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太阳能反射涂料的研究与展望

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-->>太阳能反射涂料的研究与展望

0 引言
近20 余年来,随着建筑业、石油工业、运输业、兵器工业等的迅速发展,能使被涂物在太阳光照射下产生降温效果的涂料已引起广泛关注,各类太阳能屏蔽涂料、热反射涂料、太空隔热涂料、节能保温涂料、隔热胶等不断有研究报道或产品问世,以降低暴露在太阳辐射下装备的表面温度,阻止热传导,改善工作环境,提高安全性。例如建筑业的外墙;石油工业的海上钻井平台、油罐、输油管道;运输业的汽车、火车、飞机表面;造船工业的船壳、甲板等均用到太阳能反射涂料。近20 余年来,国外有代表性的太阳能反射涂料,如美国盾牌节能涂料、新加坡高科(HIT)涂料、美国太阳能集团公司研制的LO/MIT-1 型隔热漆等,可使被涂物内部温度大大降低,同时兼有较好的防蚀、阻燃、防水功能,安全无毒,已广泛用于美国、日本、马来西亚和新加坡等国的油气储罐、建筑屋顶,取得较好效果。日本、意大利等国家均投人巨资进行降温涂料或降温材料的研究,并开始产品化。特别是美国ASTM 隔热委员会C16 还制定了C1483 标准(热反射隔热涂料),对热反射涂料的各项技术指标、测试方法作出了规定,标志着“热反射隔热防腐涂料”已正式被美国接受并规定应用于相关领域,如钢结构、建筑外墙等。从1992 年开始,我国可使太阳光照射下被涂物降温的各类涂料层出不穷。至今约有40 余家研究及生产单位,有代表性的几家单位,如上海大通应用化学所、晨光涂料、镇江远方防腐工程公司、青岛海洋化工研究院、上海广毅涂料有限公司等,虽起步较晚,但由于不少企业携手高等院校及研究单位介入这一领域,在涂料机理研究、品种开发及工程应用方面,取得了巨大进展,不少方面并不比国外同类产品差,具有与国外同步的研发水平。
 
1 太阳能反射涂料的基本原理
太阳热反射涂料的基本原理是通过涂膜的反射作用将日光中的红外辐射反射到外部空间,从而避免物体自身因吸收辐射导致的温度升高。太阳能绝大部分处于可见光和近红外区。按波长可分为3 部分,在200~300 nm 的紫外线区的热辐射能量仅占5%;在400~720 nm 的可见光区占45%;在720~2 500 nm 的近红外区占50%。可见,太阳辐射热绝大部分处于400~1 800 nm 范围内。在该波长范围内,反射率越高,隔热效果越好。
1.1 反射机理
入射在涂层上的太阳电磁波将发生吸收、透射、反射3 种现象。吸收率α、反射率ρ、透射率τ 之间有如下关系:
α+ ρ + τ=1 (1)
因涂层中存在颜填料,太阳热反射涂料一般为红外不透明物质,其透射率τ 近似为0。由此,式(1)可简化为式(2):
α=1-ρ (2)
由式(2)分析可知:只有提高涂层的反射率ρ,才可以使涂层表面对能量的吸收减少。
1.2 一般物体的辐射度
一般物体的辐射度表达式为

M为总辐射度,ε 为辐射率,δ 为斯蒂芬- 波尔兹曼常数[6.57×10-8 W/(m2·K4)],T 为绝对温度。综上所述,为降低内部温度而使用的太阳热反射涂层,应满足对可见光和近红外光的高反射。
 
2 热反射涂料的影响因素
热反射涂层的主要指标热反射率取决于颜料与树脂折光指数的比值、涂层厚度、颜料粒径和纯度以及涂料的PVC(颜料体积浓度)。
2.1 树脂的选用
2.1.1 根据反射率和吸收率选用
用于太阳热反射涂层的树脂,对可见光、近红外光吸收越少越好,要求树脂的透明度高,透光率在80% 以上,太阳能的吸收率低,有些基团吸热,因此在设计合成树脂时尽量使树脂中少含C-O-C、C=O、O-H 等基团。涂料常用的树脂,如丙烯酸树脂、有机硅树脂、醇酸树脂、含氟树脂、环氧树脂、氯化橡胶等,都可以用作太阳热反射涂料的基料。
2.1.2 根据涂膜的耐候性、自洁性要求选用
用于钢制石油化工产品储罐的太阳能反射涂料,其树脂应具有良好的耐候性、优异的附着力及良好的自洁性。例如含氟树脂,由于分子结构中有特殊的结构单元,其具有低的表面能和优异的耐候性,使其涂料在户外的使用中避免灰尘的粘附和紫外线的侵害,长期保持漆膜表面的清洁及太阳能反射功能。
2.2 颜料的选用
2.2.1 颜料折光指数的影响
颜料对可见光和近红外辐射的散射能力取决于折光指数的差异。散射率m定义为颜料与树脂折光指数的比值:m=np/nR。np 为颜料的折光指数(常用颜料的折光指数为1.4~2.8),nR 为树脂的的折光指数(常用树脂的折光指数为1.45~1.50,变化很小)。要达到高反射率,必须选用折光指数高的的颜料。
一些颜填料的折光指数
2.2.2 颜料粒径对散射率的影响
一旦选定颜料后,颜料的粒径对涂层的热反射起着关键作用。颜料的最佳粒径d 与散射波长λ 的关系如下:λ=d/K

M为散射率,nR 为树脂的的折光指数,K 是由M和 nR 决定的常数。由上式可见,反射波长的红外辐射将需要较大粒径的颜填料。应根据需要反射的波长来选用合适粒径的颜填料,见表2。
不同颜色、粒径的太阳反射率
2.2.3 颜料纯度对反射率的影响
以氧化锌为例,来说明颜填料纯度对涂层反射率的影响,见表3。
氧化锌纯度对涂层反射率的影响
2.2.4 颜料体积浓度(PVC)的影响
研究表明:涂层反射率随颜基比的增加而有所增大,但不是很明显,所以要在满足综合性能的要求下,确定最佳的颜基比。
2.3 涂层厚度及配套体系的影响
2.3.1 涂层厚度
在一定涂层厚度范围内,涂层的反射率随其厚度增加而提高,但是厚度达到一定值时,光线并不能透过涂层照射到底材,此时再增加涂层厚度,对涂层的反射率影响不大。一般涂层厚度以20~40 μm 为宜。
2.3.2 配套体系
一般采用3 层涂层结构,即防腐蚀涂层、单向导热隔热涂层、热反射涂层的复合涂层体系。
2.4 功能性填料的影响
近年来,空心玻璃珠作为一种新型涂料用填料获得广泛的应用。它可以赋予涂层特殊性能:①能够提高涂料的绝热性能和赋予涂膜更好的增白遮蔽效果,能够反射80%~90% 的日光辐射热能,可防止涂膜结构中成膜物质的降解,延长使用寿命;②具有高效的填充性,能够减少涂料中基料的使用;③能够增强涂料的流平性、平滑性,明显改善涂膜硬度、抗刮伤等机械性能;④使涂膜具有更好的防污染、防腐蚀和耐黄变性能;⑤微珠的空心结构可以大大提高涂层的空隙率,从而降低涂层的热导率。
空心玻璃珠呈圆形或者近似圆形,表面为光滑坚硬、结构致密的玻璃体,对各种液体介质几乎不吸收,能够很好地反射光、热等入射波。空心玻璃微珠内部为空心,密度低,导热系数小,隔热性能也很好。这些性能,使之非常适合于作为反射型绝热涂料的反射性填料。
 
3 太阳能反射涂料展望
目前,我国石油消费量快速增长,2006 年石油消费量为3.4 亿t,2007 年的消费量达到3.6 亿t,每年消费量的增幅在8% 以上,增长迅速。2004 年我国正式启动石油战略储备工作,预计总投资约1 000 亿元,准备用15 年的时间储备石油6 600 万t。武汉市80 万t 乙烯工程也正在准备建设。2006 年建设部发布的《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》中明确规定:存储易挥发油品(包括低黏度原油、中间馏分油及轻质产品油)的储罐外壁宜采用耐候性热反射隔热防腐蚀复合涂层。可见太阳能反射涂料用量是巨大的,前景极其广阔。大多石油化工品储罐材质是钢制的,部分太阳辐
射能穿透涂层进入罐壁后就被罐壁吸收,所产生的热能和涂层传过来的热能使罐壁蓄热增加,温度升高,并将热能传递给罐内介质,特别是液化气球罐,罐内的液化气吸收一定热量后逐渐开始汽化、蒸发,使罐内的压力增大,从而给容器安全带来极大的隐患。由此,笔者认为开发单向导热隔热涂料很有前景,单向导热隔热涂料可使目标物外壁向涂层外传递热量(目标物外壁——防腐层、隔热层、反射层)及反方向隔绝热量的传递。隔热层的单向导热性使涂层具有正向传递热量和反向阻隔热量传递的特点,使目标物在白天照射下隔热降温,夜间散发热量降温,具有更好的
隔热降温作用。由厚层隔热保温向薄层隔热保温技术的转变,也是今后隔热保温材料的主要发展方向之一。绝热涂料通过应用球形中空材料在涂层中形成的真空腔体层,构筑有效的热屏障,不仅自身绝热系数大,导热系数低,而且反射率高,可减少建筑物对太阳辐射的吸收,降低被覆盖表面和内部空间温度,是建筑节能的有效措施之一,具有较高的节能经济效益和社会效益。
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