建筑外墙隔热保温涂料

建筑外墙隔热保温涂料

尹万云1 ,乔军2 ,陶新秀2 ,裴立宅 2,陈均2 ,张千峰2
(1.中国十七冶集团有限公司技术中心,安徽马鞍山243001;2.安徽工业大学分子工程与应用化学研究所,安徽马鞍山243002)

随着煤、石油、天然气等能源的日益减少,能源问题已成为制约各国经济发展的瓶颈。据统计,有约占三分之一的能源消耗是在建筑领域,所以寻求和制定有效的节能保温方法被高度重视。在此背景下,建筑行业大力开发保温隔热涂料是节能保温的重要措施之一。普通涂料生产工艺简单,施工方便、灵活,带动了涂料行业的大发展。保温材料导热系数低、保温隔热效果显著,但不便于施工。如果把两者的优点结合起来做成保温涂料涂覆在基体上可以发挥两者的特性。
隔热保温涂料是近年来发展起来的新型功能涂料,将它们用于建筑物的表面可降低建筑物的内部温度,还可使建筑物内部热量不易快速散失,在建筑物的外墙或屋顶涂履一层保温涂料可以有效控制室内外温度的变化,起到保温隔热的作用Ⅲ。建筑隔热保温涂料是功能涂料的一种,除此还有防霉涂料、防腐涂料、耐高温涂料、防水涂料等,这是按照建筑涂料的功能来分类的。建筑隔热保温涂料按照节能原理还可分为阻隔型隔热保温涂料、反射型隔热保温涂料、辐射型隔热保温涂料、薄层隔热反射涂料、真空隔热保温涂料及纳米孔超级隔热保温涂料,本文将逐一介绍各类建筑外墙保温隔热涂料的性能及其研究进展。

1 建筑隔热保温涂料的分类
1.1 阻隔型隔热保温涂料
阻隔型节能涂料的绝热机理是阻止热传导,通过涂料中各组分对热传导的显著热阻抗来隔热保温。因此,将低导热系数的名种保温隔热材料和特定功能的树脂有效组合,辅以少量填料,可以制成阻隔型隔热保温涂料。目前这类涂料中研究和应用最为广泛的是硅酸盐类复合保温涂料,主要由海泡石(纤维状的含水硅酸镁)、蛀石(含氮、磷、钾、铝、铁、镁、硅酸盐等水合物)、珍珠岩粉等无机隔热骨料、无机及有机粘结剂等组成,经过机械打浆、发泡、搅拌等工艺制成膏状保温涂料。
杨万国等 研制的建筑外墙保温结构涂层分为绝热隔热弹性腻子和热反射面漆,以膨胀珍珠岩、木纤维、陶瓷空心微珠为绝热弹性涂层的主要骨料,绝热弹性腻子中的空心陶瓷微珠对其导热系数影响较大,陶瓷微珠的完整性和在涂料中良好的的分散性影响了涂料的导热系数。洪晓等 在涂料中加人空心陶瓷微珠,隔热效果很好。胡军 制备出了含海泡石、膨胀珍珠岩、乳液的新型硅酸盐保温涂料。研究发现海泡石、膨胀珍珠岩对涂料的导热系数起着决定作用,有良好的保温隔热性能。张宜恒等 制备出了弹性隔热保温复合涂料,其底层骨料为硅酸盐废纤维等材料,在面漆中掺人空心玻璃微珠作为反射层,所得涂料具有很好的隔热保温效果。刘兢科嘲制备出了一种复合硅酸盐绝热保温涂料,其导热系数0.059 4 W/(m·K),有很好的耐热性、耐水性和保温性能。阎复华等[7j制备出的断热保温涂料自身热阻大,导热系数小,可有效降低辐射性热及对流传热。孙书静 在涂料中加入温石棉、珍珠岩、废硅酸盐纤维、熟石膏,所得涂料具有导热系数很低,可明显降低热流量,是比较好的隔热保温涂料。苟筱辉[9 还用到了镁铝硅酸盐作为填料,所得涂料的导热系数为0.035 2~0.057、v/(m·K),保温效果好,施工速度快。

1.2 反射型隔热保温涂料
反射型隔热涂料也称反射太阳热型绝热涂料,基本原理是通过涂膜的反射作用将太阳光反射到外部,避免物体自身吸收辐射导致温度升高。太阳辐射是建筑物的主要热源,绝大部分能量集中在140 4000 nlTl。该波段占太阳辐射总能量的99%,其中紫外线区占7%,可见光区占50%,红外线区占42%。由此可见,太阳能主要集中于可见光和红外线区,因而制备的反射型外墙隔热涂料,反射的主要是可见光和红外线。反射型建筑隔热涂料就是通过适当选择透明性好的树脂和反射率高的填料,制得高反射率的涂膜,以达到反射光和热的目的”∞。同时这类涂料本身的导热系数很小、绝热性能好,可阻止热量通过涂膜的传导。由于反射型隔热涂料具有高反射性和低导热系数,使得涂膜在超过一定厚度时,其反射性能只与涂膜表面的反射率有关,而与涂膜厚度无关,这与阻隔型隔热涂料的绝热效果与涂膜厚度密切相关的原理是完全不同的。由于一些金属及其氧化物对光有强烈的反射功能,所以可以起到隔热保温的作用,最初的反射性隔热保温涂料就是基于此发展起来的,但现在不仅局限于此,比如玻璃微珠,陶瓷微珠对光的反射比亦很大,所以被选为反射隔热涂料的填料,同时加入一些合适的功能乳液、增稠剂和成膜助剂,可配成具有反射功能的隔热保温涂料。
周学梅等“u通过对比彩色空心微珠和层状填料的性能表明,涂覆彩色空心微珠的涂层表面温差比相同颜色的层状填料涂层的温差大,隔热效果好。对彩色空心微珠高温煅烧处理后,发现热稳定性和耐候性也有所增强,可以作为反射型隔热保温涂料的填料。刘杰 采用了多种二氧化硅和空心微珠作为反射填料,达到了反射隔热保温的目的。陈中华[13]在涂料中加入了纳米掺锑二氧化锡浆料和纳米二氧化钛粉体,制备出了一种水性纳米复合涂料,该涂料在全波段(200—2 500 nm)太阳热反射比为86%,同时辐射率也达到了0.86。邢俊等n 睬用红外高反射空心玻璃珠和彩色空心陶瓷珠制备了复合型建筑反射隔热涂料,讨论了颜料、填料、功能填料及乳液对涂料隔热性能和耐污性能的影响,确定颜料(金红石型氧化钛)的质量分数为20%,填料为12%,玻璃珠和彩色陶瓷珠的质量比为2:1,可得到隔热效果明显、耐候性、耐沾污性能良好的隔热保温涂料。许铁群等 通过添加二氧化钛、氧化铁红、氧化锌、云母、铝粉配制成了CF 05高效反射隔热涂料,讨论了成膜物、功能颜料、功能填料的选择思路。该涂料具有良好的隔热保温效果,不仅具有很好的太阳光热反射率,同时有很高的反辐射能力,较低的导热系数也阻止了能量的吸收及传递。王金台等u 在配制的涂料中加入了玻璃微珠和陶瓷微珠,研究了微珠对涂料反射比的影响。彭红等”’ 研究了空心玻璃微珠、陶瓷微珠、漂珠和水性铝银浆对涂料隔热效果的影响,发现空心玻璃微珠和陶瓷微珠对涂料的平衡温度有很大影响,漂珠和水性铝银浆对涂料的平衡温度几乎无影响。周健等 。制备出了YFJ332型热反射隔热防腐蚀复合涂料,最外层为反射率不小于90%反射涂层,运用了空心玻璃、微珠陶瓷微珠、漂珠和水性铝银浆,并对各组分对涂料保温性能的影响做了评价,以平衡温度为评价指标,研究表明适量加入玻璃空心微珠和陶瓷微珠对涂料隔热性能有很大改善。当涂层比较薄时,增加涂层厚度对隔热性能有影响,但再增加涂层厚度,影响不大。张彦军等[1 研制的涂料最大特点是涂层可以很薄的涂覆就能达到很好的热反射功能,在铝板表面涂覆一层约120 m厚的涂料,铝板的正面最大温差达到13 qc,背面最大温差亦可达到12.2℃ ,起到了很好的反射太阳光作用。

1_3 辐射型隔热保温涂料
热在涂层中的传递方式主要有3种:传导、对流和辐射。研制辐射型外墙隔热保温涂料的关键技术是制备高辐射率的涂层,当能量传递到涂料表面时,涂层中高辐射组分,把吸收的太阳光能及时的通过辐射传递到外界,达到隔热目的。建筑物在阳光的照射下吸收一定热量,但也辐射出一部分热量,如果辐射出的能量大于吸收的能量就可以起到保温隔热作用 。因此在涂料中引入高辐射率组分就可以起到隔热保温的效果,所以制备高辐射率涂料组分是关键所在。研究表明 u:多种金属氧化物,如Fe O,,MnO2,CuO等反尖晶石结构的掺杂型物质具有热发射率高的特点,广泛用作隔热节能涂料的填料。
杨景发等 通过对阻隔、反射、辐射机理的探讨,制备出了高反射和高辐射及“强化反射”特征的3组分防热涂料,其热发射率可达O.92,反射率达0.88,温差可达6~8℃,具有较好的使用价值。谭亮等伫 采用了红外发射粉体,当红外发射粉体的掺量达到4%后,涂料的半球发射率增加已经不明显,当表面吸收热量后,红外辐射粉体可以及时把能量以红外能量辐射出去,起到隔热保温的作用。王德富 也在涂料中加入了红外辐射添加剂起到了协同降温性能。郭宝民等 首先成功合成阴离子型Gemini表面活性剂,并利用该表面活性剂制成了透明纳米级丙烯酸树脂乳液,以此作为成膜剂,同时对填料二氧化硅进行表面包覆钛膜,可明显提高二氧化硅的反射性能。姚伯龙等f2 制备出了一种同时具备辐射隔热和阻隔隔热的保温涂料,以Fe20,,MnO:,Co O,及CuO按一定配比制得红外辐射材料,同时加入玻璃空心微珠和陶瓷空心微珠,辅以碳酸钙、高岭土和云母粉为填料,该涂料的保温效果较单一隔热原理的涂料,保温效果明显,温差达58℃。郭宝民制备出了一种红外辐射保温涂料,利用辐射功能强的氧化物的复合物(如氧化钛、氧化锆、氧化铬)及碳化物(氮化硅、锆英砂),涂料随着膜厚的增加保温效果越明显,当膜厚为70印1时达到最佳,1 h后的降温至7℃。
综上所述可以看出,辐射型隔热保温涂料与阻隔型、反射型隔热保温涂料有很大不同,阻隔型隔热保温涂料和反射性隔热保温涂料只能延缓建筑的吸收热量的速率,热量能进入建筑物内部,也不能阻止建筑物吸收热量,辐射性隔热保温涂料则可以把建筑物从外界吸收的热量再以热量辐射出去,进而可以使建筑物温度不至于达到很高,起到动态隔热保温的功能。

1.4 薄层隔热反射涂料
此类保温涂料涂层薄,涂层具有阻隔和反射能量的效用。到目前为止,只有少量文献报道了该类涂料。陈俊平 。 论述了一种太空绝热瓷层,这种涂层是一种高性能的薄层反射型隔热涂料,由于涂料中的材料是悬浮于乳胶中微小陶瓷颗粒构成的,因此取名“瓷层”。该涂料具有高反射率、高辐射率、低导热系数等性能,同时只要在基底上涂上薄薄一层(0.3~0.5 mm)就可达到与普通隔热涂料相同的性能。殷武等n 通过选用合适的中空玻璃微珠、纳米浆料和氟硅改性丙烯酸乳液,得到了一种耐久性好、热反射率高和导热系数低的可薄涂施工的新型保温隔热涂料。余丽蓉等p。1利用纳米氧化钇、纳米氧化锡、远红外陶瓷粉、改陛空心玻璃微珠、金红石型氧化钛、云母为填料硅丙、纯丙乳液为成膜物制备出了高反射率的薄层隔热反射涂料,可见光反射率高达91.5%,近红外反射率为84.25%。郑其俊等[311借鉴了国外航天工业用高科技绝热涂层的技术思路,研究出了一种涂料,分析表明涂层热阻较大,特别是热反射率高,可有效降低辐射传热,施工方便,涂层薄,无接缝,附着力好,集防水隔热外护于一体。

1.5 真空隔热保温涂料
王理学等 研究表明要大幅度提高隔热性能,高真空或者超低压的状态能使涂料具有绝热保温功能。这是因为真空状态能使分子振动热传导和对流传导2种方式完全消失,为此采用真空的填料以制备性能优良的保温涂料已经成为当前研究的方向之一。

1.6 纳米子L超级隔热保温涂料
纳米孔超级绝热材料是建立在低密度和超级细孔材料基础上的。理论上这种涂料的导热系数可趋近于零,利用纳米孔获得比静止空气导热系数更小的涂膜是完全可行的。目前的研究方向是降低生产成本,开发使用温度高于1 050℃的纳米孔绝热保温材料。纳米孔超级绝热材料应同时具备以下几个特征 :材料内几乎所有的空隙都应100 nln以下;材料内80%的气孔尺寸都应小于50 tim;材料应具有很低的体积密度;材料在常温和设定的使用温度下都应该有比“无对流空气”更低的导热系数。研究结果表明当材料中气孑L直径小于50 nnl时,气孔内的空气分子则失去了自由流动的能力,而是相对地附着在气孔壁上,这时材料处于近似于真空状态。同时,由于材料内的气孔均为纳米级孔,再加上材料本身极低的体积密度,使材料内部含有极多的反射界面与散射微粒,再加上在热辐射吸收方面对材料进行改性,可以使材料不论是在高温和常温均有低于静止空气的导热系数。

2 展 望
通过对各类型的建筑外墙隔热保温涂料的阐述,建筑外墙隔热保温涂料较之过去有了很大发展,并有取代建筑外墙饰面材料的趋势。目前发现并没有大量文献报道使用纳米蒙脱石类硅酸盐作为填料的案例,纳米蒙脱石硅酸盐类有其独特的结构,它们是纳米级的硅酸盐,该类硅酸盐具有层状结构,能量在传递或散失的过程中要穿过层状结构,必将减缓能量的传递速度和改变能量的传递路径,起到隔热保温功能,同时该类硅酸盐的导热系数很低,抑制能量传递,所以可以作为建筑外墙隔热保温涂料的填料。同时在世界能源危机的大背景下建筑外墙隔热保温涂料也将向着环保节能的复合型隔热保温涂料发展,制备出的隔热保温涂料功能也将向多方向发展。伴随隔热保温涂料的繁荣发展必然会促进和带动隔热保温材料制备技术和其他相关学科的发展。

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