在我國,建築能耗(建築物在整個生產和使用過程中的能耗)連同其維護結構材料生產能耗已占到全國能耗總量的30%左右。伴隨著我國城市化建設的推進,建築能耗在能耗總量中所占的比例也將持續增加,建築節能(指在不降低建築物使用功能的前提下,提高建築中的能源利用效率,降低建築能耗)將成為提高社會能源使用效率的首要任務。建築節能材料中隔熱保溫塗料因經濟、使用方便、環保和節能效果好等優點而越來越受到人們的青睞,發展前景光明。
建築隔熱塗料及其分類:
塗刷在建築物表面能起到隔熱保溫作用的塗料稱為建築隔熱塗料。建築隔熱塗料根據隔熱機理和隔熱方式的不同被分為阻隔型隔熱塗料、反射型隔熱塗料和輻射型隔熱塗料3類。這3類塗料的隔熱機理不同,應用場合和效果也各不相同。
阻隔型隔熱塗料
阻隔型隔熱塗料是通過對熱傳遞的顯著阻抗性達到隔熱目的的塗料。熱傳遞是通過對流、輻射及分子振動熱傳導3種途徑來實現的。材料導熱係數的大小是其隔熱性能的決定因素,材料導熱係數越小,隔熱性能就越好。這種類型的塗料通常以表觀密度小、內部結構疏鬆、氣孔率高以及含水率小的材料作為輕骨料。依靠黏結劑的作用使其結合在一起,直接塗抹於設備或者牆體的表面達到隔熱的效果。
阻隔型隔熱塗料原材料易得,生產設備簡單,投入少、產出大,施工方便。其缺點是對降低對流和輻射傳熱效果差且保溫層較厚,吸水率高,不抗振動,使用壽命短。此類隔熱塗料只能減緩熱量傳遞的速度,不能減少熱量的傳遞,經過長時間的太陽光照射依然會使室內溫度上升,同樣,當室內溫度高於室外溫度時,也會通過熱傳導的方式將熱量傳遞出去,因此這類隔熱塗料只適用於冬季寒冷,且溫度偏低時間較長、夏季高溫時間較短的地區。
反射型隔熱塗料
反射型隔熱塗料是通過選擇合適的樹脂、金屬或金屬氧化物顏填料及生產工藝來製得高反射率的塗層反射太陽熱,以達到隔熱的目的。通過將部分光和熱反射出去,防止熱量通過塗膜傳導至室內,引起室內溫度升高。
反射型隔熱塗料與各種基材附著力好,耐候性強,一般所用的溶劑無刺激性氣味,大大減少了施工對環境的影響,且隔熱效果較阻隔型隔熱塗料明顯。但其隔熱性能與塗膜表面平整度有很大關係,塗膜表面越光滑,隔熱效果越好,同時,隔熱效果與塗膜厚度也有一定的關係,且在一定的厚度範圍內,塗膜反射率隨著塗膜厚度的增加而提高。此類保溫隔熱塗料隔熱效果明顯,保溫效果較差,對於冬季寒冷天氣較短,夏季酷熱天氣較長的地區效果最好。
輻射型隔熱塗料
輻射型隔熱塗料是通過輻射的形式把建築物吸收的太陽光和熱量以一定的波長發射到空氣中,從而達到良好的隔熱降溫效果。輻射型隔熱塗料不同於阻隔型隔熱塗料和反射型隔熱塗料,因為後兩者只能減緩但不能阻擋熱量的傳遞。當熱量緩慢地通過隔熱層和反射層後,內部空間的溫度緩慢地升高,此時,即使塗層外部溫度降低,熱能也只能困陷其中。而輻射型隔熱塗料卻能夠以熱發射的形式將吸收的熱量輻射掉,從而促使室內與室外以同樣的速率降溫,所以也適用於夏季酷熱天氣較長的地區。
輻射型隔熱塗料由於原材料的選取和燒結工藝比較複雜,要想達到穩定的發射率還需進一步地深入研究。由於這類塗料成本較高,所以在建築物上的應用也較少。
建築隔熱塗料的發展及研究現狀:
近幾年,國內外建築塗料無論從品種、規模應用、質量水平還是研究水平方面都有了很大的發展,建築塗料是國外塗料中產量最大的一種。美國建築塗料占塗料消費量的50%以上;日本建築塗料產量占塗料產量的40%左右;2008~2010年,我國建築塗料產量連續3年達到20%以上的增長率。2009年,我國塗料總產量達755.44萬t,首次躍居世界第一,2011年,全國塗料總產量首次突破千萬噸大關,其中,內外牆塗料占塗料總產量的36%左右,如果加上地坪塗料、防水塗料等,建築塗料產量占到46%左右。從目前的發展勢頭來看,今後幾年建築塗料消費市場將保持較高增長速度,前景廣闊,而建築隔熱塗料將是今後的發展方向。
國外研究現狀
在國外,隔熱塗料的研究報導較多,研究也比較深入,已有大量文獻和應用情況的報導。N.M.Nahar等人在對乾旱地區太陽光的冷卻技術進行研究後發現,塗有反射塗層的測試室內的溫度比未塗反射塗層的測試室內的溫度低得多。R.Neil採用馬來酸二丁酯-乙酸乙烯共聚物為成膜物質,通過加入一種GeramicSul32珠光隔熱劑製得了隔熱性優良的水性隔熱塗料。M.J.Wang研究了複合粉體的性能,他們在氧化鋯陶瓷球表面包覆一層緻密的矽酸鉀,並測試了複合粉體的散射率以及反射率,研究表明,光的散射率和反射率與包覆層的厚度和陶瓷球的大小有關。
製備的複合粉體與相同尺寸的金紅石型氧化鈦顏料以及通用的陶瓷球相比具有更加優異的效果。美國太陽能集團公司的研究人員宣稱,他們研製出一種隔熱塗料,其隔熱效果是標準金屬薄膜的85%~95%,用於樓頂層房間,室內溫度可降低5.5~14.5℃,也就意味著可以節約8%~12%的空調費,而在冬季,它可以阻止熱輻射流逸出屋外,這樣就又可以節約1%~2%的取暖費用。美國專利US6017981開發出一種紅外反射塗料,是以水稀釋型丙烯酸樹脂為基料,鈦白粉、鉻黑、鐵紅等為顏料,滑石粉、雲母粉等為填料組成,塗於白色底漆上形成干膜厚45μm的塗層,對1200~2000nm紅外線的反射率大於50%。
我國研究現狀
我國建築保溫隔熱塗料是在20世紀80年代末開始發展和應用的,當時主要研製應用於一些形狀不規則的高溫管道、設備表面的保溫隔熱塗料。
矽酸鹽複合保溫隔熱塗料具有來源廣,耐高溫等優點,是最早發展起來的。到90年代,人們在矽酸鹽複合保溫隔熱塗料的基礎上開發了用於內牆牆面的隔熱塗料,並根據內牆牆面的環境情況,改變了基料以無機類材料為主的情況,而是採用聚乙烯醇縮醛膠、合成樹脂乳液等有機基料為主的膠黏材料,有的塗料用有機材料代替了無機粗質輕填料。
建築隔熱塗料的發展趨勢:
據中國報告大廳發布的《2013-2018年中國建築塗料市場深度分析報告》顯示,近年來,建築塗料業發展迅速,隨著有機高分子樹脂合成技術和納米材料技術的發展,伴隨高科技的應用,新的品種不斷地被開發出來,從整個塗料的發展來看,顯現出以下幾種發展趨勢。
(1)向著施工方便的方向發展。傳統的施工方法需要反覆塗抹才能達到一定的厚度,浪費大量的時間,為此,如何研發出方便施工,一次塗抹即能達到一定厚度的塗料將是建築塗料研究的重點。
(2)向環保型塗料方向發展。由於環保法規的日益嚴格,以及人們生活水平的不斷提高,人們對塗料的要求也在不斷提高,環保型塗料將是建築塗料的重點發展方向。水性塗料以水為溶劑,幾乎不含有毒物質,粉末塗料完全不用溶劑,是一種既節省資源而又無毒無污染的建築塗料新品種。
(3)向複合型隔熱塗料方向發展。綜合反射型、輻射型、阻隔型隔熱塗料的優點,研發出多種隔熱機理綜合作用的建築隔熱塗料,這也是未來隔熱保溫塗料的發展方向。
(4)合成樹脂塗料將獲得越來越廣泛的應用。在合成塗料中,醇酸塗料和氨基醇酸塗料的使用比例正逐漸縮小,而質量較高的丙烯酸塗料、環氧樹脂塗料、聚氨酯塗料及各種水溶性樹脂塗料呈增長趨勢,油性塗料目前正面臨被淘汰的絕境,所以開發性能優異的樹脂仍是廣大研究人員面臨的難題。
(5)多功能性建築塗料越來越受到重視。建築隔熱塗料除了對建築物具有保溫隔熱作用外,還應有其它附加功能,如塗料的防水防滲功能、高耐污功能、防碳化、防霉、殺菌、抗靜電、防火阻燃、隔聲等功能。
雖然近幾年我國建築塗料發展迅速,但我們也要看到存在的問題,例如對於建築隔熱塗料的性能指標以及隔熱性能的測試,國家尚無相應的評價標準。標準規定的關鍵指標僅僅是太陽反射比(也稱反射率)和半球發射率,因而對於塗料隔熱效果的評價有待制訂完整的評價標準。
還有,對於外牆隔熱保溫塗料,目前研究較多的是反射型建築隔熱塗料,並且已得到了產業化,但由於在紅外輻射原理和測試手段方面存在理論缺陷,目前紅外輻射型隔熱保溫塗料還處於實驗室研究階段,實際應用不多,所以實際應用性研究也將是我們研究的熱點。
總之,隨著科學技術的飛速發展,人們對隔熱機理將有更深入的研究,發現更多的新型隔熱材料,隔熱塗料將朝著更加多元化的方向發展,大力發展建築隔熱節能塗料及相關技術具有廣泛的應用前景。