建筑节能涂料的研究与发展趋势
能源消耗是当今世界面临的重大难题，尤其是20世纪70年代能源危机的出现使节能减排成为世界各行业急于解决的首要问题。据统计，各项建筑能源消耗占能源总耗的三分之一，在中国430亿m2的建筑中，99%属于高能耗建筑，即使是新建筑，仍有95%以上是高能耗建筑，单位面积采暖能耗是国际上气候条件相近国家的2～3倍。因此，如何正确选择设计和改造建筑物，使其能耗降低到最小，满足国家《公共建筑节能标准》的规定，符合国家节能减排的要求，是建筑业亟待解决的问题。目前，欧美等发达国家建筑业强制节能标准已经普遍实施，均立法要求必须或鼓励使用节能产品。我国也已开始颁布和实施新的建筑节能法规，中国{dy}部公共建筑节能设计的综合性国家标准《公共建筑节能设计标准》GB50189—2005，已于2005年7月1日起实施，北京、上海已率先提出节能率65%的建筑节能标准[1]。可见，无论是在国外还是国内，对建筑材料的选择和使用上更加注重节能、环保和安全，已成为主流趋势。自20世纪80年代以来，建筑业、石油工业、运输业、兵器工业等迅速发展，需要使用新型的隔热涂料，以降低物体表面温度，阻止热传导，改善工作环境，提高安全性。目前，美国和西欧一些国家已研制出隔热涂料，并在军事和民用的许多领域得到了应用。其中典型的应用就是通过在屋顶上涂履白色涂层，可以明显地降低屋顶的温度，并极大地降低建筑物的冷却需求[2]，可以缓解城市中的“热岛效应”。
1.节能涂料种类与原理
节能涂料属于功能性建筑涂料，按其节能原理的不同可分为阻隔型、辐射型、反射型节能涂料[3]。3种涂料的隔热机理不同，性能特点、应用场合及节能效果也不相同。
1.1阻隔型节能涂料
阻隔型节能涂料的绝热机理是阻止热传导。涂料成膜后涂膜中充满着孔隙，因而涂膜的干密度很低，导热系数λ一般小于0.06W/(m2·k)，隔热性能优异。通过涂膜的热量传导变得非常缓慢，有效阻止室内热量流失和室外热量的进入，从而起到隔热保温作用。隔热涂层一般由底层、中间层和面层3部分组成。底层涂料耐化学性好，具有良好的附着力、耐温热性和防锈性能；中间层除具有底层的性能外，还具有增加底层和面层附着力的作用；面层则是隔热涂膜材料，具有良好的隔热性能，可减少VOC挥发，降低环境污染[5]。阻隔型涂料在实际应用中的隔热效果与涂膜厚度密切相关。
1.2辐射型节能涂料
辐射型节能涂料的隔热机理是通过波的辐射形式把建筑物吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到空气中，从而起到隔热降温效果。辐射涂料吸收室内物体发出的红外线后又以辐射的形式返回室内，阻止了室内物体热量的流失，同时室外物体发出的红外线被辐射涂料涂膜吸收后又返回到室外，阻止热量流入室内，从而起到隔热保温作用。辐射型涂料一般由高辐射材料、粘接剂、悬浮剂、稀释剂组成，目前主要应用于冶金、炼钢等高温环境，可以大幅度地提高物体的辐射系数，改善炉内传热过程，达到节能、增效的目地[5]，此涂料在建筑领域应用较少。
1.3反射型节能涂料
反射型节能涂料也称太阳反射型涂料，其绝热机理是通过涂膜的反射作用将日光中的红外辐射反射到外部空间，从而避免物体因吸收红外线而导致自身温度的升高。据统计[6]，太阳辐射到达地球表面的能量97%集中在0.3～2.5μm的波长范围内，其中紫外线部分辐射能量只占太阳总辐射能量的13%，可见光和红外线部分辐射能量占太阳光总辐射能量的84%。因此在可见光和红外线范围内，涂膜的反射率越高，隔热效果越好。反射型涂料一般由成膜物、反射填料等组成，通过选择反射率高的填料，可以高效率反射太阳光照射到涂膜上的大部分能量，同时涂膜具有低的传导系数，阻止热量通过涂膜传导。反射型涂料在实际应用中的隔热效果与涂膜的表面反射率密切相关，而与涂膜厚度基本无关。
2.红外反射型节能涂料制备
反射型涂料最初是为了满足军事和航天的需求而发展起来的，该涂料可以削弱敌方的红外设备效能，降低暴露在太空中航天器件的表面温度，改善工作环境和提高安全性，因此该涂料的应用受到重视，并得到了较多的研究，现已广泛应用于建筑、石油、运输、造船及xx航天等领域[7]。
2.1成膜物质
反射太阳光能力的强弱主要用物质的折光指数来表征，折光指数越大，对太阳光的反射能力越强。环氧树脂的折光指数为1.45～1.50，其中常用的醇酸树脂为1.48与环氧树脂的折光指数接近；含氟聚合物具有相对较低的折光指数1.34～1.42。因此，选择不同的有机树脂，涂层的太阳热反射效果不会发生显著的改变。常用树脂如丙烯酸树脂、有机硅改性丙烯酸树脂、醇酸树脂、有机硅改性醇酸树脂、含氟树脂、环氧树脂、氯化橡胶等，都可用作太阳热反射涂料的基料，只是要求树脂的透明度要在80%以上，对太阳能的吸收率低，且尽量使用少含—C—O—C、CO、—OH等吸能基团[8]。但根据菲捏尔公式可知，形成的涂膜应该具有较强的导电性才能有好的反射近红外辐射效果，另外环保要求不用溶剂型涂料而改用水性涂料，满足这几个要求的成膜物质有聚吡咯掺杂的三元共聚物(丙烯酸丁酯-苯乙烯-丙烯酸)，另外还要掺杂微量的三氯化铁。从能否形成耐久性、防水性优良的弹性涂膜来考虑，要求作为膜材料的高聚物的玻璃化温度足够低，使其在使用温度范围内处于橡胶态，由此引起的涂膜发粘和耐沾污性差的问题可以通过乳液混拼、表面状态调节方法予以解决[9]。
2.2功能填料
功能填料是反射红外辐射最重要的材料之一。根据材料对光吸收理论的能带理论，功能填料应该选择电导率高、禁带宽度不在0.5～3.1eV范围内的物质。一般说来，白色物质不仅对可见光有较强的反射性，对近红外辐射也有较强的反射性。根据表1可以发现TiO2、ZnO、BaSO4、SnO2等均符合禁带宽度和白色的要求，它们的近红外反射率如表2所示。
表1 若干物质的颜色和禁带宽度Eg[10]
表2 几种白色材料对近红外辐射的反射率[10]
从表2数据可以看出，TiO2的近红外辐射反射性能{zh0}，锐钛矿型和金红石型的TiO2对近红外线的反射率差别很小，考虑到空心玻璃微珠除了具有一定的反射红外线辐射功能还具有很强的真空隔热性能，因此在实际配置涂料时还要加入一定量的空心玻璃微珠。为了加强功能填料反射红外线性能，在空心玻璃微珠表面沉积二氧化钛，沉积的二氧化钛成为薄膜包覆在空心玻璃微珠表面上，一般采用TiCl4或者Ti(SO4)2水解，得到表面沉积有TiO2的玻璃微珠。
2.3工艺流程
制备反射型节能涂料分为两个过程，首先要在玻璃微珠表面包覆一层TiO2，然后以此为部分功能填料来配制反射型红外节能涂料。以Ti(SO4)2为原料制备二氧化钛包覆中空玻璃微珠的工艺过程为[11]：称取空心玻璃微珠5g，加入到500mL四口烧瓶中，加入蒸馏水50mL，滴入2%的十二烷基苯磺酸钠水溶液2mL，搅拌，分散，升温到100℃。用10%的NaOH溶液调节反应溶液的pH值。控制在不同的反应时间内加完Ti(SO4)2溶液。反应结束后，过滤，洗涤滤饼。滤饼在鼓风干燥箱中以120℃干燥3h，再在马弗炉中于600℃煅烧2h，得到包覆二氧化钛的中空玻璃微珠。反射型节能涂料的制备工艺与乳胶漆的生产工艺基本相同：先分散颜填料，然后在低速搅拌下加入空心微珠，搅拌分散均匀后加入乳液，再加入适量的消泡剂、增稠剂等助剂。由于微珠中空，在搅拌分散时注意避免微珠的破坏，需在低速搅拌下加入。二氧化钛包覆微珠红外反射涂料的生产工艺如图1所示。
图1 二氧化钛包覆空心玻璃微珠配制红外反射涂料工艺
3.国内外研究进展
自20世纪70年代以来，国外已经开始了反射隔热涂料的研究，并已逐渐向产业化方向发展。近年来，国内正在悄然掀起一股研发新型隔热保温涂料的热潮，但关于反射隔热涂料可选用的颜填料体系的研究较少。反射型功能颜填料对可见和红外光区的反射率高，以往的研究主要集中于白色颜填料的开发，不能xx满足用户对于颜色的要求。近年来，对近红外区反射率高的深色CICP颜填料的开发渐成热点，该种颜填料兼具颜料和填料的功能，尤其在近红外区具有极高的反射率，相比应用普通填料的同色系涂料，加入CICP颜填料的涂料的反射率有大幅提高[12]。CICP可以由各种金属氧化物混合在870℃以上的高温进行煅烧而制得，CICP的粒径小、折光指数高，能在很大程度上散射太阳光中的UV和IR部分。Synnefa[13]用CICP制得10种不同颜色的节能涂料，与同色系的普通涂料作对比，在夏季环境下，反射率{zd0}提高了440%，温度{zd0}降低了10.2℃。美国OakRidge(ORNL)和LawrenceBerkeley(LBNL)2个国家实验室联合众多建材、涂料、颜填料厂商，进行了一项为期3年的开发新型高反射、多彩屋顶材料的工程。工程中重要的一个环节就是建立了近100种常见颜填料的具体属性的数据库，包括颜填料的名称、颜色、化学特性、力学性能、光谱属性(反射率、吸收率、透射率、透射系数以及散射系数，还有在不同底色涂层上的反射率)等，并利用分光光度计测量的数据建立了关于散射系数S和吸收系数K的模型，以更深入了解颜填料的属性[14-15]。利用数据库的信息，可以选用不同的颜料混合制备出高反射率的制品。国内对于节能涂料的研究也比较多，不过多应用在高温锅炉的节能方面。屠平亮，等[16]早在20世纪90年代就研制出了一种在高温时仍保持高发射率的节能涂料。方法是以价廉易得的工业级Fe2O3为基本原料，加入20%～30%(质量分数，下同)的MnO2、5%～10%的CoO和CuO，以及其他少量添加剂，在1260～1280℃下烧结2～3h，获得优质的涂料骨料。沃群鸣[17]详细研究了红外辐射的原理，并通过在硅酸盐结晶相中加入Al2O3、TiO2等金属氧化物细粉作为填料，研制出的红外辐射涂料辐射5～15μm波段内红外线的能力在85%以上。在涂料中加入空心玻璃微珠可以赋予涂层特殊性能，以满足某些特殊用途的要求，如力学强度、隔热等。在涂料中加入一定量的空心玻璃微珠，可以大大提高涂层的孔隙率，从而降低热导率，起到隔热降温的作用[12]。为了进一步提高降温节能效果，具有反射-绝热复合功能的空心微珠成为研究的重点。Torobin[18]将金属微粒气化，混入玻璃组分中，在液态玻璃吹成微球后，空心玻璃微珠中的金属均匀沉积在内表面，形成反射层。这样空心玻璃微珠就同时兼具了反射性和隔热性的功能，效果也更为明显。马承银，等[11]以Ti(SO4)2为主要原料，通过化学沉积方式将TiO2包覆在中空玻璃微珠的表面，制得一种新型近红外反射隔热填料。研究表明，TiO2的包覆厚度为1μm为宜，包覆后的空心玻璃微珠制成涂料的可见光和近红外反射率分别为0.86和0.81。
4.市场前景
随着建筑节能标准的出台，发展低能耗、保温隔热性能好的新型墙体材料成为主流趋势，建设部从2007年起全面推行节能建筑认证体系。巨大的建筑节能市场将带动建筑涂料产业进行新的洗牌，我国是节能涂料{zj1}发展潜力的大市场，近年来，国家为了引导我国节能涂料市场的健康发展，出台了一系列的政策和法规进行引导，在政策的支持下，节能涂料行业将飞速发展。据建设部统计数字显示[19]，我国有400亿m2既有建筑，有近1/3需要进行节能改造，按200元/m2计算，其需耗资2.7万亿元，这将给节能环保涂料市场带来巨大的商机。而根据北京奥运计划，近年处于建筑物建设的高峰期，随后配套设施也相继完成，涂料市场需求量很大，北京的建筑涂料市场需求总量将保持在10%～15%。北京市旅游行业协会副会长徐锦祉介绍，在今明两年，包括香格里拉饭店、京伦饭店在内，北京市上百家星级饭店将进行一次集中的装修改造，这同样会对涂料市场带来巨大的商机。
5.结语
建筑节能涂料在今后几年将会得到更大的发展，应用量也会大幅的增加。目前隔热型节能涂料较多，发展也较快，而反射型应用较少，其主要原因在于尚未形成法定的节能标准。随着形势的发展和变化，反射型的节能涂料势必会受到重视，并有着十分可观的前景。
