太阳热反射隔热涂料

JIANGSUUNIVERSITY反射隔热涂料研究进展及应用学院名称：京江学院专业班级：J高分子1001学生姓名：习伟文学号：4121126036指导教师：莫小娟2011年12月反射隔热涂料研究进展及应用摘要：综述了国内外反射隔热涂料的最新研究进展。阐述了其隔热保温的作用机理，并分析了影响其隔热保温效果的相关因素。介绍了其工程应用情况和发展前景。关键词：反射隔热涂料；隔热性能影响因素；研究进展引言：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1.77×1017J/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]故对新型节能材料的需求日益增加。反射隔热涂料是近年来发展起来的一种新型节能材料，通过有效地反射，阻隔、辐射太阳光的能量，能明显降低建筑物外墙、屋顶和室内温度，降低空调等制冷设备在高温条件下的能耗，既改善了工作环境又节约了大量的能源[2]1反射隔热涂料的作用机理太阳光热辐射按波长不同可划分为3个部分：各部分在总能量中所占的比例是不同的，见表1太阳光热能主要集中在波长为400-2500nm的太阳光热能主要集中在波长为500nm时太阳光热辐射最强[3]，从表1可以看出，可见光和近红外光辐射占太阳光总能量的95%，所以隔绝了可见光和近红外光就可以使太阳照射下的物体变得凉爽，降低空调制冷的费用。但在设计时由于受外观的限制，不可能使整个可见光反射光谱曲线的反射比同时达到最大，所以通过使可见光的反射比最大化来降低太阳辐照下物体的温度不是行之有效的途径。但是在不影响外观的情况下，通过使近红外反射比最大化可明显地降低太阳辐照下物体的温度.近红外热辐射占太阳总辐射的50%所以抑制了近红外热辐射，就可以隔绝大部分热辐射的能量[4]太阳热反射隔热涂层是一种对近红外辐射具有显著反射作用的功能型涂层,这种涂层一般是将对近红外辐射具有反射功能作用的粒子,通过辊涂、刷涂、喷涂或刮涂的方法涂覆到基质上，它不需要消耗能源就能将辐射到物体表面的近红外热辐射、反射或散射到外部空间，从而降低热辐射下被覆空间或物体的表面及内部环境温度。太阳热反射隔热涂层作用示意见图12影响隔热性能的主要因素对于硬质基（如金属、墙体等），一般是直接将太阳热反射隔热涂料涂覆在基材表面上而起隔热作用的，较少考虑基材对隔热性能的影响，因此影响这类涂层隔热性能的主要因素有树脂和功能填料的种类、粒径分布、用量及涂层厚度。对于软质基（如织物等)，一般是将太阳热反射隔热涂料涂覆在织物上，然后再用这种涂层织物制成各种篷布或篷盖覆盖在物体表面上起隔热作用，所以影响其隔热性能的主要因素除包含以上几种外，基布的影响也是必须考虑的。2.1树脂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照射，因此，环氧树脂、芳香族聚氨酯树脂等不宜用作基料树脂，而大部分树脂，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（树脂分子中尽量少含C-O-C、C=O、-OH等吸能基团）。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、符合环保要求的无溶剂聚氨酯、硅丙乳液、水性聚氨酯、水性氟树脂等成为反射隔热涂料的首选树脂。2.2颜填料的影响涂层的热辐射率取决于颜填料折光指数（n1与树脂折光指数（n2）的比值（n1/n2）、涂层厚度、颜填料粒径d、颜填料纯度以及颜料体积浓度（PVC）等。2.3颜填料光学性质的影响当颜填料的折光指数与基料的折光指数相等时，涂料是透明的；当颜填料的折光指数大于基料的折光指数时，涂料就有了遮盖力。涂料的遮盖力F取决于颜填料和基料折光指数之差，见如下公式（1）计算。公式1物体对光的反射包括全反射和散射，涂层中颜填料对光的反射主要以散射为主。颜填料折光指数与树脂折光指数的比值（n1/n2）为颜填料对太阳光的散射能力m。m值越大，散射能力越强。颜填料遮盖力越强，散射能力越强。2..3颜填料粒径的影响颜填料粒径与反射入射光的波长有关，对应于最大反射的颜填料粒径可用式（2）计算公式2式中：d—颜填料粒径；n1—基料树脂的折光指数；m—颜填料散射能力；λ—入射光波长。当颜填料粒径与入射光波长比（d/λ）为0.1~10时，表现为菲涅耳型反射，对温控有利；当d/λ0.1时，表现为瑞利散射，对温控无效。根据上述分析，颜填料粒径大，对反射太阳热辐射有利，最小粒径不应小于0.02μm。但是颜填料粒径过大，涂膜表面粗糙，孔隙多，易沾污，会导致表面反射能力下降，因此，应有一个合适的粒径搭配，使涂膜既有良好的反射能力，又有良好的耐沾污性，使涂膜表面保持平整光滑。2.4颜填料辐射性能的影响通过选择合适的树脂、颜填料及设计合理的配方，可以将大部分（85%以上）太阳辐射能反射出去，但仍有一部分会被涂层吸收，被吸收的这部分热量可以通过传导向内传递。这部分热量会不断积累，若不通过其他方式排除掉，也会引起涂层及涂层下物体温度不断上升。传导是通过分子振动传递热量的方式，分子振动产生电磁波，因此，涂层所吸收的热量一部分会以电磁波——红外光的方式辐射出去。金属氧化物，如Fe2O3、MnO2、Co3O2等掺杂形成的具有反尖晶石结构的物质有高红外光发射率，可作为隔热节能涂料的填料。3反射隔热涂料的研究进展3.1国外研究进展国外反射隔热涂料的起步较早，研究也较为深入，取得了很大的进展。20世纪40年代，美国AlexanderSchwartz等人在多层铝膜之间引入导热系数低的空气，制成复合材料，开发出了新型的反射隔热组合系统，揭开了反射隔热涂料的新纪元。70年代末期，随着科学技术的快速发展，辐射隔热和反射隔热技术取得了巨大的进步。N.M.Nahar[5]等人干旱地区太阳光的冷却技术进行研究后发现，涂有反射涂层的测试室内的温度比未涂反射层的测试室内的温度低得多。采用马来酸二丁酯-乙酸乙烯共聚物为成膜物[6]，通过加入一种CeramicSil32珠光隔热剂，制得了隔热性能优良的水性隔热涂料，具有高效的节能性能和环保性能。近20余年来，使被涂物在太阳光辐照下温度降低的各类涂料研究十分活跃。有代表性的如美国盾牌（Thermo-shield）节能涂料，用于航天飞机的隔热保温。该涂料中含有极细的陶瓷泡，对太阳光有较高的反射率，且成膜后陶瓷泡紧密排列形成完整的隔热层。这类涂料可使被涂物（如房屋）内部温度大大降低，明显减少空调费（节能约40％)，同时兼有较好的防蚀、阻燃、防水功能，安全无毒，已广泛用于美国、日本、马来西亚和新加坡等国的油气储罐、房屋建筑领域，取得了较好效果。3.2国内研究进展我国从1992年开始，使被涂物降温的各类涂料层出不穷，至今约有50余家研究及生产单位从事相关研发。我国反射隔热涂料的研究虽起步较晚，但由于不少高等学校及研究单位介入这一领域，研发工作不再单纯是企业行为[7]。以改性丙烯酸醇酸树脂为主要成膜物质，并与颜料、溶剂及助剂配用，制得表面隔热涂料。这种涂料具有优异的物理化学性能及极强的亮度，对太阳热的反射率高，可明显降低房屋表面的温度。由于金属薄片在溶剂型涂料中能够较长时间稳定存在，而在水性体系中则不能，因此大多数反射隔热涂料为溶剂型体系，然而水性涂料是建筑涂料的发展趋势。张敏[8]采用鳞片状铝粉为颜料制得了一种综合性能优良的水性反光隔热罩面涂料。经实体测定，当气温高达35~37℃时，采用该涂料可使房屋内部降温11~13℃。但总的说来，我国目前高性能的水性反射隔热涂料尚处于研究开发阶段。总之，反射隔热涂料自国外20世纪40年代研制成功并投产，70~80年代其理论表述已经形成。如今，随着技术的发展，高性能树脂的合成、高反射率颜填料的出现，以及更精确、更快捷检测仪器的研制成功，将使隔热反射涂料技术更加完善。4发展趋势随着科技的发展，反射隔热涂料呈现出以下发展趋势：太阳热反射隔热涂层在国内仍处在研究阶段，尽管在航天、运输等领域已经有所应用，但仍然没有得到大范围的推广使用。目前研究的工作主要集中在成膜物质选择及改性、功能填料及其粒径的选择、涂料配方的调整、涂层厚度的选择等方面[9]（1）高耐候性、长效性。改性丙烯酸树脂、聚硅氧烷树脂、含氟树脂等耐紫外线性能优异的树脂的不断开发，配以高光学性能的颜填料，使得高耐候性、长效性的反射隔热涂料的开发成为可能。（2）高隔热性、保护和装饰性。现在，几乎所有的反射隔热涂料都是根据材料的导热系数或根据各种物质对光、热的反射、吸收、辐射来选用合适的原材料，配制隔热涂料，实现对建筑物的隔热保温目的。因此通过开展对光、热的反射、吸收及辐射等基本理论的研究，充分发挥阻隔、反射和辐射之间的协同效应，研制出高隔热性、可薄层涂装、具有优良保护和装饰性能的反射隔热涂料。（3）环境友好性。社会发展要求人类活动对环境的负面影响越小越好，因此，水性、高固体分、无溶剂型反射隔热涂料成为发展趋势。5结语随着资源的日益紧缺，节能减排已经成为当今各国普遍面临的问题。相关数据显示，建筑能耗在人类能源总消耗中所占比例达到30%~40％，建筑反射隔热涂料作为一种节能涂料具有广阔的前景。国外反射隔热涂料研究起步较早，研究成果令人瞩目。我国研究起步较晚，但是发展十分迅速，已经在建筑、石油化工、舰船和航空航天等诸多领域得到推广应用。反射隔热涂料的反射隔热性能主要取决于选用的基料树脂和颜填料，另外金属表面用的反射隔热涂料还要求具有一定的防腐蚀性。参考文献[1]陈国栋，涂伟萍，程江.太阳热反射涂料的研究[J].涂料工业.2002,32(1):3-5.[2]赵金榜.国内外水性反射型隔热涂料发展及其应用[J].现代涂料与涂装.2008,11(10):30-34[3]战为民邓永青李少春日光热反射涂料的研究[J]现代涂料与涂装.2001（2）12:14[4]王金台，路国忠太阳热反射隔热涂料[J]涂料工业.2004(8)1:08[5]NaharNM，SharmaP，PurohitMM.StudidesonSolarPassiveCoolingTechniquesforAridAreas［J］.EnergyConversion&Management，1999（40）：89-95[6]汪世平.建筑隔热保温涂料及其研究进展[J].上海涂料.2005，43（3）：13-15[7]刘先春.反射太阳热涂料[p].CNl204672A,1999-09-13[8]张敏.水性反光隔热罩面涂料［J］.中国建筑防水，1997（2）：19-20[9]杨富民.红外热反射涂料的研究涂料[M].北京工业大学