的气体。由于这些气体对来自太阳辐射的可见光具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，这就是常说的“温室效应”，更导致了全球气候快速变暖。据统计近100年，气温上升了2.9℃。现在人们采取种办为了克服太阳热能带来的麻烦，采取种种办法如喷淋装置、空调、冷气机和电风扇等降温制冷措施和设备，但设备的使用，却又消耗能量，产生了温室效应，转而又导致环境气温升高，降温设备使用越多，耗能就越高，温室效应也越严重，形成了恶性循环。越来越多的能这也是近年来温室效应日益加剧的主要原因之一。放在我们面前的是如何节约能源、减少CO2的排放，降低温室效应的产生是当务之急。近年来“节能减排全民行动”系列活动在国内积极开展，因这关系到国民经济可否持续发展，关系到广大人民群众切身利益。对全国对全球均是一颇大的课题，为此政府也出台了相应的政策。为响应全国和全世界相应的节能要求，各种节能材料、节能设备和节能设施，都应运而生。这里向大家介绍的是新一代节能材料---日光反射隔热涂料。说到隔热，人们就会想到石棉、泡沫塑料、玻璃棉等保温材料。人们也许要问，薄薄的一层涂料，只有几张复印纸那么厚的涂层能隔热？也许会不信，就这么厚度为0.2毫米的涂层，能使房间内温度下降4～6度，与室外温度相差10多度。如果化学物品和石油制品储罐的外表涂装了日光反射隔热涂料的话，储存的物品也可比外界温度降低5～10度，储运中可减少1％的化学品及油品物料损耗。日光反射隔热涂料近年来已得到石油化工、储运、建筑和涂料等行业的高度重视。政府及行业管理部门相应出台了二个标准：JC/T1040-2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》、JG/T××××－200×《建筑反射隔热涂料》。二.什么是日光反射隔热涂料日光反射隔热涂料是把太阳光中红外线产生的热量反（辐）射出去，从而起到隔热、保温的一种功能性涂料。我们都知道，太阳光可分为紫外线、可见光、红外线和远红外线。其热量如表1所示可分为三2部分，但主要是红外线，占总能量的50％。（表1）太阳光热辐射的波长划分紫外区200～400nm占总能量的5％可见光区400～700nm45％近红外区（NIR）720～2500nm50％热辐射是由于分子、原子的热运动引起的，其温度与辐射能量相关。并且与物体的材质以及表面特性相关。为了降低室内或储罐内的温度，必须把太阳光中的可见光、红外线反（辐）射出去。这样，一方面降低了太阳辐射的热积累，另一方面使物体本身的辐射向外传播。人们知道涂料是由成膜材料、颜填料、特殊功能性材料及助剂组成。每种材料对红外线的吸收及反射率都不一样，因此在选材时要注意到每种材料的性能。⑴成膜材料（树脂）：作为成膜材料的大多数有机树脂在近红光区是透明的，而可见光则随着树脂颜色的不同而被吸收去部份能量。一般无色透明的树脂几乎不吸收太阳光的能量。因此一般涂料常用树脂都可用于太阳光热反射涂层。用于日光反射隔热涂料的树脂，要求对可见光和近红外光吸收率越低越好，大部份树脂都能满足；要求树脂的透明度越高，太阳能吸收率则越低。可用于日光反射隔热涂料的树脂有：丙烯酸树脂、有机硅改性聚酯树脂、醇酸树脂、氟碳树脂、环氧树脂、环氧酯、聚氨酯树脂等。几种涂层的太阳热吸收率见表2所示：（表2）几种涂层的太阳热吸收率涂层颜料吸收率涂层颜料吸收率有机氟树脂TiO20.10环氧树脂TiO20.25有机硅—丙烯酸树脂TiO20.19聚氨酯树脂TiO20.26有机硅—醇酸树脂TiO20.22丙烯酸树脂TiO20.24从上表中可以看出有机氟树脂（氟碳树脂）最佳，但由于有机氟树脂制作技求难度大，价格高，采用较少。近年来，由于技术不断进步，如日本大金氟涂料公司采用聚四氟乙烯，制作了含氟量高于国家标准的氟碳涂料，并且己做成了隔热涂料，该隔热涂料的另一最大优点是由于采用了聚四氟乙烯，使涂层价格反而低于常用的有机氟树脂，为进入市场提供了十分有利的经济效益和社会效益。⑵颜填料：日光反射隔热涂料是通过反射太阳光中的红外线来达到隔热降温的目的，颜填料与3树脂一样要求对可见光和近红外线的反射率越大越好，其吸收率越小越好。同时为减少太阳光的透过，颜填料对太阳光还应有尽可能大的散射作用。影响颜填料对太阳光散射的因素：①颜填料的遮盖力颜填料的遮盖力越大，对太阳光散射作用就越大。在颜填料中钛白粉（金红石型）的遮盖力最大，对太阳光散射作用也较大。②颜填料的折射率。各种颜填料的折射率均不相同，高低相差甚多见表3所示。（表3）颜填料的折射率名称折射率名称折射率钛白粉（金红石型）钛白粉（锐钛型）氧化锌锌钡白滑石粉氧化铝2.802.502.21.841.591.70硫酸钡硫酸镁二氧化硅氧化铁红氧化铁黄1.641.581.542.802.30⑶颜填料的特殊功能性：特殊功能性是指在日光反射隔热涂料中能同时起到较高反（辐）射和漫散射等的协同性能，这类颜填料如：纳米二氧化钛、三氧化二锑、氧化锆等和其它一些纳米材料、相变材料（二氧化钒及其掺杂物）和中空玻璃（陶瓷）微珠等。这里特别介绍一下中空玻璃（陶瓷）微珠的作用。中空玻璃（陶瓷）微珠一般添加在中涂料中。在涂层固化成膜后，在涂层内形成一道中空球形的玻璃微珠的屏障，阻隔热量的传入。如下图所示，涂层表面的热反射率高达60～90％，材料本身热辐射率为90％左右。当太阳热入射时，涂层表面将60～90％的热反射回去，涂层本身仅吸收10～40％的热量，又由于涂层中的微珠具有中空腔体，成了極佳的的热阻屏蔽，阻挡了热射线对涂层的穿透，抑制了层内热的传导，将大量热能阻挡在涂层上部，所以此种涂层材料的本身就能将热量的90％向涂层外反射出去。因此涂层内部的热量累积很少，抑制热辐射效率可高达95％以上。4⑷助剂其助剂与一般涂料的颜填料相似，这里提两点：①因为日光反射隔热涂料，应具隔热的特殊功能，所以厂商都把它做成白色，这样可以保持良好的反射，利于发挥隔热功能，反之，不论何种彩色均会降低隔热效果。能做成彩色而不降低其隔热功能的，我们仅找到了为数不多的几个企业，如：镇江远方防腐工程公司和大金氟涂料（上海）有限公司，这二家公司都有配方和颜填料具特殊功能的彩色日光反射隔热涂料，且己有正式产品供应市场。日光反射隔热涂料的隔热性能与涂料的涂层表面清洁度也有很大关系。表面经风吹雨打积累了灰尘、沙泥，掩盖了表面涂料，将影响其功能的发挥。最早研发隔热涂料的某应用化学研究所采用表面微粉化的办法，通过雨水把粉化的涂料及沙尘一起冲刷掉。采用涂料老化并非是好办法。最近，大金氟涂料（上海）公司采用以聚四氟乙烯作成膜材料的隔热面涂料中，添加特种持久表面活性剂来调节表面张力，使涂层既亲水又防污又耐久，在经受雨水冲刷时，涂层表面的沙尘被雨水一冲而净，干后不仅不留雨痕，且对涂层毫无影响而保持外观的洁净。三.质量标准国内从1992年开始，各类以太阳光照射下可隔热降温的涂料层出不穷，但也出现了鱼目混珠良莠不分的现象。存在技术参数不清晰，测试方法不规范及反射隔热机理不完整的局面。这次分别由国家发展与改革委员会及建设部发布的两个标准，虽然尚未统一规范隔热涂料的全部，特别是未把石油化工储罐表面涂装隔热涂料层包括进去，但对产品的术语和定义作了规定，对测试方法作了统一，对产品的质量指标作了规定。遗憾的是两个标准尚未完全一致。现将日光反射隔热涂料隔热性能的两个重要指标，作如下较详细的阐述和介绍：⑴太阳反射比物理学的定义：反射的与入射的太阳辐射能通量之比值。也就是比值越大，反射出去的热能量越大，如果是1的话，即是全部反射出去。由于测试方法不同，一个标准定为≥50.83，而另一个标准定为≥0.8。⑵半球发射率物理学的定义：热辐射体在半球方向上的辐射出射度与处于相同温度的全辐射体（黑体）的辐射出射度之比值。简单地可理解为已反射掉部份热能量的涂层表面，还留下的热能量再度辐射发射出去的比例，数值越接近1，则其表面残留的热能量越小，隔热效果越好。由于测试方法不同，一个标准定≥0.85，另一个标准定≥0.8。在国家发展与改革委员会制定的JC/T1040-2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》中，在“耐人工气候老化性”项目内把隔热性指标太阳反射比和半球发射率均列在其中，这很有必要。不然，未到使用年限，涂层的隔热效率就很快下降，甚至失去隔热作用；也显示不出以氟树脂等为成膜材料的日光反射隔热涂料的耐久性和稳定性，因该树脂的优异耐老化性，使隔热效果可以保持20年以上，而无明显变化。四.应用实例日光反射隔热涂料目前已用于化学品及油品储罐、居民住宅、车间、仓库、粮仓等建筑外墙面、内墙面和房屋屋面等需隔热降温之处，以替代原先水喷淋，也降低了空调、冷气机和电风扇的电耗。过去走到石化厂的油品或化学品储罐区到处可见水喷淋，以及由于潮湿的罐体及地面长满青苔、污泥遍地，人无立足之处。但现今由于储罐区储罐涂装了日光反射隔热涂料，雪白的一只只储罐，点缀在青草绿树之中，显得厂容厂貌的美丽，更重要的是节约了水、电资源，降低了储罐物料的呼吸损耗。由于不用水喷淋，储罐外壁泛锈减少，也延长了储罐的使用寿命。民宅、车间、粮仓的降温更为明显。我国援建苏丹喀士慕炼油厂储罐建造中，由于沙漠的中午热得像烤炉，室外温度甚至高达80℃，援外项目的总设计师只能躲在涂装隔热涂料的储罐里工作。例一：上海氯硷股份有限公司应用实例：上海氯硷股份有限公司FB401碳四球罐于1995年涂装隔热涂料，涂装后隔热效果明显。高温季节球罐表面温度下降达15℃，球罐内物料温度下降10℃。综合经济效益经计算：（以当年价格计算）①100天喷淋冷却水节约75000吨，计37500元②节约水泵电机动力电20000度，计9400元③球罐涂装银粉漆（2年一次），每次2.5万元④球罐涂装隔热涂料（5年一次），每次2万元⑤可节支维修费每年0.85万元综合上述费用，在五年内可节支30万元。节能节支效果明显，经过10多年的推广应用，已在6全公司全面应用，并在全国同行业中推广应用。例二：某地某汽车配件厂应用实例：汽车配件厂办公楼面积800m2、高度3M、容积.2.4m3。涂装日光反射隔热涂料后，在高温季节经测试屋顶表面温度最大下降11.8℃，室温在27℃以下。经测试减少了空调机的用电量，电能消耗削减2611kwh，相当空调8匹的节能效果。例三：上海康乐小区住宅隔热性能测试：早在1992年，当时隔热涂料刚起步时，上海市建筑施工技术研究所曾对上海康乐小区三街坊一号楼西单元（顶层），对日光反射隔热涂料的隔热性能进行测试。其结论为：①涂刷日光反射隔热涂料的屋面温度比沥青屋面温度最多低12℃，比架空板屋面温度最多低10.2℃。②涂刷日光反射隔热涂料的屋面内天花板温度比沥青屋面内天花板温度最多低5.27℃。比架空板屋面内天花板温度最多低1.7℃③室内温度：日光反射隔热涂料的室内温度比沥青屋面室内温度最多低1.8℃，比架空板屋面室内温度最多低1.7℃。（表4）隔热涂料层比其它措施更能使室内下降的温度数据项目原沥青屋面（℃）原架空板屋面（℃）屋面-12-10.2天花板-5.27-1.7室内-1.8-1.7最后认为日光反射隔热涂料的隔热效果超过沥青屋面，并优于架空板的隔热效果，从技术和效果上看,它均是很有效的。五.日光反射隔热涂料的发展前景和存在问题⑴近年来，由于地球变暖，节能减排已成为世界各国的首要对策，对于节能材料、节能措施都可得到政府和社会的广泛重视，“十一五”规划纲要提出，到2010年我国万元GDP能耗，需降低20％左右。作为新一代的节能材料——日光反射隔热涂料在化学品、油品储罐及建筑物屋面、外内墙上的应用，其节水、节电方面的效果，仅从上节所提