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反射隔热涂料中填料应用的物理学定性讨论

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0 前言
各种国际气候会议的召开,中国政府对温室气体限量排放的承诺,国内媒体的反复报道,节能减排成为我们耳熟能详的词汇。为了响应政府的号召,降低单位GDP的能耗,使得国民经济从粗放型增长向集约型增长过渡,社会的各个层面都动员起来,提出各自领域节能减排方案。作为占社会总能耗的1/3的建筑领域,为此一直做着不懈的努力。各种新型节能建筑材料像雨后春笋一样不断涌现,比如建筑外窗用双层玻璃、隔墙用加气混凝土砖等等,而墙面上节能材料目前最有效的当属外墙外保温系统。传统的聚苯板外保温或者是现场喷涂发泡聚氨酯保温层,除了施工麻烦外,还有消防安全隐患问题,因此不像前几年那样流行;岩棉材料保温效果好,透气性不错,防火性能也佳,但是其昂贵的造价、易透水性以及现场切割时岩棉纤维对施工人员的职业伤害,都让这个产品的大面积推广受到抵制。而且从笔者目前对市场的了解,发现聚苯颗粒外保温又开始回流到建筑工地上。从保温的角度看,这不是一个好的方法,是一种淘汰的技术,是一种无奈的倒退。
现在很多房地产开发商为了能够设计图纸通过审核、施工得到许可,在满足政府强制性节能要求的同时,希望建筑保温成本增加较少,施工简便,又能够达到要求,于是反射隔热涂料便成了最佳的选择。按照常识理解,150 μm干膜的反射隔热涂料要想达到4 cm厚发泡聚苯板同样的保温效果是不可能的。但是考虑到夏天的太阳辐射最强,夏天的建筑能耗最大,涂料在建筑的最外层可以有效地反射夏季太阳的辐射。中国幅员辽阔,南北地区夏季的温差不大,冬天的温差却比较悬殊,因此反射隔热涂料在南方地区、在夏天是可以发挥出非常积极的作用的。本文着重从理论上解释为什么反射隔热涂料可以降低建筑能耗,以及如何开发出高效率的反射隔热涂料。
 
1 国标介绍
国家层面先后颁布了GB/T 25261—2010《建筑用反射隔热涂料》和JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》等标准。标准的名称不尽相同,颁布单位也各不一样,有发改委的有住建部的;标准中涂料技术指标参照也各不相同,比如有的参照了普通外墙的耐候性标准,有的参照了外墙弹性涂料标准,要求测试常温弹性、低温弹性以及老化后弹性。但是最核心的两个指标还是关于太阳反射比和半球发射率,目前对这两个指标的要求都是大于0.8。而对于涂料的导热系数不作为强制检测指标,只作为推荐测试指标。导热系数当然越低越好,但是它在反射隔热涂料中发挥的作用远不及前面两个指标。建筑涂料基本包括4类成分:树脂基料、颜填料、各种助剂、水和助溶剂等。提高太阳反射比和半球发射率,能够发挥反射隔热效果的主要还是颜填料,其他成分几乎没有影响。所以本文着重讨论颜填料在反射隔热涂料中的作用。反射隔热涂料有比较低的导热系数,因此从涂料的表面到最底层的温度梯度是比较大的,而且同质量比例的空心玻璃微球吸油量相当大,也需要成膜物质具有一定的弹性来抵消由此引起的涂料颜填料体积比PVC的增高。因此建议涂料企业尽量使用弹性乳液,按照弹性涂料的标准做常规的测试。
 
2 太阳反射比
现在的关键问题就是如何提高建筑涂料的太阳反射比和半球发射率,先来谈谈太阳反射比。太阳是一个巨大的火球,准确地讲是一个不停地在发生热核反应的火球,两个氢原子聚合成氦原子同时释放出巨大的能量。太阳表面的温度高达6 000 ℃,几乎释放出全波段的电磁波。人类能够直观感受到的就是可见光,图1为太阳辐射能随波长的分布图。特定波段下方的面积代表该波段电磁波在太阳辐射中所占的比例。从图1可以了解到,波长从0.76 μm到400μm的红外线波段占太阳能量的比重最大,接近50%,可见光占40%左右,而波长小于0.4 μm的紫外线只有不到10%。在此,先引入两个概念:(1)吸收比:被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比,用a表示;(2)反射比:反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比,用r表示。理论上讲a+r=1,因为需要满足能量守恒。因此如果能够把太阳中的红外线和可见光尽可能多地反射到空气中,即提高反射比a,涂料往建筑物中传导的热量就减少,即r=1-a。
太阳辐射能随波长的分布曲线
从3个常识来阐述如何提高反射隔热涂料的太阳反射比:
第一,夏天穿着白色或者浅色的衣服要比穿着黑色或者深色的衣服凉快。我们之所以能够感受到物体的颜色,是因为物体把自然光中和自身颜色一致的可见光反射出去,而把其余颜色的可见光吸收了。如果物体把全部的可见光都反射了,我们看到物体就是白色的,如果把全部可见光都吸收了,我们看到的物体就是黑色的。可以说深色的涂料具有较高的吸收比,或者说有较低的反射比。因此反射涂料必须是浅色的(外墙涂料纯白色的较少),否则就没有意义。
第二,天空的颜色是蓝色的。因为太阳光在经过大气层的时候,由于可见光中的蓝光紫光波长和空气中的氮气分子和氧气分子的粒径接近,因此在透过大气层的时候蓝光紫光被氮分子和氧分子散射了。天空的蓝色只是在低空才能看见,随着高度的增加,由于空气越来越稀薄,大气分子的数量急剧减少,分子散射出的光辉逐渐减弱,天空的亮度越来越暗,到20 000 m以上的高度,散射作用几乎看不出来,天空就成黑色的了。因此可以得出结论,尺寸和电磁波波长接近的障碍物对于该波长附近的电磁波有最大的散射反射作用。如果涂料中有粒径和红外线波长比较接近的颜填料,涂料的太阳反射比自然也可以得到提高。
第三,玻璃房有温室效应。所谓温室效应,即玻璃可以透过辐射较短的可见光,而玻璃房内物体被可见光加热后,向外发射红外线的时候,却被玻璃阻挡,于是玻璃房内的温度会越来越高。因此从物质材料的特点而言,玻璃会具有较高的红外阻挡效应。反射隔热的颜填料包括钛白粉、铁红、铬黄等各种颜料,以及碳酸钙、高岭土、滑石粉和硫酸钡等普通填料,也包括空心玻璃微珠和实心陶瓷微珠等功能性填料。钛白粉作为基本的白色颜料是必不可少,一方面白色可以反射所有的可见光,对于红外线也有一定的反射性。钛白粉作为主要的遮盖力颜料,可以防止可见光穿透涂层。在各种颜色当中,除了白色外,黄色系和蓝色系等明度较高的色系具有较高的太阳反射比,而红色系和灰黑色系有较低的太阳反射比。在普通的体质填料中,硫酸钡具有最好的反射比,其次是高岭土、重钙等;同种类的体质填料中,粒径越小、白度越高的填料有较高的太阳反射比。空心玻璃微球由于其玻璃材质,有较好的红外阻隔效应,玻璃对于太阳光也有较强的反射作用,加之其空心结构用在涂料中有较好的降低导热系数的作用。实心陶瓷微球由于其规则的正球形状,且粒径范围刚好覆盖了近红外电磁波,能够较好地散射入射的电磁波,对于提高太阳反射比也有一定的作用。以上都可以作为反射隔热涂料中的颜填料,关键在于如何配比。

3 半球发射率
国标中是这么定义半球发射率的:热辐射体在半球方向上的辐射出射度与处于相同温度的全辐射体(黑体)的辐射出射度之比值。相比较太阳反射比,半球发射率的定义较为深奥。
先介绍几条物理学知识:
第一,所有温度在绝对零度(-273 ℃)以上的物体都会往外发射电磁波。微观解释可以理解为绝对温度是物体分子热运动的表现,有分子热运动就有电磁波的发射。可以有几万摄氏度高温的物体,但是没有绝对零度以下的物体。任何物体都在不停往外发射电磁波而失去能量,同时也在接受其他物体发射的电磁波而获得能量,最终会达到一个动态平衡,于是物体的温度不再发生变化。
第二,所谓黑体是指物体能够吸收外来的全部电磁辐射,并且不会有任何的反射与透射。换句话说,黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1。但黑体不见得就是黑色的,即使它不反射任何的电磁波,但是它可以发射电磁波,不反射电磁波和不发射电磁波完全是两个概念。如果这些电磁波是可见光,就会被人眼所察觉,在室温下,黑体放出的基本为红外线。但当温度超过500 ℃后,黑体开始放出可见光,根据温度的升高过程,分别变为红色、橙色、黄色、蓝色。当黑体发射出全部可见光波段电磁波的时候,就变为白色。太阳的辐射分布曲线就接近6 000 K的黑体辐射曲线。
第三,辐射能Q是物体以辐射形式发射的电磁波能量,单位为焦耳(J)。辐射功率P是单位时间内发射的辐射能,单位为瓦特(W)。辐射出射度E是辐射体单位面积在单位时间内向半球空间发射的辐射能,单位为瓦每平方米(W/m2)。辐射出射度是一个有单位的物理学数值,但是孤立地看这个数值没有意义,必须引入一个能够客观反映物体辐射能力强弱的参数——半球发射率。
第四,黑体的半球发射率为1。在一定温度下的黑体必然是热平衡的物体,而黑体又能够吸收全部入射电磁波,为保持该温度或者说保持能量守恒状态,黑体必然把吸收电磁波获得的能量全部以发射电磁波的形式释放出去。因此也可以认为黑体是同温度条件下发射电磁波能力最强的物体。衡量物体半球发射率的高低,或者是往外发射能量能力的强弱,就以该条件下,物体在半球方向上的辐射出射度与处于相同温度的黑体的辐射出射度之比值,即国标中对半球发射率的定义。黑体的半球发射率是自身辐射度的比值,它的半球发射率当然是1。
介绍了这么多的物理学知识,再回到反射隔热涂料上来。我们的目标就是反射隔热涂料单位面积单位时间的辐射能量Q最大,即辐射出射度E最大。根据斯特藩-玻尔兹曼定律以及基尔霍夫辐射定律可以推导出如下公式(1):

式中,E——物体单位面积的能量辐射功率,即辐射出射度;
ε——物体的发射率;
Eb——该温度下的黑体的辐射出射度;
σ——斯特藩-玻尔兹曼常数;
T——绝对温度(T=t+273)。
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