乳胶漆热反射及隔热性能探讨

  

       环保节能，已经成为当前和今后经济发展中一个热门的话题。蓬勃发展的中国房地产业，使得各种建材的节能性能越来越成为建筑技术中的一个热点。其中建筑涂料也不例外。近年来，各种热反射涂料，隔热涂料，节能涂料，隔热饰面层涂料的外保温体系，等等层出不穷。 随之而来的适应这些新型涂料的标准不断发布，有GB-T 25261-2010 《建筑用反射隔热涂料》、JC/T 1040-2007 《建筑外表面用热反射隔热涂料》、JG/T 235-2008《建筑反射隔热涂料》等。对于同一类型的涂料，同时存在几个标准，这在中国涂料界是少有的现象。

      涂料热反射，隔热，节能等性能，从已发表的标准和大量的介绍文章来看，其节能原理主要集中在以下三点：

一）涂膜表面的热反射率效应；

二）涂膜的半球发射率效应；

三）涂膜的因低导热率而产生的隔热效应。

       下面试就这三方面进行一些探讨。这里讨论的是指薄涂层的饰面层乳胶涂料，不包括使用聚苯颗粒等材料的厚涂层砂浆涂料。希望能抛砖引玉，对这类节能涂料技术的发展起到推动作用。

 

       太阳光线的总能量主要集中在可见光区和近红外区，约占太阳光总能量的95%。其中可见光区约占43%左右，红外区约为52%，其中大部分能量集中在720nm ～ 1100nm，即短波近红外区范围里（图1）。

       

       建筑物的墙面接收到太阳光的热能后，通过各种方式，渠道，将热能传输到室内，使室内温度升高。尤其在炎热的夏天，室内较高的温度使人体感到很不舒适。人们设法使用空调，冷气机，风扇，喷淋等设备来降低室内温度，消耗了大量的电能和其他能源。如果能减少墙面接收到的太阳能向室内的传输，就能在夏天降低室内温度，同时就降低了人工降低室内温度需要的能耗。

 

涂膜的热反射效应

       如果把墙面最外层的涂料接收到的太阳能部分反射出去，就能降低外墙面的温度，减少向室内的热量传递。反射得越多，墙面的温度就越低。因此墙面涂料涂膜的热反射功能成为节能涂料的主要性能。

       任何表面对接收到的太阳光都会产生不同程度的反射。我们把从一定表面反射的入射到地面太阳光的能量测试值称为太阳光总反射率（TSR, total solar reflectivity）。太阳光的总反射率以百分数表示。一个物体的表面如果它的太阳光总反射率为70％，则可认为它吸收了30％的入射能量。

       太阳光的热能主要集中在可见光区和红外区。众所周知，涂层的可见颜色，即颜料的可见颜色，是由于颜料对可见光的选择性反射和吸收引起的。白色对400～720nm的光几乎全部反射，而黑色对可见光谱几乎全部吸收。红色主要对650－700nm（红色波段的光）段反射，而对其它波长的可见光吸收。因此为得到一定的可见色彩效果，我们不能改变颜料在可见光区的反射和吸收性能。而对于眼睛不可见的红外光部分，能否找到一些对这个区段的入射光具有较强反射率的材料，来达到反射具有高热能的红外光，降低表面温度的效果呢？

       使用TSR高的颜料，采用其他能够提高涂膜总的太阳能反射率的材料，如金属颜料，球形填料，特殊性能的填料，来提高涂层的太阳总反射率，都可以提高涂膜的TSR，降低涂膜表面温度。这应该是节能涂料研究者的主要方向。

       研究表明，不同的涂膜中树脂基料的TSR虽有上下，但差异不大，对涂膜的总太阳能反射率影响不大。而涂膜中的颜料（包括体质颜料），不同品种对太阳能的反射率是不一样的。不同颜色的颜料的反射率不一样。白色颜料是最好的红外反射颜料。对可见光段全反射的同时，它对红外区段的光有强烈的反射。钛白的TSR至少为75％（图2）。而普通的黑色颜料几乎对所有波长的光都吸收，如碳黑的TSR低至3－5％，即吸收了95－97％的太阳光能量。

                                                              图2  二氧化钛的反射比曲线

       相同（或相近）颜色的颜料，它在可见光区的反射率是相近的，但因其化学结构不一样，它们在红外区域的反射率可以是不一样的。图3显示的是三个颜料（炭黑和另外两个黑色颜料）的反射曲线。它们在可见光区（400~720 nm）的反射率几乎是一样的，非常低，所以人们眼睛看到的都是黑色。但它们在红外区域的反射率相差很大。炭黑在红外区的反射率只有5%左右，其它两个颜料在红外区的反射率很高，平均反射率可高于25%。。我们把在可见光区呈现一定的色彩，在红外区具有高反射红外光性能的颜料称为红外反射颜料（简称IR颜料 Infrared Reflective Pigment）【1】。具有这种特性的红外反射无机颜料通常含有镍、锰、铬、钛、铁、钴等金属离子，一般由金属氢氧化物，硝酸盐，醋酸盐，或氧化物混合后经1000℃以上高温煅烧、反应，原料固体本身开始发生反应。原料中的金属离子和氧离子重新排列，形成更稳定的类似于尖晶石（spinel）结构或是金红石型（rutile）结构。【2】          

                                   图3  IR黑色颜料的反射曲线

 

       选择在红外区域反射率高的IR颜料，制得的涂膜的太阳总反射率就高于使用红外区域反射率低颜料的涂膜。我们用不同的黑色颜料，与铁红和铁黄色浆配伍，用同一不含钛白的基料配制了五个涂膜颜色相同的涂料。制膜后测试其TRS，结果如下：

		A	B	C	D	E
黑色颜料	IR黑颜料A	1.658
	IR黑颜料B		0.266
	IR黑颜料C			3.498
	IR黑颜料D				1.229
	铁黑浆					2.129
红色	铁红浆	0.7945	0.8869	1.1416	0.2949	0.7485
黄色	铁黄浆	0.8287	0.3286	2.6038	0.9809	0.7785
	TRS	25%	33%	26%	28%	8%

 

      结果显示，尽管它们在可见光呈现的是相同的颜色，使用IR颜料的涂膜比使用铁黑颜料的涂膜的太阳能总反射率要高3~4倍。这表明如果在同等太阳照射和环境温度条件下，使用IR颜料的涂膜的表面温度将会比使用铁黑颜料的涂膜要低。

       另外有一类颜料，它在红外区域虽然不能对红外光有较大的反射率，但它也不像碳黑等颜料一样对红外光有较高的吸收率，而是对红外光有很好的透过率，尤其是部分有机颜料。通过研究，人们发现在使用这种颜料时只要涂层下面的底材或底涂有较高的红外反射性能（如白色），整个涂层体系同样具有较好的红外反射功能，同样可以降低涂膜表面温度。有人把这类对红外光很低的吸收率，但有较高透射率的颜料也称为IR颜料。下面图表是一个含有此类黑色IR颜料涂膜在不同颜色底涂上的反射曲线（图4）：

                                                                                                  图4  在不同颜色底涂上高透射率黑色涂料的反射曲线

       由此可见，采用红外反射率高的IR颜料，可以提高彩色涂膜的太阳能总反射率，降低涂膜表面温度，使建筑涂料具有热反射效应，达到节能效果。其中与炭黑、铁黑等颜料相比，黑色的IR颜料作用尤为明显。

       所有各色颜料中，白色颜料的反射率是最高的。它们在反射可见光的同时，对红外光也有强烈的反射。所以使用钛白的白色涂膜的TSR大部分都可达到80%或以上。但是，白色涂料里只要加入彩色颜料，其太阳能总反射率就会随着彩色颜料的品种和添加量而大幅度下降。即便是颜料色浆添加量很少的浅色涂料也是这样。所以几乎所有的彩色涂料涂膜的太阳能总反射率不能大于或等于80%。即使是全白的涂膜，在室外经过一段时间，其表面受到灰尘等污染，它的TSR也会明显下降，达不到80%。

       ASTM C1438-04《Standard Specification for Exterior Solar Radiation Control Coatings on Buildings》规定任何颜色的太阳辐射涂料涂膜的太阳光反射比都必须达到0.8以上，而我国几个热反射，隔热涂料的标准中只规定了白色涂膜的太阳光反射比，都回避了彩色涂膜的太阳光反射比问题。普通白色涂料涂膜都能达到0.8左右的太阳光反射比，所以这些标准没有多少指导意义。这样的回避客观上有误导用户的嫌疑，而且使国内对IR颜料的研究一直没有得到足够的重视。

       当然要求彩色涂层的太阳反射比都大于80%，有些苛刻，很难做到。一个合理的指标可能更有可行性。正在制定中的日本标准JIS K 5675《屋顶用高太阳反射率涂料》规定的太阳反射比是“明度L值在40以下时，近红外区域的太阳发射率在40%以上；明度L值超过40时，近红外区域太阳发射率（%）要超过明度值”。而且还规定了天然曝晒后的涂层“太阳反射保持率平均在80%以上”。这可以在我们今后修订相关标准时作为参考。【3】

 

涂膜的半球发射率效应

       任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射。除了反射接收到的部分太阳光热量，涂料涂膜还会吸收一定量的太阳能。提高乳胶漆涂膜的热发射作用，把涂膜吸收到的太阳光热量以一定的波长发射到空气中从而起到降温效果，这是涂料降低表面温度的另一机理。

       涂料表面的发射率主要取决于材料的化学成分和表面平整度，光洁度，与材料的颜色深浅无关。一个明显的例子是材质相同的黑、白两色涂料它们的太阳反射比相差很大，所以白天在阳光照射下，它们的表面温度相差较大，黑色表面比白色表面温度高很多。但由于它们的热发射率都很高，几乎相同，所以在夜间这两个涂膜的温度降到一致。【4】

        涂层接受太阳的辐射，部分吸收，转化为热能后，其中部分热能会以长波辐射的形式发射到空间，即为涂膜自身的热发射。几个标准里都规定了涂膜的半球发射率要大于80%或85%。并不是说涂膜能把吸收到的80%以上的热能再发射出去。半球发射率定义是相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比。物体的发射率还与物体的表面温度有关，试验证明，任何物体的半球发射率都将随其温度的升高而降低【5】。但有一点是肯定的，即在相同的温度下，半球发射率高的涂层把吸收到的太阳热量发射出去的能量比半球发射率低的涂层要多，则涂层表面的温度相对要低一些。

       如何才能提高涂料涂层的热发射率呢？

       我们曾对普通的白色涂料的涂膜进行测试，包括PVC较高的平光外墙涂料和PVC较低的弹性外墙涂料，它们的半球发射率都大于85%。

   

	PVC	半球发射率	太阳反射比
平光涂料	45.6%	0.87	0.83
平光涂料	69.1%	0.88	0.81
弹性涂料	37.1%	0.88	0.82

       可见，一般的白色涂料的半球发射率都能达到80%~85%。从整个结果中也可看出，普通的白色涂料的涂层在太阳反射比和半球发射率两个指标上都能达到目前几个国家和行业标准。至今没有看到哪个厂家能给出对比检测报告或文章分析，来明确白色反射隔热涂料与其它普通的白色涂料在反射隔热效果方面有什么差别。

       对于用于建筑外墙的薄层涂料，如何进一步提高涂料涂层的半球发射率，或者说使用什么材料能够使涂层的热发射率比85%有更大的提高，介绍得并不多。有介绍说大多数过渡元素化合物，如MnO2、Co2O3、Fe2O3等在整个波段具有较高的发射率。NiO、CuO、Cr2O3等在短波范围内红外发射率较低，而在长波范围内红外发射率较高。也有人在硅酸盐结晶相中加入Al2O3，TiO2等金属氧化物细粉功能填料，配制的涂料在5~15um波段内红外发射率在85% 以上。具有远红外发射性能的陶瓷粉被认为是有效的高发射率填料。试验表明在这类功能填料中加入少量的稀土和微量的过渡金属氧化物，如Y2O3和Pd3O3，可以显著提高其常温下的远红外辐射发射率【6】。

       虽然许多人都在谈论涂膜的半球发射率，都把高的半球发射率作为隔热涂料标准的主要指标之一。上面介绍的一些有特殊功能的填料，如添加少量稀土和微量的过渡金属氧化物的远红外陶瓷粉，它们的价格远远高于一般的普通填料，如碳酸钙，滑石粉。对于使用量大面广的外墙建筑涂料，其成本在市场竞争中是非常敏感的。如果普通的外墙涂料的半球发射率能达到80%以上，而添加一些价格很贵的功能填料后其半球发射率可能会提高几个百分点，从性价比来看又有多少人会这样做呢？实际上已在市场上销售的用于一般建筑外墙上的隔热涂料，很少有添加大量此类功能填料的。

 

涂膜的因低导热率而产生的隔热效应

       采用特殊的材料来降低涂料涂膜的导热系数，从而起到隔热效果，这是一些制造商宣传的隔热涂料的另一个原理。如有些介绍说在涂料中添加陶瓷中空珠和玻璃中空珠，主要是利用球形中空材料在涂层中形成真空腔体层，形成了有效的热屏障，它们自身热阻大，导热系数低，所以涂膜具有降低热传导性能，得到隔热目的。

       建筑热工计算比较复杂，要考虑各方面的许多因素。为简化起见，不考虑其他修正条件，根据建材的热学原理，单层平璧材料的导热性可由热阻R表征：

      R=δ/λ

 其中δ： 材料的厚度， m

     λ： 材料的导热系数，W/(m·K)

       就算隔热涂料的导热系数能做到与静止空气的导热系数0.023W/(m·K) 相似 （一般说涂料是不可能做到那么低的导热系数），根据上面的公式，要热阻R达到1 m2·K/W，则涂膜的厚度要达到0.023m，即23mm，这是不可能的。以EPS板的导热系数为0.040 W/(m·K)，板厚为4cm计算，它的热阻R为1.0 m2·K/W。以涂膜干膜厚度为200微米，需要达到热阻R为1 m2·K/W，则涂膜的导热系数λ涂料要达到

      λ涂料= δ涂料 / R =0.0002m /1 m2·K/W = 0.0002 W/(m·K)

       即比静止空气的导热系数要低100倍，这显然是做不到的。因此对于薄薄的一层涂料来讲，其导热系数再低。在降低材料热传导的隔热效应上是没有什么意义的。一些厂商介绍他们的隔热涂料添加了特殊的材料，如含有空气的空心珠，发泡材料，降低了涂膜的导热系数，从而使涂料（薄层）涂膜具有低的热传导性，起到隔热效果，甚至有人提出可以替代有EPS隔热材料层的外墙外保温体系，这显然是夸大的宣传，没有实际可能。

       一些文章介绍说“空心陶瓷珠和玻璃珠对提高涂层隔热性能均有良好效果……”。我认为可能是空心陶瓷珠和玻璃珠对提高涂层的太阳光的反射率和发射率起到一定的作用，而不是因为它们对热流的阻隔作用。

       关于空心玻璃珠或陶瓷珠在热反射涂料中的应用，许多文章都介绍了把它们添加到涂料中，能提高涂膜的太阳反射比，减少热能的吸收，起到降温的作用【7】【8】。有的在玻璃珠表面包覆上钛白【9】，或是将彩色金属氧化物颜料高温烧结到空心陶瓷珠的表面【10】，测试结果都达到提高反射率，降低表面温度的目的。也有报告称经过试验，得到的检测数据显示“空心玻璃珠对白色涂料的太阳光反射涂料影响较小，甚至会降低太阳光反射性能”【3】。

 

结论

（1）       热反射涂料主要起到降温效果的是涂膜的热反射和发射作用。薄层涂料基本没有热传导阻断效果。

（2）       白色涂料涂膜的太阳反射比和半球发射率一般都能达到80%以上。而彩色涂层的太阳反射比会明显下降。如何提高彩色涂层的热反射降温效果，应该是研究热反射涂料的隔热降温作用的关键。

（3）       红外反射颜料和填料的研究开发是热反射涂料的主要方向。我国应该加强对红外反射颜料的研究开发工作。

（4）       关于如何提高涂料薄涂层的半球发射率，使用什么特殊的原料能提高半球发射率，能使半球发射率提高多少，是值得技术人员去探讨的课题。

（5）       目前国内有关热反射隔热涂料的国标和行业标准，只规定了白色涂层的热性能指标，没有规定彩色涂层的相关指标要求，对实际应用的指导意义不大。建议在相关标准中增加彩色涂层的热反射性能指标和涂层在天然条件下被污染后热反射保持率的指标。

 

 

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【1】       郑公劭，红外反射颜料及其应用，上海涂料，2008.12：

【2】       Ashwini K，Infrared Reflective Inorganic Pigment,  Recent Patents on Chemical Engineering, 2008,1,67-79

【3】       李云德，太阳热反射隔热涂料标准及主要技术要点解析， 2011中国高装饰功能性建筑涂料研讨会

【4】       韦延年，建筑反射隔热涂料应用中需要明确的几个问题，  四川建筑科学研究 2011.No.4

【5】       邹南智等，关于红外半球全发射率与温度关系的讨论， 红外技术 1997. Vol 19 No.3

【6】       孙元宝等，影响红外反射涂层降温性能的因素， 红外技术 2007. Vol 26 No.4

【7】       任秀全等，太阳热反射弹性涂料的研究， 化学建材 2004. 2

【8】       蔡继权等，隔热保温涂料，2011中国高装饰功能性建筑涂料研讨会

【9】       赖广兴等，空心玻璃微珠改性及其在隔热涂料中的应用， 2011中国高装饰功能性建筑涂料研讨会

【10】   周学梅等，彩色建筑节能热反射隔热涂料研究，2011中国高装饰功能性建筑涂料研讨会