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有色反射隔热建筑涂料探讨

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0 前言
由于节能和低碳的特性,反射隔热涂料的开发和应用成为建筑涂料研发的热点之一。目前不少建筑涂料企业都开发了反射隔热涂料,但相当一部分是白色的,包括目前国内标准也还都是针对白色涂料的。本文介绍有色反射隔热涂料的组成特点、红外反射颜料、红外反射涂料隔热机理和要求及其配色等。
 
1 有色反射隔热涂料的组成特点
以合成树脂乳液为基料,以水为分散介质,加入颜料(主要是红外反射颜料)、填料和助剂,经一定工艺过程制成的涂料,叫做反射隔热乳胶漆,也就是目前所称的反射隔热建筑涂料。在该定义中,关键特征是含有红外反射颜料,同时还要求不含对红外光高吸收的颜料,如炭黑(颜料黑7)、铁黑(颜料黑11)、颜料黑28等。
 
2 红外反射颜料
人们把在可见光区具有选择吸收,即呈现色彩,同时在红外区能反射红外光的颜料称为红外反射颜料,简称IR颜料(Infrared Reflective Pigment)。红外反射颜料通常由金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐等混合后,经650~1 300 ℃煅烧、固相反应而获得。原料中的金属离子和氧离子重新排列,按氧离子和金属离子的比例,形成更稳定的类似于金红石型(rutile,O/M=2.00)、尖晶石(spinel,O/M=1.33)、赤铁矿或刚玉(hematite or corundum,O/M=1.50)结构的复相无机颜料(Complex Inorganic Color Pigments)。这些颜料里通常含有钒、镍、锰、铬、铜、铁、钴等发色金属离子和晶体电荷平衡离子,如锂、镁、钛、钙、钡、铌、钼、钨、锌、铝和锑。
高折射系数颜料,散射能力强,吸收低,反射性能好。如钛白粉,尤其是金红石型钛白粉,折射系数高,可见光区遮盖力好,同时也是很好的红外反射颜料,所以白色涂料太阳反射比高。颜料粒径为入射光的半波长时,散射最佳。作为普通颜料,为了在可见光区有更高的遮盖力,市售金红石型钛白粉粒径一般为0.2~0.4 μm。虽然普通钛白粉红外光反射能力也很好,但作为红外反射颜料,因为红外光波长长,所以颜料粒径粗些,红外光反射能力会更好些。这当然会导致可见光区散射能力降低,遮盖力变差,白度下降,所以存在一个性能平衡问题。亨斯迈(Huntsman)的ALTIRIS􀀀 550和ALTIRIS􀀀 800就是粒径分别为0.6μm和0.9 μm的红外钛白粉。三氧化二铬(颜料绿17/77288,CAS号1308-38-9),折射系数2.50,也是不错的红外反射颜料。在可见光区具有选择吸收,即呈现色彩,同时在红外区能透过红外光的颜料也可作为红外颜料,如颜料黑31等。
 
3 有色反射隔热涂料的隔热机理
太阳能对建筑物的热环境和能耗有着十分重要的作用。有色反射隔热涂料通过对太阳能的反射和发射达到隔热效果。根据波长的长短,太阳光可以分为紫外光、可见光和红外光。紫外光的波长小于400 nm,约占太阳总能量的5%。可见光波长在400~720 nm,约占太阳总能量的45%。而近红外光的波长为720~2 500 nm,约占太阳总能量的50%。可见,太阳能主要集中于可见光区和红外区。颜色对太阳反射比有很大影响。就颜色来说,红色将红光反射出去,蓝色将蓝光反射出去,白色反射热量最多,黑色吸收热量最多。通常随着明度的降低,颜色变深,可见光区太阳反射比下降。因此,反射隔热涂料的颜色选用白色或浅色比较容易达到,尤其是使用钛白粉的白色涂料,它既反射可见光,又反射红外光。但颜色是由用户和设计师等选定的,通常,有色建筑涂料约占80%以上。反射隔热涂料生产企业可以有所作为的只在红外区,采用红外反射颜料,把红外光尽可能地反射出去。另外,高发射率的涂料隔热效果好,但建筑涂料的发射率一般都在80%以上,且难以调节。
 
4 有色反射隔热涂料的要求
目前我国反射隔热涂料标准仅对白色或浅色反射隔热涂料有要求,美国军标规定深色涂料反射率在50%以上。美国绿色涂料环境标准(GS-11 GreenSeal Environmental Standard for Paints and Coatings)对墙面建筑涂料的要求是浅色涂料反射率在65%以上,深色涂料反射率在40%以上。美国冷屋顶分级协会(Cool roof rating council)对有色反射隔热涂料的要求如表1所示。
冷屋顶分级协会(Cool roof rating council)对有色反射隔热涂料的要求(2005年11月7日修订)
日本JIS K 5675—2011高太阳能反射屋面涂料(High solar reflectant paint for roof)规定如表2。
JIS K 5675—2011 高太阳能反射屋面涂料
JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》正在修订,其征求意见稿如表3,增加了对有色反射隔热涂料的要求。
JG/T 235修订征求意见稿
5 有色反射隔热涂料的配色
反射隔热涂料的研发和生产关键是有色反射隔热涂料的生产,白色涂料本身就是很好的反射隔热涂料。而有色反射隔热涂料的研发和生产关键是配色。除普通建筑外墙涂料的配色要求外,有色反射隔热涂料的配色就是尽可能把红外光部分的能量反射出去,也就是说,有一个尽可能高的TSR(太阳总反射比)。但目前太阳反射比不是总可以根据配色组分性能预测的。选择配色时应注意以下问题:
(1)选用红外反射颜料,配成所需颜色。因为红外反射涂料色相有限,配色会受到限制。
(2)炭黑(颜料黑7)、铁黑(颜料黑11)、颜料黑28等高吸收的颜料不能使用,那怕是一点点也不能用。它们会极大地降低涂料太阳反射比。
(3)红外反射颜料可与各种粒径钛白粉搭配使用,进行调色。可见光区是透明的而红外光区是高反射的颜料,如粗粒径的钛白粉,既能提高涂料红外光反射,也不影响颜色。
(4)亨斯迈的红外反射颜料ALTIRIS  800颜料推荐用于深色涂料配色,明度L在25~40,提高红外线反射率。通常这些深色涂料不含或只含少量钛白粉。该颜料可提供最佳的近红外/可见光反射比,具有极低的着色力。在明度L超过40的颜色中,推荐使用ALTIRIS  550以提高红外反射性能。
(5)红外反射颜料和红外吸收颜料混用时,应注意其结果红外吸收颜料会占绝对压倒之势。例如含钴红外反射颜料在1 200~1 600 nm有强吸收,如果将TSR35.7%的红外吸收颜料CoAl蓝和TSR32.6%的红外反射颜料MnSbTi棕各以50%比例混合时,所得TSR不是中间值,实测只有26.9%。
(6)氧化铬绿等也是不错的红外反射颜料,但在近红外区还是有吸收,用量不能太高,等等。
 
6 反射隔热涂料的性能
反射隔热涂料是一种功能性建筑涂料,具有一系列普通建筑涂料没有的特性。用相同颜色涂料装饰的外墙面,反射隔热涂料和普通涂料相比,由于反射了红外光部分能量,其表面温度会较低。颜色越深,明度越低,往往差值越大,如表4所示。当然,不同颜色,差值也不同。总的说来,温差与TSR(总太阳能反射率)相关。
反射隔热涂料和普通涂料之间的温差
根据ASTM E1980-11水平和低斜度不透明表面太阳反射指数计算标准(Standard Practice forCalculating Solar Reflectance Index of Horizontal andLow-Sloped Opaque Surfaces),取外表面换热系数19W/(m2·K),半球反射率0.82,计算得表面温度(Ts)如表5。
按ASTM E1980-01计算表面温度(Ts)
由于降低了围护结构的外表面温度,得到一系列益处。
(1)根据热流密度=Δt/R,夏天,降低外墙表面温度,即降低内外墙温差Δt,在围护结构热阻R相同的情况下,能减少传入室内热量,从而节省空调能耗。
(2)夏天外墙面温度越低,则墙面光谱辐射出射度的峰值波长越接近大气窗8~13.5 μm中值,就有越多的红外光可以通过大气窗被发至大气外层,从而缓解了城市热岛效应。
(3)涂膜的热氧化降解,按照一般规律,温度每升高10 ℃,降解速率会提高1倍。使用反射隔热涂料涂装的外表面温度低,能减慢涂膜降解速度,提高涂膜使用寿命。
(4)另外,保色性往往是外墙涂料的短板,而红外反射颜料结构稳定,耐光耐候性好。因此使用红外反射颜料也能提高涂膜使用寿命。
(5)采用反射隔热涂料,外表面温度降低,如在相同的乳胶高聚物Tg下,涂膜耐沾污性提高。如保持相同的涂膜耐沾污性,乳胶高聚物Tg就可降低,在相同的成膜性时,成膜助剂用量就可降低。
(6)因为夏天气温高,太阳辐射强,日照时间长,保温板导热系数低,在普通深色饰面层和防护层处,温度可达70 ℃左右,如果突然下雨,温度突然降至30℃左右,温变范围大,容易开裂。相同颜色反射隔热涂料饰面温度低得多,所以增加抗裂性。
(7)一般规定,外墙外保温饰面涂料的明度要大于20%,主要是防止表面温度过高。由于采用反射隔热涂料,外表面温度比较低,就不存在表面温度过高问题,因此,对明度就可以不作要求。
 
7 反射隔热涂料的应用
(1)反射隔热涂料可以单独使用,更好地是与其他保温材料配合使用,构成系统。
(2)由于保温需要有一定的热阻,既要求材料有低的导热系数,又要有一定的厚度,二者缺一不可。尽管反射隔热涂料导热系数不高,自身热阻较大,但因涂膜厚度很薄,仅100 μm左右,总热阻很小,保温效果几乎可以忽略。因此应与其他保温材料配合使用,各尽其能,互相补充,构成复合系统。可和保温砂浆、泡沫混凝土、EPS、XPS、PU、酚醛、岩棉等保温材料组成系统。这样才能满足节能要求,达到较理想的隔热和保温作用。
(3)采用既不反射红外光也不吸收红外光,而在红外光区是透明的红外颜料。使用这种颜料配制的反射隔热涂料时,必须采用高红外反射性能的白色底涂层,这样整个涂层系统同样具有较好的红外反射功能,从而同样可以降低外表面温度。
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