陶瓷材料在夏熱冬暖地區建筑隔熱中的應用

李智鴻，蘇華枝，吳建青

（1.華南理工大學材料科學與工程學院，廣東廣州510640；2.佛山市大千色釉料有限公司，廣東佛山528137）

1 前言

由社會能源消耗結構可知，我國的能源消耗主要表現在三個方面：建筑能耗、交通能耗和工業能耗。隨著人們對室內環境舒適度要求的提升，建筑能耗呈飛速上升的趨勢，因此建筑節能是實現綠色發展的一項重要措施。

城市化進程使得熱島效應的影響逐漸增大，很多城市的白天平均溫度比周邊城郊地區的白天平均溫度要高[1,2]。環境溫度上升導致建筑物內的室溫升高，在南方，尤其是夏熱冬暖的華南地區，減少建筑物對太陽輻射的吸收，降低空調能耗對節約能源有十分重要的意義。根據國外對反射涂料的研究結果，太陽熱反射材料可以有效地減少熱量傳遞到室內，在夏天室內溫度可降低5℃以上，每年每平方米可以節約空調能耗2.5 kWh以上。據建設部測算，2020～2030年左右，我國的建筑能耗將上升到總能耗的30～40%，其中外墻所承擔的保溫節能效果占建筑節能整體的50～60%。目前建筑外墻用的隔熱材料除了Low-E玻璃幕墻就只有反射隔熱涂料可選擇，住宅等大多數建筑物一般不使用玻璃幕墻，而涂料的使用壽命短，再次涂裝會帶來污染與干擾。因此對使用壽命與建筑物相等、隔熱效果顯著、美觀的隔熱陶瓷材料進行研發，明確其隔熱機理，優化制備工藝，對夏熱冬暖地區的建筑節能具有重要的意義。

一般而言，除建筑物內部人類活動產生的熱量以外，室內溫度上升主要源于太陽輻射對建筑的作用。太陽熱量作用于建筑外圍有三種形式[3]：一是太陽熱輻射直接作用于建筑外圍，建筑表面的材料對熱輻射產生吸收；二是太陽熱輻射使建筑物周邊的空氣溫度上升，導致空氣與建筑表面的材料產生溫度差，兩者產生熱交換，最終兩種介質的溫度趨于平衡；三是建筑物與外部環境發生的輻射換熱。針對以上幾種換熱形式，研究人員[4-6]從材料研發的角度提出了一些解決方案，用于實現建筑物室內降溫，其中最主要的是阻隔型隔熱材料、反射型隔熱材料和輻射型隔熱材料。

2 阻隔型隔熱材料

阻隔型隔熱材料利用材料本身的低熱導率，阻礙材料兩邊的介質發生熱傳導。無機阻隔型隔熱材料多為多孔陶瓷，而復合阻隔型隔熱材料指的是有機涂料與中空微珠及無機化合物充當填料的復合材料，其中起隔熱作用的主要是中空微珠。

2.1 多孔隔熱陶瓷

多孔陶瓷的氣孔率在25～95%之間，具有輕質、耐酸堿、耐高溫的特點，可在條件極端、工況嚴苛的場景下應用，如高溫窯爐隔熱層[7]等。除此以外，還可用于催化劑載體[8]、吸聲材料[9,10]、污水及空氣凈化[11,12]、生物應用技術[13]、建筑物保溫[14]等多個領域。

在多孔隔熱陶瓷制備中，通常采用SiC，MgCO3等中的一種或者多種組合為發泡劑，發泡劑在高溫下分解可以產生氣體，從而形成氣泡，體積膨脹，使產品的容重變低。這些發泡劑在反應過程中會釋放出CO2氣體，高溫下由于有液相存在，釋放出的CO2被液相包裹形成封閉氣孔，從而使產品急劇膨脹。化學反應的快慢主要取決于反應物的活化能、反應物的濃度與反應溫度。在反應物的活化能一定的條件下，反應速度就由反應物的濃度與溫度決定。對于上述的分解反應，反應物的濃度越大，溫度越高反應越容易進行，通常溫度每升高10℃，反應速率增加2～4倍。因此，在適當的溫度下延長保溫時間，能促進坯體發泡膨脹。對于常用的SiC發泡劑，氧化越充分，發泡程度越大。因此，隔熱保溫陶瓷發泡程度主要取決于坯體配方、發泡劑的種類、用量、細度、燒成制度（包括燒成時間、燒成溫度、保溫時間）等因素。通過控制混合型發泡劑的用量以及各組分之間的配比以及燒成制度，就能夠控制生成的氣體量，在材料內部形成需要的氣孔量。如表1所示，目前技術能夠批量制備密度為0.25～0.5 g/cm3，導熱系數為0.07～0.12 W/（m·K）的輕質陶瓷板，建筑用隔熱陶瓷產業化努力的目標應當是密度在0.15g/cm3左右，導熱系數低于0.05W/（m·K），并且具有較高強度的輕質陶瓷。

除了長石質陶瓷等普通陶瓷，多孔隔熱陶瓷的材質還有很多，比如鈦酸鋁、莫來石、鎂橄欖石、鎂鋁尖晶石等。鈦酸鋁多孔陶瓷的熱膨脹系數較低、耐高溫、耐候性強，能較好地抵抗熱震沖擊。莫來石多孔陶瓷除了抗腐蝕抗氧化能力強、抗高溫侵蝕外，還具備荷重軟化溫度高、優良的電絕緣性能等特點。鎂橄欖石多孔陶瓷的熔點高、穩定性高、與其他堿性材料相容性良好。鎂鋁尖晶石多孔陶瓷的耐磨性好、酸堿穩定性強、熱膨脹系數低、抗熱震性能強，熔點高達2135℃。趙杰等[15]將短切莫來石纖維與正硅酸乙酯、乙醇、氫氟酸、甲酰胺和水混合制得坯體，燒成后得到多孔輕質莫來石陶瓷，其氣孔率高，隔熱性能好。鈦酸鋁在800℃易發生熱分解，較高的熱膨脹系數容易使材料內部產生大量微裂紋。因此，劉欣等[16]提出，莫來石的“釘扎”效應可用來提高鈦酸鋁的熱穩定性，鎂鋁尖晶石可用于提高復合陶瓷的力學性能，他們以質量比為63：27：10的鈦酸鋁、莫來石、鎂鋁尖晶石為主要原料，以淀粉作成孔劑，研究了復合多孔陶瓷的熱穩定性，以及氣孔大小對陶瓷隔熱性能的影響。Wen Y等[17]發現硅微粉的加入可以在輕質多孔陶瓷燒成時促進氣孔長大，當硅微粉加入量為3.2 wt%時，多孔鎂鋁尖晶石陶瓷的性能最佳。

表1 常用建筑材料的密度與導熱系數

2.2 陶瓷材料在阻隔型隔熱涂料中的應用

根據我國國家標準[18]規定，阻隔型隔熱涂料的熱導率應小于0.06 W/（m·K）。阻隔型隔熱涂料以有機樹脂為基體材料，加入填料和空心微珠及少量助劑制備而成。空心微珠是一類具有低熱導率的材料，一般為陶瓷空心微珠[19,20]和玻璃空心微珠[21]。空心微珠球體殼層呈剛性，保證了球體中間的空氣不被壓縮，由于空氣的熱導率很低，因此空心微珠的隔熱性能很好。陶瓷空心微珠耐火度高、力學性能較好，而玻璃空心微珠的透明度較好、質輕、制作成本較低，因此在制備阻隔型隔熱涂料時，可將陶瓷空心微珠和玻璃空心微珠復合使用。此外，玻璃空心微珠力學性能相對較差，使用時需謹慎控制添加量，過多的玻璃空心微珠會導致玻璃的破損率明顯提高，分散性和施工性都顯著下降。

邢俊等[22]研究了陶瓷空心微珠和玻璃空心微珠含量對涂層隔熱性能的影響，發現兩者均在添加量高于10 wt%時，樣品的隔熱性能不再提高。此外，添加陶瓷空心微珠使涂料有嚴重增稠現象，而玻璃空心微珠在涂料中的穩定性較好。宋云娟等提出在空心微珠添加量不變的情況下，涂層的隔熱性能與空心微珠的級配密切相關，通過陶瓷空心微珠、玻璃空心微珠與乳液基材混合，獲得的最優樣品的隔熱溫差為8.7℃。

3 反射型隔熱材料

3.1 陶瓷材料對太陽光的隔熱機理

光從一種介質進入另一種介質時，由于兩種介質間的光學性能差異，原來的光會產生吸收、反射、散射、透射。對于陶瓷釉層而言，散射部分的能量最終還是以吸收、反射、透射的能量表述。由于陶瓷基體基本不透光，因此透射效應可忽略不計，即只需考慮陶瓷材料對太陽光的吸收和反射作用。當樣品對太陽光的反射能力提升時，吸收能力下降，隔熱性能提高。而陶瓷對太陽光的反射作用受多方面因素影響，如晶體類型、晶體的體積濃度、反射層厚度等。

圖1 基于AM1GH方法的太陽輻射分布光譜[23]

根據圖1所示的太陽光能量分布可知，太陽光在不同波長下的能量密度不同，紫外波段（200～400 nm）能量約占太陽光總能量的1～5%、可見光波段（400～780 nm）能量約占太陽光總能量的45～50%，近紅外波段（780～2500 nm）能量約占太陽光總能量的50%。若能提高陶瓷對可見光和近紅外光的反射效果，則可提升反射型隔熱陶瓷的隔熱能力。由于材料在可見光區對不同波長的光有特定規律的反射或吸收特性，因此對于彩色的反射型隔熱陶瓷而言，提升隔熱性能的關鍵在于提升陶瓷對近紅外光的反射能力。

3.2 反射型隔熱陶瓷磚

太陽光作用于陶瓷磚時，陶瓷磚的反射性能受表面層的晶體種類和晶體含量的影響非常大。通常釉面磚中釉層含有的晶體的折射率越高，釉層對太陽光的反射性能越好。釉中晶體的分布、晶粒尺寸等因素都會對釉層的反射性能有影響，而陶瓷燒成是一個復雜的過程，配方組分和燒成制度的改變可能會導致釉層的反射性能發生明顯變化。此外，釉層厚度影響釉的反射性能也是十分顯著，當釉層較薄時，厚度增加會使反射性能明顯增強，釉層達到一定厚度時，太陽光反射比的增幅變得非常小。

目前關于反射型隔熱陶瓷磚的研究較少，較早開發反射型隔熱陶瓷磚的是勞倫斯伯克利國家重點實驗室（LBNL）的Ferrari等[24]，他們制備了底層為坯體、中層為化妝土、頂層為透明釉的多層復合陶瓷磚，其中化妝土層中包含有折射率較高的晶體，為陶瓷磚提供了優良的反射性能，實驗中得出的最高的太陽光反射比約為0.9。此外，研究表明，以含鈦礦物為主晶相的釉層對太陽光也具有高反射的性能[25,26]。

3.3 陶瓷材料在反射隔熱涂料中的應用

反射型隔熱涂料的化學組分與阻隔型隔熱涂料的十分類似，主要差別在于反射型隔熱涂料使用對太陽光有高反射性能的材料作為填料。因此，高反射填料和空心微珠常常同時應用在隔熱涂料中，這樣可以明顯提升涂料的隔熱性能。

鈦白粉（銳鈦礦型和金紅石型二氧化鈦）是目前最為廣泛使用的填料，其價格相對較低，反射性能較好，且銳鈦礦型二氧化鈦具有一定的催化活性，在自清潔、殺菌方面有一定效果[27]。除鈦白粉外，還有硫酸鋇、氧化鋅、氧化錫等物質具有較強的太陽光反射效果。馬承銀等[28]對摻了不同白色粉體的涂料做了近紅外反射率的測定，結果見表2。數據顯示，摻金紅石型二氧化鈦和銳鈦礦型二氧化鈦的涂料的反射率最高，氧化錫次之。一般而言，填料的種類是決定涂料太陽光反射性能的關鍵性因素，而填料的粒徑、體積分數、不同填料間的配合、涂層的厚度等因素都會對涂料的反射隔熱性能產生影響[29,30]。

表2 幾種白色材料對近紅外輻射的反射率[28]

4 輻射型隔熱材料

輻射型隔熱材料是一類能向外界主動輻射遠紅外光的材料，在陶瓷領域中，這類材料統稱為遠紅外陶瓷粉。當太陽輻射到達遠紅外陶瓷粉表面時，首先發生光熱轉化，并將熱量以紅外長波形式向空氣主動輻射[31]。根據使用溫度的不同，遠紅外陶瓷粉可分為常溫（≤150℃）和中溫以上（＞150℃）遠紅外陶瓷粉[32]。常溫遠紅外陶瓷粉有氧化鎂、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯等體系，可應用于造紙、服裝、醫療等行業。中溫以上遠紅外陶瓷粉主要有 Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Cr的氧化物等，通常與涂料混合涂覆在鍋爐、金屬熱處理爐、輻射加熱器等的外表面。輻射型隔熱材料應用前景十分廣泛，但該類型隔熱涂料要求基體、填料和助劑都需要有較好的紅外發射率，選材范圍局限，因此目前關于輻射型隔熱材料的研究相對較少。

5 結語

耐候、耐火、耐腐蝕、易清潔的陶瓷隔熱材料是建筑材料發展的重要方向，目前對于陶瓷隔熱材料的研究還很不充分，應當根據使用地區的實際情況研發合適的陶瓷隔熱材料，為建筑節能做出貢獻。

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