2023-09-19
 
解析隔热涂料的研究进展及未来展望
2023年09月19日   阅读量:2822

「摘要」本文介绍了隔热涂料的隔热原理和类型,综述了近年来隔热涂料的研发和应用情况,最后对隔热涂料的未来发展趋势进行了展望。


关键字:隔热涂料,隔热原理,涂料类型,应用


作者 | 张达志  

天津德威涂料科技有限公司

01. 前 言

物质间或物质内的热量传递可表现为三种基本方式:热传导、对流传热和(或)辐射传热。生活中遇到的导热问题基本包括这三种方式,不同情况下的热量传递方式主次不同,形式各异涂料在线coatingol.com


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三种热量传递方式。图源 | 网络


热传导是以物质的分子、原子或电子的移动或(和)振动的方式传递热量,其中,流体中的热传导与物质分子的动量传递相似。对流传热以流体微粒的宏观运动的形式进行热量传递,因此,它仅存在于具有动量传递特质的流体中。


辐射传热是通过电磁波的形式进行热量传递,因此无需媒介[1]。通过对源头热量的产生、中间过程热量的传递和(或)末端热量的接收过程进行控制,可减少物质间或物质内的热量传递。用于实际生产和生活的源头热量是固定的,因此,通过将带有热量的源头物质和末端接收多余热量的物质进行过程隔热,隔热作用于热量传输过程或能量接收物质表面,可减少空间物质之间的热量传递,成为能源、国防、民生等方面的重要课题。


通过太阳光辐射传递热量作用于物体的方式可使物体产生热量。将隔热涂层涂在物体表面,可减少热量的传递,阻碍物体的温度升高,实现隔热。随着现代工业的发展和能源、资源的消耗,隔热涂料作为新型功能性涂料迅猛发展起来。它具有能源节约、资源节省、成本低廉、施工方便等特点,已广泛应用于石油及化学工业、建筑业和交通运输等领域,以减少人为热量的产生和散发,控制全球温度继续升高。日本的《涂料年鉴2017》数据结果显示,日本2004年使用隔热涂料1549.3t,2015年使用隔热涂料13114.9t,十年用量增长8倍多[2]。


现代建筑的屋顶和幕墙广泛使用大面积的玻璃材料代替以前的水泥混凝土结构,以加强建筑的美学外观并确保足够的室内采光。人们在享受玻璃屋顶和幕墙带来的美好体验时,却面临着严重的室内温度升高问题,使得美好体验价值大打折扣。这是由于玻璃的传热系数较高,在炎热的夏天,太阳辐射透过玻璃后将能量贮存在室内有限的空间中,导致室内温度急剧升高。


同样,空间狭小的密闭汽车在炎热夏日通过玻璃(接受太阳辐射的主要组成)传递太阳热量,使车内温度高达60度以上,且缺少新鲜空气,造成不断有尚处在发育阶段的儿童在密闭的“闷罐车”里发生“热射病”至死。


如何通过减少透过玻璃屋顶和幕墙的太阳辐射量,以减少室内的温度升高,是玻璃屋顶和幕墙在应用过程中急需解决的问题。相关数据显示[3-4],将温度降低1℃所需能耗是将温度升高1℃所需能耗的4倍。还有数据表明[5],如果环境温度平均升高1℃,就会使空调能耗增加5%-8%。因此,在不改变现有建筑结构的情况下,提高玻璃本身的隔热效果可有效减少电力能源的消耗。


在玻璃隔热方面,国内外已经开展了大量研发工作。在日本,隔热涂料目前已被用于建筑玻璃的隔热降耗。在不影响采光的前提下,表面涂有隔热涂料膜的普通玻璃最多允许32%的红外线和5%的紫外线透过,可使室温降低2~5℃[6]。将隔热涂料应用于建筑外墙,可有效减少其对太阳辐射的吸收,从而降低建筑物的表面温度,最终减少室内外热量的传导,达到隔热目的。具体表现为:一方面可以保持房屋内温度,节约能耗;另一方面可以提高保温系统的寿命,减少因太阳辐射引起的表面温度过高而造成材料的加速老化。

在工业罐体方面,隔热涂料可以达到降低罐体温度、减小罐内压强、增加安全性、增强效能、节约能源及节约水资源的目的。露天储油罐表面温度升高会使储罐内油品蒸发加剧,造成油量损失,同时罐内压强增大,甚至会引发爆炸[7]。目前,采用喷淋水的方法对储罐进行表面降温,既浪费水资源,隔热效果又不明显。有数据表明[8],将隔热涂料涂覆在罐体表面后,可使其降温10~20℃,罐体内部可降温5~10℃,液化气罐不会发生超温、超压现象。隔热涂料不需要额外的能量和水便能够有效降低油罐表面温度,阻隔罐内外的热量传递,实现资源节约和罐体降温。


02. 隔热涂料分类


根据上述三种隔热机理,可将隔热涂料分为阻隔型隔热涂料、辐射型隔热涂料和反射型隔热涂料。


2.1 阻隔型隔热涂料


根据阻止热量产生、传递和接收三种中的热传导(即热传递)的机理,开发阻隔型绝热涂料。一般地,多孔结构涂料膜的堆砌密度小,导热系数(λ)小于0.06W/(m·K),绝热性能优异。然而,这种多孔涂料具有吸水率高、干燥周期长、干燥过程易受环境和气候影响等缺点。


硅酸盐类复合型涂料具有填料成本较低、生产方便、设备简单、保温效果好等优点,因而,是目前对防腐要求不太高的建筑墙体、高温管道应用中使用最广泛的选择。


阻隔型隔热涂料的隔热性能通常与其涂覆厚度成正比,因而,在基材表面需要形成一定厚度的涂层,以达到隔热的目的,这却使施工和涂层干燥变得困难。


2.2 辐射型隔热涂料


地表近层大气中的水蒸气、CO2和O3在8~13.5μm的红外波段内对热辐射的散射和吸收能力很弱,使得大气对此波段(“大气窗口”)的辐射有很高的透过性。辐射型隔热涂料在大气窗口内有较高的热辐射发射率,将其涂覆到物体表面后,可使物体表面的热量以红外辐射的形式发射到大气中,从而实现对物体降温的目的。


这类涂料能够实现在室内和室外以相同速率降温,目前仅应用于冶金和炼钢行业及制作红外辐射窗帘布等方面。


2.3 反射型隔热涂料


地球表面太阳能的分布如图1所示。


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图1 地球表面太阳能分布


由图1可知,地球表面太阳光的能量主要集中在波长为0.4~1.8μm的可见光和近红外光区,占太阳辐射能量的90%以上。反射型隔热涂层将照射到其表面的可见光和近红外光反射回大气层中,通常热反射率能达到85%以上,有效阻隔太阳能量向物体内部传递,显著减少太阳辐射到物体表面的累积热,从而实现降温。


03. 应用


隔热涂料应用价值大,具有非常广阔的应用空间。


3.1 建筑涂料方面


随着环保意识的日渐增强,涂料生产公司选择开发节能环保型材料并积极引导大众消费。研究表明[9],将纯丙乳液和助剂均匀稳定分散在水中,然后,通过添加SiO2气凝胶和滑石粉等制备SiO2气凝胶隔热涂料的浆料,最后,将其涂覆在普通马口铁基底上,以获得隔热涂层。所得涂层表面光滑平整、附着力强、硬度好、耐水和耐热性能较好、隔热性能优异,完全满足隔热涂料的基本需要,将成为未来隔热涂料的发展代表,必定会拥有较为广阔市场和应用前景[10]。


孙顺杰等[11]通过选择性能优异的冷颜料或者复合无机颜料、具有耐紫外光线和耐久性更好的纯丙乳液和苯丙乳液树脂和常见填料等,制得具有优异热反射性能和装饰性能、良好的耐久性和耐沾污性能的彩色热反射隔热涂料。与目前大多数白色或浅色的热反射隔热外墙涂料相比,彩色反射隔热涂料满足了现代建筑对不同色彩的需求,同时具有优异的热反射性能和隔热性能,具有广阔的应用前景。


红外反射隔热涂料[12]是一种具有巨大发展潜力的新型功能涂料。近些年,社会对其的应用需求迅速增长。根据我国《节约能源法》规定,研发的红外反射隔热涂料具有装饰和隔热的双重功能,相应的产品标准已经出台,如:JC/T 1040-2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》、GB/T 25261-2010《建筑用反射隔热涂料》和JG/T 235-2014《建筑反射隔热涂料》。通过理论计算和分析,与普通涂层相比,使用反射隔热涂层可提高节能效率15.9%,节能效果明显。红外反射隔热涂料已被用于诸多领域,如石油化工、粮食储备和建筑工程屋面及墙面等。实际应用有明显效果,如图2所示。


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图2 热量空中拍摄图像[12]


3.2 工业涂料方面


目前,工业涂料的保温层和防护层较厚、接缝较多,给施工带来很大不便;防护层密封性差,雨水和腐蚀性气体容易渗透。廉卫珍[13]采用透明性优良的复配小分子树脂,采取有利于反射隔热的颜填料设计涂料配方,研制出了新型防腐隔热涂料,可以有效解决以上问题,最终可以达到生态环保、节能减排的目标;按照GB/T 4272-2008《设备及管道绝热技术通则》、GB/T 8175-2008《设备及管道绝热设计导则》和GB/T 8174-2008《设备及管道绝热效果的测试与评价》的规定,通过模拟实验,研究了其力学性能、耐热性能、防腐性能和隔热性能,并对涂层进行了相应性能测试,结果表明,此涂层具有良好的防腐和隔热性能,完全可以满足石化行业对隔热材料的要求。


3.3 玻璃方面


典型节能玻璃对光的透过率曲线如图3所示。


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图3 典型节能玻璃的透过率曲线


由图可知,在几种典型节能玻璃中,普通玻璃的热工性能较差,绝大部分的近红外线能透过玻璃;LOW-E玻璃主要通过反射中、远红外线来达到隔热的目的,但可见光透过率损失较多;贴膜玻璃对近红外线具有较弱的阻隔能力(某些贴膜玻璃具有良好的近红外线阻隔能力);涂膜玻璃可以有效阻隔近红外线的透射,同时可见光透射率较高,不足的是,绝大多数涂膜玻璃对近红外线的阻隔是通过吸收来实现的;理想的节能玻璃应是几乎隔绝近红外线,而对可见光透射比没有影响。


近年来,透明隔热涂料在涂覆玻璃方面发展快速。在汽车玻璃方面,涂料经喷涂、刮涂和干燥后形成透明性良好的膜,为解决汽车玻璃、特别是挡风玻璃隔热提供了新途径。顾广新等[14]利用纳米氧化锑锡(ATO)、纳米TiO2、有机硅树脂、硅溶胶等制备出具有高硬度、高耐候性的有机-无机杂化树脂薄膜,同时,制备了纳米TiO2和纳米ATO的异丙醇浆料,并与有机-无机杂化树脂进行复配,制得紫外和近红外阻隔性能优异、隔热节能效果良好的透明隔热涂料,并在汽车玻璃方面成功应用。


建筑玻璃领域也是透明隔热涂料很重要的发展方向。李宁[15]通过高速搅拌或超声将隔热浆料和透明树脂混合均匀,并加入一定量的稳定剂、流平剂等助剂,使透明隔热涂料能够稳定储存;将透明隔热涂料通过刷涂或喷涂等工艺涂在洁净玻璃表面,并利用其自身的流平性均匀流平在玻璃表面。此涂层在室温下即可干燥,无需烘干。


大面积推广使用建筑玻璃透明隔热涂料不仅能够有效降低建筑能耗,为国家节约大量能源,而且通过降低能源消耗,间接保护了我们居住的家园,具有巨大的经济和社会效益。另外,建筑玻璃透明隔热涂料涉及纳米加工应用技术,利用此技术可以对传统产业进行升级,进而提高我国相关行业的国际竞争力,以期在新世纪纳米技术的研发大潮中有自己的一席之地。


04. 未来发展方向


近些年,在国家节能减排的号召下,国内已有不少企业在研发透明隔热涂料,这种涂料不仅具有一般隔热涂料的隔热保温、节能性能,而且还具有透明、美观、环保、健康的特点,在我国未来隔热涂料领域具有巨大的发展空间。


目前,隔热涂料大多是按照一种隔热机理进行研发,隔热效果局限性很大。未来可以将隔热涂料的阻隔、辐射和反射隔热机理中的两种或三种进行结合,协同发挥作用,以使隔热效果更加完美,并且兼顾防腐、防水等特点。此外,还可以采用多样化的配套方案和合理的施工方法,使制得的隔热涂层具有优异的性能。


随着新技术、新材料的发展,在不断改善隔热涂料性能的同时,要考虑到制备及使用环保涂料。可从以下几个方面充分考虑:


  • 在涂料类型方面,重点发展无溶剂、高固体、水性和光固化隔热涂料;

  • 在隔热材料方面,重点采用纳米材料如SiO2气凝胶、纳米ATO、空心玻璃微珠、纳米半导体等;

  • 在树脂方面,重点选择具有高强度、高耐候性和高透光性的树脂体系,如:有机硅树脂和聚氨酯树脂。


除此之外,隔热涂料性能没有一种统一的测试方法,基本是以模拟实验测试为主,参考局限性大,测试结果易遭质疑。因此需要建立一套科学有效的测试标准,推进隔热涂料快速稳定发展。


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