太阳热反射隔热涂料研究进展

data-full-width-responsive="true"> 太阳热反射隔热涂料研究进展徐永祥,李运德,师　华,杨振波,冯　雍(北京航空材料研究院北京航材百慕新材料技术工程有限公司,北京100095)0　引　言可以说,地球上绝大部分能量都来自于太阳,煤炭、石油、风能、水的运动能等都是太阳能的一种形式。现在太阳仍以大约177 1017 J / s的速度将能量辐射到地球表面,给地球生命提供了生存条件,但强烈的热辐射也给人类生活带来诸多不便。据分析,喷淋装置、空调、冷气机和电风扇等降温制冷设备每年所消耗的能量占全年总能耗的20%以上[ 1 ]。所耗能量大部分又是煤炭火力发电产生,消耗煤炭间接的太阳能,同时产生大量的二氧化碳等温室气体,加剧了全球气候变暖,如此恶性循环造成人类居住的地球环境越来越恶化。如何合理地利用太阳能造福于人类,建立人与自然和谐共存的关系,是全人类所面临的共同课题与严峻挑战。直接利用太阳能发电是最环保、最有前途的主动利用太阳能的方法,但全面取代火电尚需时日。开发太阳热反射隔热涂料降低建筑物、设备表面温度是一种被动利用太阳能的方法,对节约能源、保护环境、创建人与自然的和谐关系具有重要的意义。1　太阳热反射涂料基本原理太阳的能量产生于热核反应,以热辐射的形式向外发送,能量分布见表1。表1　太阳辐射能量分布　　由表1可见,太阳的能量主要集中在可见光和红外光区。室温下或温度更低的一般物体,也在不断地以红外光和波长更长的电磁波向外辐射能量。一般物体对能入射量有3种响应:反射、吸收和透过。若定义反射率为,吸收率为,透过率为,则如式(1)所示。++= 1 式(1)大部分物体都是不透明的(包括色漆固化后的涂层) ,此时= 0,式(1)简化为式(2) 。+= 1 式(2)大气对红外辐射在25～5m和8～135m有两个窗口,即大气对这两个区域的红外辐射吸收能力较弱,透过率一般在80%以上。因此,要实现物体的持续降温,就要把吸收的热量尽可能通过这两个窗口辐射到外层空间去。传热方式有辐射、对流和传导3种。太阳辐射热在涂层中的传递主要通过传导进行,基本上没有辐射和对流的贡献,原因为: (1)固化后的涂层为不透明的,避免了热量通过辐射方式向内部传递; (2)对流传热需要有液体或气体介质,固化后的涂层内部可以认为不存在液体介质,气体介质主要是残存于涂层气泡内的空气,通过合理的配方和正确的施工工艺,可以使气泡完全消除或基本无气泡,至少不会形成对流通路,因此气体对流传热也可以认为不能发生。根据上述分析,理想的太阳热反射隔热涂料形成的涂层应具有以下特点: (1)不透明; (2)对太阳光全波段,至少是可见光和红外光波段具有高反射率; (3)能够将所吸收的辐射能全部转化为25～5m和8～135m波长范围内的红外光辐射到外层空间去; (4)成膜物质具有尽可能低的传热系数;(5)具有较好的耐候性和涂层应具备的其他综合性能。2　太阳热反射涂料测试方法[ 2 ]较早时候,太阳热反射涂料没有国标及行业标准,性能检测主要参考美国军标。康翠荣等[ 3 ]研制了用于测量太阳热反射涂层表面温度和涂有太阳热反射涂层的贮罐内液体温度的自动检测系统,能较好地测量和记录即时温度值和升温曲线,对太阳热反射涂料的研究大有裨益。殷燕子等[ 4 ]在美国军标规定的热反射涂料反射率测试装置上进行了改进,消除了试验过程中环境和人为因素对试验结果造成的影响,可获得科学可信的试验结果,缩短研制过程。2007年5月,国家发改委发布了建材行业标准JC/T 1040建筑外表面用热反射隔热涂料,除了其他与涂料有关的综合性能指标外,主要规定了太阳反射比和半球发射率这两个代表热反射隔热涂料特性的指标和测试方法。这两项指标均引用GJB 25021996 卫星热控涂层试验方法(已被GJB 25022006 航天器热控涂层试验方法代替) 。2008年9月,中华人民共和国住房和城乡建设部发布了建工行业标准JG/T 2352008 建筑反射隔热涂料,该标准主要规定了太阳反射比、半球发射率、隔热温差和隔热温差衰减(白色) 4项指标,比建材行业标准JC /T 10402007多出2项与反射隔热性能有关的指标,但太阳反射比和半球发射率2项指标均低于JC /T 10402007中指标要求。3　太阳热反射涂料原材料及对反射隔热性能的影响311　树脂太阳热反射隔热涂料处于强太阳光的直接照射下,树脂必须能耐紫外线破坏,因此,环氧树脂、芳香族聚氨酯等不宜用作基料树脂,除此之外大部分树脂如醇酸树脂、丙烯酸树脂、氨基树脂、聚酯树脂、有机硅改性醇酸树脂、有机硅改性聚酯树脂、有机硅改性丙烯酸树脂、有机硅树脂、含氟树脂等都可以用作太阳热反射隔热涂料的基料树脂。要求树脂的透明度高,透光率在80%以上(以利于颜填料反射) ,对辐射能吸收率低(树脂分子尽量少含COC、C O、OH等吸能基团) 。战为民等[ 5 ]以醇酸树脂、聚氨酯树脂、氯化橡胶和高氯化聚乙烯树脂为基础树脂,加入二氧化钛、深色颜料等制成了深灰色军用红外反射甲板漆,并对配套体系进行了研究;用自行组装的热红外反射率测定仪参照美国军标对防锈底漆加红外反射面漆配套体系进行了测定,结果表明,所选树脂中以高氯化聚乙烯树脂的反射率最高,聚氨酯树脂反射率最低;底漆加面漆组合反射率即可远远大于50%合同技术指标(参考美国军标)要求,无需添加高反射率的中间涂层。郭年华[ 6 ]研制了聚氨酯改性氯丙树脂太阳热反射涂料,改性后的氯丙树脂使涂层性能有了明显提高,以改性树脂制得的白色漆的热反射率高达75% ,达到美国军标要求。随着环保要求的不断提高,采用高固体分、无溶剂和水性树脂已成为涂料工业的发展趋势,因此,耐候性好且符合环保要求的无溶剂聚氨酯、硅丙乳液、水性聚氨酯、水性氟树脂等成为太阳热反射隔热涂料的首选树脂。洪晓[ 7 ]研制了太空绝热反射涂料,采用硅丙乳液和水性氟碳乳液作成膜基料,通过选择功能填料,产品热反射性能和隔热性能均达到或超过国外同类产品。312　颜填料涂层热辐射率取决于颜填料折光指数( np )与树脂折光指数( nr )的比值( np /nr ) 、涂层厚度、颜填料粒径、颜填料纯度以及颜料体积浓度( PVC)等。