反射隔熱涂料中填料應(yīng)用的物理學(xué)定性討論(共7頁)

1、前言各種國際氣候會議的召開，中國政府對溫室氣體限量排放的承諾，國內(nèi)媒體的反復(fù)報導(dǎo)，節(jié)能減排成為我們耳熟能詳?shù)脑~匯。為了響應(yīng)政府的號召，降低單位GDP的能耗，使得國民經(jīng)濟從粗放型增長向節(jié)約型增長過渡，社會的各個層面都動員起來，提出各自領(lǐng)域節(jié)能減排方案。作為占社會總能耗的三分之一的建筑領(lǐng)域，為此一直做著不懈的努力。于是各種新型節(jié)能建筑材料像雨后春筍一樣不斷涌現(xiàn)，比如建筑外窗用雙層玻璃，隔墻用加氣混凝土磚等等，而墻面上節(jié)能材料目前最有效的當屬外墻外保溫系統(tǒng)。傳統(tǒng)的聚苯板外保溫或者是現(xiàn)場噴涂發(fā)泡聚氨酯保溫層，除了施工麻煩外，還有消防安全隱患問題，因此不像前幾年那樣流行。巖棉材料保溫效果好，透氣性不錯，

2、防火性能也佳，但是其昂貴的造價，易透水性以及現(xiàn)場切割時的巖棉纖維對施工人員的職業(yè)傷害，都讓這個產(chǎn)品的大面積推廣受到抵制。筆者目前對市場的了解，發(fā)現(xiàn)聚苯顆粒外保溫開始回流到建筑工地上。從保溫的角度看，這不是一個好的方法，是一種淘汰的技術(shù)，是一種無奈的倒退?，F(xiàn)在很多房地產(chǎn)開發(fā)商為了能夠設(shè)計圖紙通過審核，施工得到許可，在滿足政府強制性節(jié)能要求的同時，希望建筑保溫成本增加較少，施工簡便，又能夠達到要求，于是反射隔熱涂料便成了最佳的選擇。按照常識理解，150微米干膜的反射隔熱涂料要想達到4厘米厚發(fā)泡苯板同樣的保溫效果是不可能的。但是考慮到夏天的太陽輻射最強，夏天的建筑能耗最大，涂料在建筑的最外層可以有效

3、的反射夏季太陽的輻射。中國幅員遼闊，南北地區(qū)夏季的溫差不大，冬天的溫差卻比較的懸殊，因此反射隔熱涂料在南方地區(qū)，在夏天是可以發(fā)揮出非常積極的作用的。本文著重從理論上解釋為什么反射隔熱涂料可以降低建筑能耗，以及如何開發(fā)出高效率的反射隔熱涂料。國標介紹國家層面先后頒布了建筑用反射隔熱涂料GB/T25261-2010和建筑反射隔熱涂料JG/T235-2008等標準。標準的名稱不盡相同，頒布單位也各不一樣，有發(fā)改委的和住建部的，標準中涂料技術(shù)指標參照也各不相同，比如說有的參照了普通外墻的耐候性標準，有的參照了外墻彈性涂料標準，要求測試常溫彈性，低溫彈性以及老化后彈性。但是最核心的兩個指標還是關(guān)于太陽反

4、射比和半球發(fā)射率，目前對這兩個指標的要求都是大于0.8。而對于涂料的導(dǎo)熱系數(shù)不作為強制檢測指標，只作為推薦測試指標，導(dǎo)熱系數(shù)當然越低越好，但是它在反射隔熱涂料中發(fā)揮的作用遠不及前面兩個指標。建筑涂料基本包括(boku)四類成分，樹脂基料、顏填料、各種助劑、水和助溶劑等。提高太陽反射比和半球發(fā)射率，能夠發(fā)揮反射隔熱效果的主要還是顏填料，其他成分幾乎沒有影響。所以本文著重討論顏填料在反射隔熱涂料中的作用。反射隔熱涂料有比較低的導(dǎo)熱系數(shù)，因此從涂料的表面到最底層的溫度梯度是比較大的，而且同質(zhì)量比例的空心玻璃微球吸油量相當大，也需要成膜物質(zhì)具有一定的彈性來抵消由此引起的涂料顏填料體積比PVC的增高。因

5、此建議我們的涂料企業(yè)盡量使用彈性乳液，按照彈性涂料的標準做常規(guī)的測試。太陽反射比現(xiàn)在的關(guān)鍵問就是如何提高建筑涂料的太陽反射比和半球發(fā)射率。先來談下太陽反射比，太陽是我們地球生命的能量源泉，給我們送來的光和熱，太陽是一個巨大的火球，準確的講是一個不停的在發(fā)生熱核反應(yīng)的火球，兩個氫原子聚合成氦原子同時釋放出巨大的能量。太陽表面的溫度高達6000度，幾乎釋放出全波段的電磁波。我們?nèi)祟惸軌蛑庇^感受到的就是可見光，下圖大家比較熟悉了，就是太陽的輻射能隨波長的分布圖。特定波段下方的面積代表該波段電磁波在太陽輻射中的比例。從該圖我們可以了解到，波長從0.76微米到400微米的紅外線波段占太陽能量的比重最大，

6、接近50%，可見光占40%左右，而波長小于0.4微米的紫外線只有不到10%。我們先引入兩個概念：吸收比，被物體吸收的能量與入射的能量之比稱為該物體的吸收比，用a表示。反射比：反射的能量與入射的能量之比稱為該物體的反射比，用r表示。理論上講a+r=1，因為需要滿足能量守恒。因此如果能夠把太陽中的紅外線和可見光盡可能多的反射到空氣中，即提高反射比a，涂料往建筑物中傳導(dǎo)的熱量就減少，即r=1-a。圖1：太陽輻射能隨波長的分布曲線，實線是大氣上界的太陽輻射光譜； 虛線是溫度在6,000K時的黑體輻射光譜。從三個常識我們來闡述下如何提高反射隔熱涂料的太陽反射比。第一、我們知道夏天穿著白色或者淺色的衣服要

7、比穿著黑色或者深色的衣服涼快。我們之所以能夠感受到物體的顏色，是因為物體把自然光中和自身顏色一致的可見光反射出去，而把其余顏色的可見光吸收了，如果物體把全部的可見光都反射了，我們看到物體就是白色的，如果把全部可見光都吸收了，我們看到的物體就是黑色的。我們可以說深色的涂料具有較高的吸收比，或者說有較低的反射比。因此我們的反射涂料必須是淺色的（外墻涂料純白色的較少），否則就沒有意義。第二、我們知道天空的顏色是藍色的，因為太陽光在經(jīng)過大氣層的時候，由于可見光中的藍光紫光波長和空氣中的氮氣分子和氧氣分子的粒徑接近，因此在透過大氣層的時候藍光紫光被氮分子和氧分子散射了。天空的藍色只是在低空才能看見，隨著

8、高度的增加，由于空氣越來越稀薄，大氣分子的數(shù)量急劇減少，分子散射出的光輝逐漸減弱，天空的亮度越來越暗，到20千米以上的高度，散射作用幾乎看不出來，天空就成黑色的了。我們可以得出結(jié)論，尺寸和電磁波波長接近的障礙物對于該波長附近的電磁波有最大的散射反射作用。如果我們的涂料中有粒徑和紅外線波長比較接近的顏填料，涂料的太陽反射比自然也可以得到提高。第三、我們知道玻璃房有溫室效應(yīng)，所謂溫室效應(yīng)，即玻璃可以透過輻射較短的可見光，而玻璃房內(nèi)物體被可見光加熱后，向外發(fā)射紅外線的時候，卻被玻璃給阻擋，于是玻璃房內(nèi)的溫度會越來越高。因此從物質(zhì)材料的特點而言，玻璃會具有較高的紅外阻擋效應(yīng)。反射隔熱中的顏填料包括鈦白

9、粉、鐵紅、鉻黃等各種顏料，以及碳酸鈣、高嶺土、滑石粉和硫酸鋇等普通填料，也包括空心玻璃微珠和實心陶瓷微珠等功能性填料。鈦白粉作為基本的白色顏料是必不可少，一方面白色可以反射所有的可見光，對于紅外線也有一定的反射性。鈦白粉作為主要的遮蓋力顏料，可以防止可見光穿透涂層。在各種顏色當中，除了白色外，黃色系和藍色系等明度較高的色系具有較高的太陽反射比，而紅色系和灰黑色系有較低的太陽反射比。在普通的體質(zhì)填料中，硫酸鋇具有最好的反射比，其次是高嶺土重鈣等，同種類的體質(zhì)填料中，粒徑越小白度越高的填料有較高的太陽反射比。空心玻璃微球由于其玻璃材質(zhì)，有較好的紅外阻隔效應(yīng)，玻璃對于太陽光也有較強的反射作用，加之其

10、空心結(jié)構(gòu)用在涂料中有較好的降低導(dǎo)熱系數(shù)的作用。實心陶瓷微球由于其規(guī)則的正球形狀，且粒徑范圍剛好覆蓋了近紅外電磁波，能夠較好的散射入射的電磁波，對于提高太陽反射比也有一定的作用。以上都可以作為反射隔熱涂料中的顏填料，關(guān)鍵在于如何配比。半球發(fā)射率下面再談?wù)劙肭虬l(fā)射率，國標中是這么定義半球發(fā)射率的：熱輻射體在半球方向上的輻射出射度與處于相同溫度的全輻射體（黑體）的輻射出射度之比值。相比較太陽反射比，半球發(fā)射率的定義較為費解。先介紹幾條物理學(xué)知識，第一、所有溫度在絕對零度（零下273度）以上的物體都會往外發(fā)射電磁波。微觀解釋可以理解為絕對溫度是物體分子熱運動的表現(xiàn)，有分子熱運動就有電磁波的發(fā)射?？梢杂?/p>

11、幾萬度高溫的物體，但是沒有絕對零度以下的物體。任何物體都在不停往外發(fā)射電磁波而失去能量，同時也在接受其他物體發(fā)射的電磁波而獲得能量，最終會達到一個動態(tài)平衡，于是物體的溫度不再發(fā)生變化。第二、什么是黑體。所謂黑體是指物體能夠吸收外來的全部電磁輻射，并且不會有任何的反射與透射。換句話說，黑體對于任何波長的電磁波的吸收系數(shù)為1。但黑體不見得就是黑色的，即使它不反射任何的電磁波，但是它可以發(fā)射電磁波，不反射電磁波和不發(fā)射電磁波完全是兩個概念。如果這些電磁波是可見光，就會被我們?nèi)搜鬯煊X，在室溫下，黑體放出的基本為紅外線，但當溫度超過500度后，黑體開始放出可見光，根據(jù)溫度的升高過程，分別變?yōu)榧t色，橙色

12、，黃色，藍色。當黑體發(fā)射出全部可見光波段電磁波的時候，就變?yōu)榘咨?。太陽的輻射分布曲線就接近6000K的黑體輻射曲線。第三、什么是輻射出射度。輻射能Q是物體以輻射形式發(fā)射的電磁波能量，單位：焦耳（J）。輻射功率P是單位時間內(nèi)發(fā)射的輻射能，單位：瓦特（W）。輻射出射度E是輻射體單位面積在單位時間內(nèi)向半球空間發(fā)射的輻射能，單位：瓦每平方（W/）。 輻射出射度是一個有單位的物理學(xué)數(shù)值，但是孤立的看這個數(shù)值沒有意義，必須引入一個能夠客觀反映物體輻射能力強弱的參數(shù)，半球發(fā)射率。第四、為什么黑體的半球發(fā)射率為1。在一定溫度下的黑體必然是熱平衡的物體，而黑體又能夠吸收全部入射電磁波，為保持該溫度或者說保持能量

13、守恒狀態(tài)，黑體必然把吸收電磁波獲得的能量全部以發(fā)射電磁波的形式釋放出去。因此也可以認為黑體是同溫度條件下發(fā)射電磁波能力最強的物體。我們衡量物體半球發(fā)射率的高低，或者是往外發(fā)射能量能力的強弱，就以該條件下，物體在半球方向上的輻射出射度與處于相同溫度的黑體的輻射出射度之比值，即我們國標中對半球發(fā)射率的定義。黑體的半球發(fā)射率是自身輻射度的比值，它的半球發(fā)射率當然是1。介紹了這么多的物理學(xué)知識，再回到我們的反射隔熱涂料上來。我們的目標就是反射隔熱涂料單位面積單位時間的輻射能量Q最大，即輻射出射度E最大。根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律以及基爾霍夫輻射定律（具體過程這里不再推導(dǎo)）我們可以推導(dǎo)出如下公式：E= e

14、 * Eb = e * T4E代表物體單位面積的能量輻射功率，即輻射出射度e代表物體的發(fā)射率，Eb代表該溫度下的黑體的輻射出射度代表斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，T代表絕對溫度（T=t+273）從這里我們可以發(fā)現(xiàn)物體輻射能量的能力E和自身的發(fā)射率e有關(guān)系，還和當前條件下的絕對溫度T的四次方有關(guān)系，因此提高物體表面的溫度T對于提高物體的輻射出射度E最有意義。另外物體的總能量發(fā)射功率還和物體自身的面積有關(guān)，我們前面的論述一直是強調(diào)單位面積，面積越大輻射能越大，輻射功率也越大。因此我們要開發(fā)具有優(yōu)異輻射功率的涂料，就要求涂料：a包含具有較高發(fā)射率e的材料，b涂料在墻體表面的溫度T較高（尤其具有意義），C增加

15、涂料和空氣的接觸面積S。物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。一般認為非金屬材料比金屬材料有較高的發(fā)射率，粗糙表面比光滑表面有較高的發(fā)射率。陶瓷材料具有較高的紅外線發(fā)射率，市場上經(jīng)?？梢钥吹礁鞣N陶瓷的紅外線保健產(chǎn)品，都是宣傳陶瓷的紅外線發(fā)射率較高。因此建議反射隔熱涂料的面漆中能夠增加些陶瓷微球。如何提高反射隔熱涂料的表面溫度，個人建議在反射隔熱涂料的體系中區(qū)分中涂和面漆，而非采用同種面漆涂兩遍的方式。反射隔熱涂料體系中的底漆和普通外墻涂料或者彈性涂料用的底漆一樣，為了增加基材對中涂和面漆的附著力，封閉來自水泥抹灰層的氫氧化

16、鈣。中間涂層盡量使用導(dǎo)熱系數(shù)低的填料，比如說低密度的空心玻璃微球。根據(jù)經(jīng)驗物體的密度越低，其導(dǎo)熱系數(shù)越低，因此建議增加低密度的空心玻璃微球的添加比例可以降低涂料的密度從而降低涂料的導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)低的中間涂層其意義不在于減緩面漆中熱能往墻體的傳導(dǎo)，而在于保持面漆有較高的溫度，從而提高面漆的半球發(fā)射率。增加單位平方面漆在空氣中的面積也可以提高面漆的輻射能力，從而提高涂料輻射能量的能力。拉毛涂料具有比普通平涂涂料有更多的表面積，表面粗糙度較高的涂料，或者說光澤低的涂料比表面光滑的涂料或者光澤度高的涂料具有較高的表面積，從而具有相對較高的發(fā)射率。建議配方討論介紹了那么多的物理學(xué)知識，回到反射隔熱涂

17、料上來，筆者分別給出反射隔熱涂料中涂和面涂的建議配方。我們結(jié)合具體配方再進一步討論。反射隔熱涂料面漆 反射隔熱涂料中涂原材料名稱 百分比 數(shù)量 原材料名稱 百分比 數(shù)量水 0.2 200 水 0.22 220丙二醇 0.01 10 丙二醇 0.01 10消泡劑 0.001 1 消泡劑 0.001 1分散劑 0.006 6 分散劑 0.006 6潤濕劑 0.001 1 潤濕劑 0.001 1鈦白粉706 0.15 150 鈦白粉706 0.1 100陶瓷微球W-210 0.1 100 重鈣 0.1 100空心玻璃微球im16K或VS5500 0.08 80 硫酸鋇/高嶺土 0.04 40 彈性乳

18、液 0.4 400彈性乳液 0.4 400 空心玻璃微球S15 0.15 150消泡劑 0.001 1 消泡劑 0.001 1罐內(nèi)防腐劑 0.001 1 罐內(nèi)防腐劑 0.001 1干膜防霉劑 0.004 4 干膜防霉劑 0.004 4PH調(diào)節(jié)劑 0.002 2 PH調(diào)節(jié)劑 0.002 2增稠劑 0.004 4 增稠劑 0.004 4 1 1000 1 1000以上配方是以彈性外墻涂料的基礎(chǔ)上做了修改，增加了功能性填料。面漆中選擇粒徑為0.36微米的杜邦706鈦白，對高能量的藍色可見光有較好的反射。3M的陶瓷微球和空心玻璃微球都是正球形的結(jié)構(gòu)，對于各個方向的輻射過來的紅外線電磁波都有較好的反射散

19、射作用，選擇粒徑范圍1-9微米的W-210和平均粒徑只有20微米的im16K，也是因為在各自產(chǎn)品系列當中這兩種產(chǎn)品的粒徑最小，可以反射入射電磁波中波長較短頻率較高能量較大的近紅外部分電磁波。這點從太陽的輻射能波長分布曲線上也可以看出，波長越短的紅外線占太陽能量的比值越高。另外陶瓷微球還有較高的紅外發(fā)射率，起到增加涂料半球發(fā)射率的作用?？招牟Ａ⑶騣m16K有較低的密度0.46，和較高的強度120Mpa，無論是在涂料的分散中和噴涂施工中都不易破碎，對于漆膜表面要求高的面漆，20微米平均粒徑的微球可以表現(xiàn)出良好細膩的漆膜，而對于漆膜表面粗糙度要求不高，或者需要粗獷風格的反射隔熱面漆，密度0.38平

20、均粒徑45微米的空心玻璃微球VS5500也是不錯的選擇。普通體質(zhì)填料的選擇中，硫酸鋇相對于其他填料來說有較好的反射比，但是由于硫酸鋇的自身密度較大，在配方中容易沉降，也可以用白度較高的高嶺土予以替換。不同顏填料的組合也有利于涂料遮蓋力的提高。美國3M特種填料（注冊商標Scotchguard）產(chǎn)品類別 產(chǎn)品型號 強度MPa 密度g/cc 平均粒徑um 主要應(yīng)用空心玻璃微球 K1 1.72 0.125 65 推薦im16K用于反射隔熱涂料面漆，粒徑超細因而漆膜細膩，有較高的反射系數(shù)。S15粒徑小且導(dǎo)熱系數(shù)極低，推薦用于反射隔熱涂料中涂，保溫膩子等建材。VS5500用于環(huán)氧或不飽和聚酯等熱固性樹脂填

21、充，SMC、BMC等復(fù)合材料，高強度系列的微球用于熱塑型塑料的減重，中等強度的用于橡膠和彈性體的填充減重，低強度的用于代木、塑木材料的填充減重。S15 2.07 0.15 55 K20 3.45 0.2 65 K25 5.17 0.25 55 VS5500 37.9 0.38 40 K46 41.34 0.46 40 S60HS 124.04 0.6 30 im16K 113.7 0.46 20 im30K 193 0.6 18 實心陶瓷微球 W-210 413.41 2.4 19 反射隔熱面漆，高半球發(fā)射率，UV涂料卷鋼涂料抗刮擦W-410 413.41 2.4 115 透明度高，水性、油性

22、或UV光油消光，汽車原子灰W-610 413.41 2.4 128 內(nèi)墻乳膠漆超耐洗刷，環(huán)氧地坪，高抗磨涂料配方中各顏填料的比例搭配，對于反射比和發(fā)射率也有影響。建議配方中也只是根據(jù)筆者的經(jīng)驗給出的建議比例，具體效果的驗證還需要工程師根據(jù)自己的測試結(jié)果作調(diào)整。在選擇顏色體系的時候，盡量使用淺色系，顏色上也盡量選擇色彩明度較高的黃色系和藍色系等，減少碳黑和紅色系的選擇。現(xiàn)在有國外的進口顏料，在滿足顏色著色力的基材上，能夠有較高的紅外發(fā)射率，但是價格比較高。在中涂配方中，配方主要還是考慮降低涂料的密度，從而降低導(dǎo)熱系數(shù)?？招牟Ａ⑶蛳盗挟a(chǎn)品中，S15具有0.15的密度，且55微米的平均粒徑在同規(guī)格

23、的空心玻璃微球中也算是(sunsh)比較小的，可以在較少添加量的前提下較明顯的降低涂料的密度，使涂料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)。但是要注意由于S15密度低，玻璃微球壁薄抗壓強度低，在分散的時候可以放到乳液后面添加。鈦白粉仍然是必不可少的，只是數(shù)量可以適當下降，一方面可以降低成本，另一方面留出空間用于增加空心玻璃微球的用量。重質(zhì)碳酸鈣在配方中主要還是起到體質(zhì)填料的作用，填充空心玻璃微球之間的空隙。由于同質(zhì)量的空心玻璃微球具有極大的吸油量（同體積的空心玻璃微球卻具有極小的吸油量，有興趣的朋友可以自己思考下），中涂配方中的乳液含量也不能夠太少，和面漆中彈性乳液的用量一致?？偨Y(jié)建筑用反射隔熱涂料側(cè)重于反射，而

24、非隔熱，所以開發(fā)配方的思路不是以降低涂料的導(dǎo)熱系數(shù)，而是以提高涂料的太陽反射比和半球發(fā)射率。其中面漆擔負著最大程度反射太陽光的全波段電磁波，特別是占太陽輻射能量近50%的紅外線部分，并且要把自身吸收太陽輻射的能量盡可能向大氣中發(fā)射，而非傳導(dǎo)到建筑中。中涂主要是降低涂料的導(dǎo)熱系數(shù)，增加涂層的厚度，并且在部分涂裝體系中起到造型的藝術(shù)效果。乳液的選擇上盡可能選擇彈性乳液，一方面涂層自身較厚，比較普通外墻涂料或者彈性平涂更易開裂，另一方面空心玻璃微球較高的吸油量，會比其他填料消耗更多的乳液，較明顯的溫度梯度也需要乳液具有相當?shù)膹椥?。面漆的顏色選擇淺色系，特別是淺黃色和藍色系，有條件的可以選用具有紅外發(fā)射功能的進口顏料。顏填料的搭配上，以小粒徑的鈦白粉為主，輔以反射系數(shù)較高的空心玻璃微球和實心陶瓷微球，且選擇粒徑相對較小的型號im16k和W-210，因為可以更多的反射波長較短頻率較高能量較大的電磁破。空心玻璃微球和陶瓷微球微觀上都是正球形結(jié)構(gòu)，對于太陽從各個入射角度的輻射都有較好的反射比。陶瓷微球由于自身材質(zhì)的因素，對于紅外線有比較好的發(fā)射效果，配方中高目數(shù)的硫酸鋇或者高嶺土能夠配合鈦白粉填充微球之間的空隙，且