水性红外反射隔热弹性涂料及其应用

data-full-width-responsive="true"> 水性红外反射隔热弹性涂料及其应用孙琼1，吴晟2，殷雷2，李晴2，朱灿银2(1 浙江医学高等专科学校，浙江杭州310053；2 江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏南京210008)0 引言建筑隔热保温是节约能源、提高居住环境和使用功能的重要内容之一。随着节能减排工作的深入，建筑节能已成为我国的法定要求， 外墙外保温作为建筑节能的主要手段在全国推广应用。目前外墙外保温的工艺大致是将主体保温材料通过粘结和锚固的方式固定到外墙表面， 然后在保温层表面抹聚合物水泥抗裂砂浆，压入耐碱玻纤网格布，最后在表面抹弹性抗裂腻子和粉刷涂料。由于保温材料的热阻很大， 使得防护层和饰面层的热量很难通过传导扩散， 导致夏季阳光下保温系统表面温度可高达50 ℃～80 ℃，如突降暴雨，温度会急剧下降，温度变化幅度可达30 ℃～50 ℃以上，而保温材料与抹面砂浆弹性模量和线性膨胀系数相差很大， 受这样的温差变化以及昼夜和季节室外气温的影响， 由温差产生的温差应力极易引起保温系统防护层和饰面层裂缝，这就对保温系统的抗裂保护材料提出了非常高的要求，而且也对饰面涂层的弹性、防水性、耐温变性、耐老化性等提出了更高的要求。水性红外反射隔热弹性涂料正是应这一发展趋势而研制的环保节能产品，它广泛适用于我国夏热冬暖、夏热冬冷地区的建筑物外墙作保温隔热涂装。该涂料集多种隔热机理于一身，涂膜除了具有较高的延伸率、拉伸强度、耐候性和耐沾污性以外，还具有对光热的高反射率、高辐射率，可有效地降低太阳辐射热和对流传导热， 从而降低被涂覆物的表面温度，达到改善居住环境、节能降耗的目的。1 理论分析地球大气层外的空间是一个理想的冷源， 其温度近似于绝对零度。从热辐射观点来看，外层空间可以近似看成一个绝对温度为零的黑体。大气层的红外辐射主要来源于大气中的水蒸气、二氧化碳和臭氧及悬浮微粒，其中起主要作用的是水蒸气和二氧化碳。红外气象学的研究表明，在8 m～135 m 波段外， 大气的红外辐射的光谱分布基本上类似于黑体辐射；在波长为8 m～135 m 的区域内，水蒸汽和二氧化碳的吸收能力较弱，因此，在此波段内它们的红外辐射能力也较弱， 这样就使8 m～135 m 的红外辐射对大气层有很高的透过能力。在红外气象学中，称这个透过率很高的波段为红外窗口，通过这个窗口，地面上的辐射体可以直接辐射到外层空间，并且在此波段内，太阳辐射和大气辐射能远低于地面向外层空间的辐射能， 如果能加大热量， 使其在此波段以红外辐射的方式高效地发射到大气外层，当建筑物辐射能量大于整体吸收的热能，就可以实现建筑物降温隔热目的。太阳光照射在建筑物表面上，一部分被反射回大气层，另一部分进入表面材料内部而被吸收， 还有一部分穿透物体逸出。由于建筑材料大部分不透明，所以可以认为太阳光无法穿透， 因此太阳光辐射能只分为被反射出去的能量以及被吸收转为的热能两部分。提高物体表面反射率，就能提高反射的能量，从而降低吸收能量，由此可以减少从室外传入室内的热流。热流的减少意味着制冷设备需要做的功减少， 从而降低了电能的损耗。除去被建筑表面反射的太阳光能， 另一部分光能则被吸收转化为热能。根据热辐射理论，任何物体在高于绝对零度的温度之上时， 都有向外辐射能量的能力。对于一般物体，辐射度还与表面发射比 (也称发射率)有关系，即一般物体的辐射度表达式为：式中，M 为总辐射度； 是斯蒂芬-玻尔兹曼常数[657 10-8 W/(m2K4 )]；T 为温度，K。由式(1)知道，增大发射率 可以使得总辐射度增加，因而在涂料添加具有高红外发射率的填料就能提高辐射度，由此可以进一步减少从室外传入室内的热流, 从而降低夏季电能的损耗。因此， 水性红外反射隔热弹性涂料的制备应从以下3个方面来考虑，即提高表面反射能力、提高红外热辐射以及绝热能力。涂膜通过反射外部太阳光的能量，并以红外辐射的方式在此波段内穿过大气红外窗口， 从而使物体降温，它是一种既具有反射又具有辐射的双功能涂膜。同时，在热量传递过程中， 使用含有中空结构的涂层将能起到绝热的作用，从而阻缓热流自外向内的传递，更好的达到降温节能的目的。2 试验部分21 系统组成211 乳液基于环保考虑，选取了水性乳液为涂料基料。试验比较发现， 纯丙和硅丙乳液在实际的应用和测试中具有较好的性能优势，而且资料表明，纯丙和硅丙对紫外-可见-近红外平均反射率较高，适宜做弹性红外隔热涂料。水性氟碳树脂成膜性良好， 对紫外-可见-近红外平均反射率也较高，同时有很好的耐候性和耐沾污性能，但成本较高，因此用作面层罩面剂，用来提高系统的耐候和耐沾污性能。212 颜填料颜填料对光的反射与其自身的折光系数有关。折光系数越大，光线的散射越强烈，无法穿透到涂层内部深处，因此吸收的热就少，反射的能量就多。而且颜填料与树脂的折光指数相差越大，涂料的反射率就越大。在选定树脂的情况下， 氧化铁红和二氧化钛是折光指数和遮盖力都比较理想的颜填料。部分颜填料的折光指数见表1。213 红外辐射粉体尽管涂层中基料会在太阳光下能吸收部分能量， 但是可以通过红外辐射方式把吸收的能量辐射出去而起到隔热作用。王金台[3]指出，在涂料中添加3%～4%质量的远红外粉体可以大大提高涂层的红外辐射能力， 使涂层的辐射系数达到088 以上， 加量超过5%时， 涂层的辐射系数开始下降。一般的红外辐射粉是以SiO2、A12O3为基料， 以Fe203、CuO、CoO 等为添加剂，经高温烧结、粉碎研磨而成的具有反型尖晶石结构的物质， 纳米级Fe2O3、MnO、氧化铟锡(ITO)、氧化锡锑(ATO)、氧化铝锌(AZO)都是优良的红外辐射材料，由于价格昂贵，很难在民用工业涂料中使用。刘成楼认为天然矿物粉中滑石粉、云母粉、硫酸钡、硅藻土等可以作为红外辐射粉的代用品， 它们在整个可见光区和近红外光区是透明和不产生反射的，而且不干扰其他颜料的性能，但它们对8 m～135 m 波段的吸收率较大， 当它们与TiO2混合使用时可以形成较理想的辐射降温涂层。214 配套柔性保温腻子考虑到玻璃微珠和陶瓷粉价格较高， 而且会对涂料有较大的增稠作用， 设计了以工业粉煤灰漂珠为填料的乳液型中层保温腻子用作阻断层，以阻断热量在系统中的传递。漂珠是粉煤灰的分选物， 量广价低， 它是一种密闭球体，导热系数较低，能在涂层中形成独立绝热腔体，热流在遇到漂珠后会出现分流，热流的传递路径变得复杂化，导致涂层的传热性能下降，有效降低辐射传热和对流传热，使涂膜具有一定的热绝缘性，从而阻隔热量传递。同时保温柔性腻子的使用不仅可以起到进一步释放基层形变应力， 抵制和遮蔽基层龟裂，又可填充基层细孔和缝隙，还可以阻止液态水向墙体内渗透、隔绝基层砂浆碱性成份向外迁移。22 施工工艺水性红外反射隔热涂料的施工如下：(1) 清理墙体基层，抹去浮灰和杂物。基层要求平整、坚固、无浮灰和油污，含水率10%。(2) 涂刷配套渗透性封底漆。(3) 在经封闭底漆处理的基层上满批柔性保温腻子，涂刮厚度视设计要求而定，涂膜越厚，保温隔热效果越佳，用于建筑物外墙保温隔热的柔性腻子一般不少于5 mm，分次涂刮成型，每次涂刮厚度以不超过3 mm 为宜。每次涂刮必须在上道涂刮层完全干燥后方可进行， 应尽量保持表面平整，柔性保温腻子最外层干燥后可选用400 目砂纸打磨。(4)红外反射隔热涂料面漆的施工可以选用毛刷、滚涂、机喷等方式，以平涂装饰效果为佳。(5)面漆养护24 h 后可进行水性氟碳罩面层的喷涂。罩面应均匀全面，不得局部漏喷。3 应用与分析经测试， 自制水性红外反射隔热涂料的太阳光反射比达到081，半球发射率达到085～087，这说明不仅该涂料的表面可以将81%以上的太阳能量反射到空间，而且能够将表面吸收能量的85%辐射到涂层外，由此可有效地避免在夏季太阳辐射时，引起保温材料外表面温度的急剧升高，从而阻止因剧烈温差产生的温差应力而可能导致的保温系统防护层和饰面层裂缝。许锦峰等根据实际测算，认为在夏热冬冷地区，如果外墙的传热系数设计限值为K= 15 W/m2K， 假如在东西山墙采用热反射涂料，可以取081 的修正系数，设计时K=15081=185 W/m2K，可适当减小保温层厚度；对于夏热冬暖地区，如外墙传热系数限值K=2 W/m2K，假如采用热反射涂料，可以取07 的修正系数，设计时K=207=28W/m2K，这样普通混凝土空心砌砖外墙即可符合相应的要求。以江苏地区为例，如果采用轻质外墙外保温系统，尽管普通外表面处理基本符合地区热围护结构的隔热要求，但夏季墙体内表面温度依然烘烤强烈，墙外表可达38 ℃甚至更高；通过采用红外反射隔热涂料，外墙的综合温度及其波幅将大幅度下降，墙体内表面温度基本消除烘烤感，墙外表温度基本维持在35 ℃左右。红外反射隔热涂料的应用，使得处于夏热冬冷地区(包括夏热冬暖地区)的建筑外围护墙体在整个夏季相当于处于多云的天气(天空云量在5-6 成)里，室内舒适度将大幅度提高。4 结语红外反射隔热涂料的应用对我国节能目标的实现具有重要意义， 系统在原料上采用防火性能较好的无机功能填料，集成反射、辐射、阻隔三种隔热效果，在实现工业固体废弃物的资源化利用的同时，实现了建筑节能，提高了该类资源的利用附加值，也提高了能源及资源的利用率，并实现了环境保护。实际应用表明， 水性红外反射隔热弹性涂料能显著降低夏季空调的制冷负荷， 可作为夏热冬冷以南地区的外墙保温饰面层， 也可在墙体采用发泡混凝土等自保温产品的时候， 通过隔热涂料的配套应用完全达到此类地区建筑外围护结构节能的要求， 这样就成功解决了现有外墙有机保温材料体系普遍存在的消防安全问题， 这样组合模式的外墙保温体系将随着建筑节能的全面展开和绿色建筑的推广而更加受到重视与推广。