多色彩建筑外墻反射隔熱涂料技術優化研究

趙陳超

1 引言

建筑外墻常年直接受太陽光輻射，在其表面積累大量熱量，這些熱量傳入室內而引起的降溫能耗十分巨大，為了節能而出現外墻隔熱涂料。國內的反射隔熱涂料顏色比較單調，只能做淺色或白色涂料，隨著人們生活水平的提高，對用于建筑外墻的多色彩高反射隔熱涂料的需求越來越強烈。為了解決上述問題，本項目通過合理的工藝條件，選用紅外反射鈦白粉顏料、SiO2氣凝膠二種特殊功能的材料，將其應用于涂料并進行研究，控制材料的太陽能反射率以獲得高反射率，控制紅外輻射率以獲得高輻射率，及控制低導熱系數以獲得超隔熱來制得的涂層材料——具有有效的反射、阻隔、輻射太陽光的能量為一體多色彩水性反射隔熱涂料。

2 實驗

2.1 主要原材料及儀器

主要原材料：SiO2氣凝膠（漿）、穩定劑、ALTIRISR紅外反射顏料、鈦白粉、填料、水性乳液、成膜助劑、分散劑、潤濕劑、消泡劑、增稠劑、穩定劑、去離子水、色漿等。

主要實驗儀器：高剪切均質機、多功能高速分散機、線棒涂布器、導熱系數測定儀、Cary-5000紫外可見近紅外分光光度計等。

2.2 涂料的制備

制備氣凝膠漿：將分散劑、去離子水、SiO2氣凝膠和穩定劑等原料分別加入容器，按特定的工藝要求，經高剪切均質機分散，制得SiO2氣凝膠含量為15～30%的漿料。

配制涂料：在現有水性建筑涂料的生產設備工藝上，首先加入水、潤濕劑、分散劑、增稠劑、消泡劑等助劑，低速分散，加入鈦白粉、ALTIRISR紅外反射顏料、填料等粉料后，進行高速分散，至細度達到要求。然后在中速攪拌下加入水性乳液、氣凝膠漿、成膜助劑等剩余原料，攪拌至均勻狀態即可。最后加入普通色漿，得到不同顏色的水性反射隔熱涂料。

3 結果與討論

3.1 反射隔熱原理

物體外表面接受太陽輻射光譜按照波長分為紫外區、可見光區、紅外光區三個光譜區，在波長400～2500nm中的見光區和近紅外光區分別集中了43%、52%的太陽輻射能量。如涂料在該波段范圍內對太陽輻射的反射率越高，涂層的隔熱保溫效果就越好。

為了使彩色表面能夠在太陽光下保持涼爽，對太陽光譜中產熱最多的不可見近紅外光的反射變為至關重要，所以采用具有紅外反射性能的顏料——ALTIRISR紅外反射隔熱鈦白粉顏料，即二氧化鈦經過特殊的結晶改良和包覆處理、控制晶體粒徑大小，以最大限度的反射太陽光譜的近紅外部分，并具有極高的耐候性。ALTIRISR紅外反射隔熱鈦白粉顏料3種規格粒徑與反射光關系如表1。

表1

由此可知：ALTIRISRW400、550、800結晶型金紅石鈦白粉（根據Webber′sLaw，粒徑大于1/2紅外波長）可以阻擋和反射紅外線，起到降溫的作用；普通型鈦白粉，只能反射可見光。

SiO2氣凝膠具有高比表面積、高孔隙率、低密度的特殊結構，能很好抑制對流、輻射、熱傳導三種熱傳導的途徑，成為目前世界上熱導率[0.013w/（m·K）]最低、隔熱性能最好的固體材料，加入SiO2氣凝膠的隔熱涂料具有很好應用價值。

依據JG/T235-2014中太陽光反射比、近紅外反射比和半球發射率的要求進行研究：

3.2 ALTIRIS R W400在高明度涂料（L*＞80）中的反射表現

在白色/高明度反射隔熱涂料中，ALTIRISRW400含量為5～10%、普通金紅型鈦白含量為10～20%；在普通外墻涂料中不加紅外反射隔熱鈦白粉，其樣板的測試結果如表2。

表2

試驗結果表明：①反射隔熱涂料的半球發射率、太陽光反射比和近紅外反射比均能達到標準要求，而普通外墻涂料未達標，其反射隔熱性能差；②ALTIRISRW400顏料的沖淡力約為普通鈦白的90%，提高涂層對紅外線的反射，同時可提高一定的遮蓋能力，特別適用于白色、淺色，或可用于高耐候需求的涂料。

3.3 ALTIRIS R 550在中明度涂料（0.40﹤L*﹤0.80）中的反射表現

在中明度反射隔熱涂料中，ALTIRISR550含量為5～18%、普通金紅型鈦白含量為0～10%；在普通外墻涂料中不加紅外反射隔熱鈦白粉，其樣板的測試結果如表3。

表3

試驗結果表明：①反射隔熱涂料的半球發射率、太陽光反射比和近紅外反射比均能達到標準要求，而普通外墻涂料未達標；②ALTIRISR550顏料的沖淡力約為普通鈦白粉的50%，具有優異的紅外反射性能并具有一定的可見光反射率，適用于中等明度的涂料；③在配色時，ALTIRISR550顏料可取代普通鈦白粉，適當減少配方中有色顏料的添加量。

3.4 ALTIRIS?800在低明度涂料（L*≤40）中的反射表現

在低明度反射隔熱涂料中，ALTIRISR800含量為2～10%、普通金紅型鈦白含量為0%；在普通外墻涂料中不加紅外反射隔熱鈦白粉，其樣板的測試結果如表4。

表4

試驗結果表明：①反射隔熱涂料的半球發射率、太陽光反射比和近紅外反射比均能達到標準要求，而普通外墻涂料未達標；②ALTIRISR800顏料的沖淡力極低，約為普通鈦白粉的25%，適用于深色、明亮及鮮艷顏色的涂料，具有很高的太陽能反射性能；③ALTIRISR800可用于一些很少或沒有普通鈦白粉的配方（黑色和絢麗的紅色），適當減少配方中有色顏料的添加量。通常這些深色涂料不含或只含少量鈦白粉。

3.5 SiO2氣凝膠在隔熱涂料中的性能影響

對不同含量SiO2氣凝膠的涂料進行導熱系數測試，其結果如表5所示。

表5

試驗結果表明：隨SiO2氣凝膠含量的增加不斷增加，涂料的導熱系數逐漸減小，隔熱性能逐步增強。①從2～3.5%處，從0.68W/（m·K）下降到0.03W/（m·K），熱導率下降速度加快。二氧化硅氣凝膠在涂料內部均勻分散時，隔熱涂料熱導率隨氣凝膠含量增大時而加速下降；②從3.5%到5.0%處，從0.03W/（m·K）降至0.021W/（m·K），熱導率變化緩慢。二氧化硅氣凝膠在涂料中引起部分聚集，而減小涂料自身的熱阻，熱導率變化緩慢。

在本實驗所選取的SiO2氣凝膠含量的范圍內，SiO2氣凝膠含量與涂料的導熱系數成反比關系。但是，涂料的導熱系數不會一直減小，并且當SiO2氣凝膠4%時，其導熱系數已達到0.025W/（m·K），已經明顯優于普通涂料，擁有很高的應用價值和開發的潛能。

3.6 多色彩反射隔熱涂料干膜厚度對反射隔熱性能的影響

含ALTIRISR紅外反射隔熱鈦白粉顏料、SiO2氣凝膠的多色彩水性反射隔熱涂料不同干膜厚度對反射隔熱性能的影響，其結果如表6所示。

表6

試驗結果發現：多色彩反射隔熱涂料樣板的干膜厚度達到200μm時，基本能夠達到對太陽光良好反射的效果；隨著漆膜厚度進一步增加，其反射效果并沒有明顯提升，而隔熱溫差遂漸提高，干膜厚度為1000μm時，隔熱溫差高達17.1℃，這是由于SiO2氣凝膠特殊的結構起著主要作用，使其成為優異隔熱性能，可根據使用的要求決定涂層厚度。

3.7 多色彩反射隔熱涂料基本性能

本體系制得的多彩色反射隔熱涂料，按《合成樹脂乳液外墻涂料》（GB/T9755-2014）中（面漆）優等品進行檢測：容器中狀態、低溫穩定性、涂膜外觀、耐堿性、耐水性、耐沾污性、涂層耐溫變性、其污染后和人工氣候老化后的太陽光反射比變化率等均達到標準的技術要求；耐洗刷性3200次、透水性0.4mL、耐人工氣候老化性（粉化、變色）0級等均高于標準的技術要求。

4 結論

（1）由ALTIRISR紅外反射隔熱鈦白粉和SiO2氣凝膠制成的多色彩反射隔熱涂料所有性能均達到或超《建筑反射隔熱涂料》（JG/T235-2014）、《合成樹脂乳液外墻涂料》（GB/T9755-2014）標準要求，產品可于建筑物頂面和外墻面；

（2）采用四種不同粒徑鈦白（ALTIRISRW400、550、800，普通鈦白）+普通顏料/色漿（除碳黑或鐵黑）合理搭配，能直接反射、散射太陽光輻射熱量，以最低的成本獲得高、中、低明度的多色彩外墻反射隔熱涂料；

（3）添加SiO2氣凝膠降低涂料的導熱系數，能很好的抑制傳導、對流、輻射等三種熱傳導在內部穿透的能量，進一步增強涂層的隔熱性能；

（4）本體系制得的多色彩反射隔熱涂料的干膜厚度在200μm時基本達到標準要求，隨著膜厚進一步增加，對太陽光的反射效果并未有明顯提升。當干膜厚度達到1000μm時，隔熱溫差高達17.1℃，可根據實際情況選擇膜厚，獲到更高隔溫效果。