有色反射隔热建筑涂料探讨

data-full-width-responsive="true"> 0 前言由于节能和低碳的特性，反射隔热涂料的开发和应用成为建筑涂料研发的热点之一。目前不少建筑涂料企业都开发了反射隔热涂料，但相当一部分是白色的，包括目前国内标准也还都是针对白色涂料的。本文介绍有色反射隔热涂料的组成特点、红外反射颜料、红外反射涂料隔热机理和要求及其配色等。1 有色反射隔热涂料的组成特点以合成树脂乳液为基料，以水为分散介质，加入颜料(主要是红外反射颜料)、填料和助剂，经一定工艺过程制成的涂料，叫做反射隔热乳胶漆，也就是目前所称的反射隔热建筑涂料。在该定义中，关键特征是含有红外反射颜料，同时还要求不含对红外光高吸收的颜料，如炭黑(颜料黑7)、铁黑(颜料黑11)、颜料黑28等。2 红外反射颜料人们把在可见光区具有选择吸收，即呈现色彩，同时在红外区能反射红外光的颜料称为红外反射颜料，简称IR颜料(Infrared Reflective Pigment)。红外反射颜料通常由金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐等混合后，经650～1 300 ℃煅烧、固相反应而获得。原料中的金属离子和氧离子重新排列，按氧离子和金属离子的比例，形成更稳定的类似于金红石型(rutile，O/M=200)、尖晶石(spinel，O/M=133)、赤铁矿或刚玉(hematite or corundum，O/M=150)结构的复相无机颜料(Complex Inorganic Color Pigments)。这些颜料里通常含有钒、镍、锰、铬、铜、铁、钴等发色金属离子和晶体电荷平衡离子，如锂、镁、钛、钙、钡、铌、钼、钨、锌、铝和锑。高折射系数颜料，散射能力强，吸收低，反射性能好。如钛白粉，尤其是金红石型钛白粉，折射系数高，可见光区遮盖力好，同时也是很好的红外反射颜料，所以白色涂料太阳反射比高。颜料粒径为入射光的半波长时，散射最佳。作为普通颜料，为了在可见光区有更高的遮盖力，市售金红石型钛白粉粒径一般为02～04 m。虽然普通钛白粉红外光反射能力也很好，但作为红外反射颜料，因为红外光波长长，所以颜料粒径粗些，红外光反射能力会更好些。这当然会导致可见光区散射能力降低，遮盖力变差，白度下降，所以存在一个性能平衡问题。亨斯迈(Huntsman)的ALTIRIS 550和ALTIRIS 800就是粒径分别为06m的红外钛白粉。三氧化二铬(颜料绿17/77288，CAS号1308-38-9)，折射系数250，也是不错的红外反射颜料。在可见光区具有选择吸收，即呈现色彩，同时在红外区能透过红外光的颜料也可作为红外颜料，如颜料黑31等。3 有色反射隔热涂料的隔热机理太阳能对建筑物的热环境和能耗有着十分重要的作用。有色反射隔热涂料通过对太阳能的反射和发射达到隔热效果。根据波长的长短，太阳光可以分为紫外光、可见光和红外光。紫外光的波长小于400 nm，约占太阳总能量的5%。可见光波长在400～720 nm，约占太阳总能量的45%。而近红外光的波长为720～2 500 nm，约占太阳总能量的50%。可见，太阳能主要集中于可见光区和红外区。颜色对太阳反射比有很大影响。就颜色来说，红色将红光反射出去，蓝色将蓝光反射出去，白色反射热量最多，黑色吸收热量最多。通常随着明度的降低，颜色变深，可见光区太阳反射比下降。因此，反射隔热涂料的颜色选用白色或浅色比较容易达到，尤其是使用钛白粉的白色涂料，它既反射可见光，又反射红外光。但颜色是由用户和设计师等选定的，通常，有色建筑涂料约占80%以上。反射隔热涂料生产企业可以有所作为的只在红外区，采用红外反射颜料，把红外光尽可能地反射出去。另外，高发射率的涂料隔热效果好，但建筑涂料的发射率一般都在80%以上，且难以调节。4 有色反射隔热涂料的要求目前我国反射隔热涂料标准仅对白色或浅色反射隔热涂料有要求，美国军标规定深色涂料反射率在50%以上。美国绿色涂料环境标准(GS-11 GreenSeal Environmental Standard for Paints and Coatings)对墙面建筑涂料的要求是浅色涂料反射率在65%以上，深色涂料反射率在40%以上。美国冷屋顶分级协会(Cool roof rating council)对有色反射隔热涂料的要求如表1所示。日本JIS K 56752011高太阳能反射屋面涂料(High solar reflectant paint for roof)规定如表2。JG/T 2352008《建筑反射隔热涂料》正在修订，其征求意见稿如表3，增加了对有色反射隔热涂料的要求。5 有色反射隔热涂料的配色反射隔热涂料的研发和生产关键是有色反射隔热涂料的生产，白色涂料本身就是很好的反射隔热涂料。而有色反射隔热涂料的研发和生产关键是配色。除普通建筑外墙涂料的配色要求外，有色反射隔热涂料的配色就是尽可能把红外光部分的能量反射出去，也就是说，有一个尽可能高的TSR(太阳总反射比)。但目前太阳反射比不是总可以根据配色组分性能预测的。选择配色时应注意以下问题：(1)选用红外反射颜料，配成所需颜色。因为红外反射涂料色相有限，配色会受到限制。(2)炭黑(颜料黑7)、铁黑(颜料黑11)、颜料黑28等高吸收的颜料不能使用，那怕是一点点也不能用。它们会极大地降低涂料太阳反射比。(3)红外反射颜料可与各种粒径钛白粉搭配使用，进行调色。可见光区是透明的而红外光区是高反射的颜料，如粗粒径的钛白粉，既能提高涂料红外光反射，也不影响颜色。(4)亨斯迈的红外反射颜料ALTIRIS 800颜料推荐用于深色涂料配色，明度L在25～40，提高红外线反射率。通常这些深色涂料不含或只含少量钛白粉。该颜料可提供最佳的近红外/可见光反射比，具有极低的着色力。在明度L超过40的颜色中，推荐使用ALTIRIS 550以提高红外反射性能。(5)红外反射颜料和红外吸收颜料混用时，应注意其结果红外吸收颜料会占绝对压倒之势。例如含钴红外反射颜料在1 200～1 600 nm有强吸收，如果将TSR357%的红外吸收颜料CoAl蓝和TSR326%的红外反射颜料MnSbTi棕各以50%比例混合时，所得TSR不是中间值，实测只有269%。(6)氧化铬绿等也是不错的红外反射颜料，但在近红外区还是有吸收，用量不能太高，等等。6 反射隔热涂料的性能反射隔热涂料是一种功能性建筑涂料，具有一系列普通建筑涂料没有的特性。用相同颜色涂料装饰的外墙面，反射隔热涂料和普通涂料相比，由于反射了红外光部分能量，其表面温度会较低。颜色越深，明度越低，往往差值越大，如表4所示。当然，不同颜色，差值也不同。总的说来，温差与TSR(总太阳能反射率)相关。根据ASTM E1980-11水平和低斜度不透明表面太阳反射指数计算标准(Standard Practice forCalculating Solar Reflectance Index of Horizontal andLow-Sloped Opaque Surfaces)，取外表面换热系数19W/(m2K)，半球反射率082，计算得表面温度(Ts)如表5。由于降低了围护结构的外表面温度，得到一系列益处。(1)根据热流密度=t/R，夏天，降低外墙表面温度，即降低内外墙温差t，在围护结构热阻R相同的情况下，能减少传入室内热量，从而节省空调能耗。(2)夏天外墙面温度越低，则墙面光谱辐射出射度的峰值波长越接近大气窗8～135 m中值，就有越多的红外光可以通过大气窗被发至大气外层，从而缓解了城市热岛效应。(3)涂膜的热氧化降解，按照一般规律，温度每升高10 ℃，降解速率会提高1倍。使用反射隔热涂料涂装的外表面温度低，能减慢涂膜降解速度，提高涂膜使用寿命。(4)另外，保色性往往是外墙涂料的短板，而红外反射颜料结构稳定，耐光耐候性好。因此使用红外反射颜料也能提高涂膜使用寿命。(5)采用反射隔热涂料，外表面温度降低，如在相同的乳胶高聚物Tg下，涂膜耐沾污性提高。如保持相同的涂膜耐沾污性，乳胶高聚物Tg就可降低，在相同的成膜性时，成膜助剂用量就可降低。(6)因为夏天气温高，太阳辐射强，日照时间长，保温板导热系数低，在普通深色饰面层和防护层处，温度可达70 ℃左右，如果突然下雨，温度突然降至30℃左右，温变范围大，容易开裂。相同颜色反射隔热涂料饰面温度低得多，所以增加抗裂性。(7)一般规定，外墙外保温饰面涂料的明度要大于20%，主要是防止表面温度过高。由于采用反射隔热涂料，外表面温度比较低，就不存在表面温度过高问题，因此，对明度就可以不作要求。7 反射隔热涂料的应用(1)反射隔热涂料可以单独使用，更好地是与其他保温材料配合使用，构成系统。(2)由于保温需要有一定的热阻，既要求材料有低的导热系数，又要有一定的厚度，二者缺一不可。尽管反射隔热涂料导热系数不高，自身热阻较大，但因涂膜厚度很薄，仅100 m左右，总热阻很小，保温效果几乎可以忽略。因此应与其他保温材料配合使用，各尽其能，互相补充，构成复合系统。可和保温砂浆、泡沫混凝土、EPS、XPS、PU、酚醛、岩棉等保温材料组成系统。这样才能满足节能要求，达到较理想的隔热和保温作用。(3)采用既不反射红外光也不吸收红外光，而在红外光区是透明的红外颜料。使用这种颜料配制的反射隔热涂料时，必须采用高红外反射性能的白色底涂层，这样整个涂层系统同样具有较好的红外反射功能，从而同样可以降低外表面温度。