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有色反射隔熱建筑涂料探討,介紹了有色反射隔熱涂料的組成特點、紅外反射顏料概況
2020年02月21日    閱讀量:511    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 前言

由于節能和低碳的特性,反射隔熱涂料的開發和應用成為建筑涂料研發的熱點之一。目前不少建筑涂料企業都開發了反射隔熱涂料,但相當一部分是白色的,包括目前國內標準也還都是針對白色涂料的。


本文介紹有色反射隔熱涂料的組成特點、紅外反射顏料、紅外反射涂料隔熱機理和要求及其配色等中國建材網cnprofit.com

 

1 有色反射隔熱涂料的組成特點

以合成樹脂乳液為基料,以水為分散介質,加入顏料(主要是紅外反射顏料)、填料和助劑,經一定工藝過程制成的涂料,叫做反射隔熱乳膠漆,也就是目前所稱的反射隔熱建筑涂料。在該定義中,關鍵特征是含有紅外反射顏料,同時還要求不含對紅外光高吸收的顏料,如炭黑(顏料黑7)、鐵黑(顏料黑11)、顏料黑28等。

 

2 紅外反射顏料

人們把在可見光區具有選擇吸收,即呈現色彩,同時在紅外區能反射紅外光的顏料稱為紅外反射顏料,簡稱IR顏料(Infrared Reflective Pigment)。紅外反射顏料通常由金屬氧化物、氫氧化物、碳酸鹽等混合后,經650~1 300 ℃煅燒、固相反應而獲得。


原料中的金屬離子和氧離子重新排列,按氧離子和金屬離子的比例,形成更穩定的類似于金紅石型(rutile,O/M=2.00)、尖晶石(spinel,O/M=1.33)、赤鐵礦或剛玉(hematite or corundum,O/M=1.50)結構的復相無機顏料(Complex Inorganic Color Pigments)。這些顏料里通常含有釩、鎳、錳、鉻、銅、鐵、鈷等發色金屬離子和晶體電荷平衡離子,如鋰、鎂、鈦、鈣、鋇、鈮、鉬、鎢、鋅、鋁和銻。


高折射系數顏料,散射能力強,吸收低,反射性能好。如鈦白粉,尤其是金紅石型鈦白粉,折射系數高,可見光區遮蓋力好,同時也是很好的紅外反射顏料,所以白色涂料太陽反射比高。顏料粒徑為入射光的半波長時,散射最佳。


作為普通顏料,為了在可見光區有更高的遮蓋力,市售金紅石型鈦白粉粒徑一般為0.2~0.4 μm。雖然普通鈦白粉紅外光反射能力也很好,但作為紅外反射顏料,因為紅外光波長長,所以顏料粒徑粗些,紅外光反射能力會更好些。這當然會導致可見光區散射能力降低,遮蓋力變差,白度下降,所以存在一個性能平衡問題。亨斯邁(Huntsman)的ALTIRIS?? 550和ALTIRIS?? 800就是粒徑分別為0.6μm和0.9 μm的紅外鈦白粉。


三氧化二鉻(顏料綠17/77288,CAS號1308-38-9),折射系數2.50,也是不錯的紅外反射顏料。在可見光區具有選擇吸收,即呈現色彩,同時在紅外區能透過紅外光的顏料也可作為紅外顏料,如顏料黑31等。

 

3 有色反射隔熱涂料的隔熱機理

太陽能對建筑物的熱環境和能耗有著十分重要的作用。有色反射隔熱涂料通過對太陽能的反射和發射達到隔熱效果。根據波長的長短,太陽光可以分為紫外光、可見光和紅外光。紫外光的波長小于400 nm,約占太陽總能量的5%。可見光波長在400~720 nm,約占太陽總能量的45%。而近紅外光的波長為720~2 500 nm,約占太陽總能量的50%。


可見,太陽能主要集中于可見光區和紅外區。顏色對太陽反射比有很大影響。


就顏色來說,紅色將紅光反射出去,藍色將藍光反射出去,白色反射熱量最多,黑色吸收熱量最多。通常隨著明度的降低,顏色變深,可見光區太陽反射比下降。因此,反射隔熱涂料的顏色選用白色或淺色比較容易達到,尤其是使用鈦白粉的白色涂料,它既反射可見光,又反射紅外光。


但顏色是由用戶和設計師等選定的,通常,有色建筑涂料約占80%以上。反射隔熱涂料生產企業可以有所作為的只在紅外區,采用紅外反射顏料,把紅外光盡可能地反射出去。另外,高發射率的涂料隔熱效果好,但建筑涂料的發射率一般都在80%以上,且難以調節。

 

4 有色反射隔熱涂料的要求

目前我國反射隔熱涂料標準僅對白色或淺色反射隔熱涂料有要求,美國軍標規定深色涂料反射率在50%以上。美國綠色涂料環境標準(GS-11 GreenSeal Environmental Standard for Paints and Coatings)對墻面建筑涂料的要求是淺色涂料反射率在65%以上,深色涂料反射率在40%以上。美國冷屋頂分級協會(Cool roof rating council)對有色反射隔熱涂料的要求如表1所示。

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冷屋頂分級協會(Cool roof rating council)對有色反射隔熱涂料的要求(2005年11月7日修訂)

日本JIS K 5675—2011高太陽能反射屋面涂料(High solar reflectant paint for roof)規定如表2。

JIS K 5675—2011 高太陽能反射屋面涂料

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JG/T 235—2008《建筑反射隔熱涂料》正在修訂,其征求意見稿如表3,增加了對有色反射隔熱涂料的要求。

JG/T 235修訂征求意見稿

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5 有色反射隔熱涂料的配色

反射隔熱涂料的研發和生產關鍵是有色反射隔熱涂料的生產,白色涂料本身就是很好的反射隔熱涂料。而有色反射隔熱涂料的研發和生產關鍵是配色。除普通建筑外墻涂料的配色要求外,有色反射隔熱涂料的配色就是盡可能把紅外光部分的能量反射出去,也就是說,有一個盡可能高的TSR(太陽總反射比)。但目前太陽反射比不是總可以根據配色組分性能預測的。選擇配色時應注意以下問題:

(1)選用紅外反射顏料,配成所需顏色。因為紅外反射涂料色相有限,配色會受到限制。

(2)炭黑(顏料黑7)、鐵黑(顏料黑11)、顏料黑28等高吸收的顏料不能使用,那怕是一點點也不能用。它們會極大地降低涂料太陽反射比。

(3)紅外反射顏料可與各種粒徑鈦白粉搭配使用,進行調色。可見光區是透明的而紅外光區是高反射的顏料,如粗粒徑的鈦白粉,既能提高涂料紅外光反射,也不影響顏色。

(4)亨斯邁的紅外反射顏料ALTIRIS  800顏料推薦用于深色涂料配色,明度L在25~40,提高紅外線反射率。通常這些深色涂料不含或只含少量鈦白粉。該顏料可提供最佳的近紅外/可見光反射比,具有極低的著色力。在明度L超過40的顏色中,推薦使用ALTIRIS  550以提高紅外反射性能。

(5)紅外反射顏料和紅外吸收顏料混用時,應注意其結果紅外吸收顏料會占絕對壓倒之勢。例如含鈷紅外反射顏料在1 200~1 600 nm有強吸收,如果將TSR35.7%的紅外吸收顏料CoAl藍和TSR32.6%的紅外反射顏料MnSbTi棕各以50%比例混合時,所得TSR不是中間值,實測只有26.9%。

(6)氧化鉻綠等也是不錯的紅外反射顏料,但在近紅外區還是有吸收,用量不能太高,等等。

 

6 反射隔熱涂料的性能

反射隔熱涂料是一種功能性建筑涂料,具有一系列普通建筑涂料沒有的特性。用相同顏色涂料裝飾的外墻面,反射隔熱涂料和普通涂料相比,由于反射了紅外光部分能量,其表面溫度會較低。顏色越深,明度越低,往往差值越大,如表4所示。當然,不同顏色,差值也不同。總的說來,溫差與TSR(總太陽能反射率)相關。

反射隔熱涂料和普通涂料之間的溫差

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根據ASTM E1980-11水平和低斜度不透明表面太陽反射指數計算標準(Standard Practice forCalculating Solar Reflectance Index of Horizontal andLow-Sloped Opaque Surfaces),取外表面換熱系數19W/(m2·K),半球反射率0.82,計算得表面溫度(Ts)如表5。

按ASTM E1980-01計算表面溫度(Ts)

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由于降低了圍護結構的外表面溫度,得到一系列益處。

(1)根據熱流密度=Δt/R,夏天,降低外墻表面溫度,即降低內外墻溫差Δt,在圍護結構熱阻R相同的情況下,能減少傳入室內熱量,從而節省空調能耗。

(2)夏天外墻面溫度越低,則墻面光譜輻射出射度的峰值波長越接近大氣窗8~13.5 μm中值,就有越多的紅外光可以通過大氣窗被發至大氣外層,從而緩解了城市熱島效應。

(3)涂膜的熱氧化降解,按照一般規律,溫度每升高10 ℃,降解速率會提高1倍。使用反射隔熱涂料涂裝的外表面溫度低,能減慢涂膜降解速度,提高涂膜使用壽命。

(4)另外,保色性往往是外墻涂料的短板,而紅外反射顏料結構穩定,耐光耐候性好。因此使用紅外反射顏料也能提高涂膜使用壽命。

(5)采用反射隔熱涂料,外表面溫度降低,如在相同的乳膠高聚物Tg下,涂膜耐沾污性提高。如保持相同的涂膜耐沾污性,乳膠高聚物Tg就可降低,在相同的成膜性時,成膜助劑用量就可降低。

(6)因為夏天氣溫高,太陽輻射強,日照時間長,保溫板導熱系數低,在普通深色飾面層和防護層處,溫度可達70 ℃左右,如果突然下雨,溫度突然降至30℃左右,溫變范圍大,容易開裂。相同顏色反射隔熱涂料飾面溫度低得多,所以增加抗裂性。

(7)一般規定,外墻外保溫飾面涂料的明度要大于20%,主要是防止表面溫度過高。由于采用反射隔熱涂料,外表面溫度比較低,就不存在表面溫度過高問題,因此,對明度就可以不作要求。

 

7 反射隔熱涂料的應用

(1)反射隔熱涂料可以單獨使用,更好地是與其他保溫材料配合使用,構成系統。

(2)由于保溫需要有一定的熱阻,既要求材料有低的導熱系數,又要有一定的厚度,二者缺一不可。盡管反射隔熱涂料導熱系數不高,自身熱阻較大,但因涂膜厚度很薄,僅100 μm左右,總熱阻很小,保溫效果幾乎可以忽略。因此應與其他保溫材料配合使用,各盡其能,互相補充,構成復合系統。可和保溫砂漿、泡沫混凝土、EPS、XPS、PU、酚醛、巖棉等保溫材料組成系統。這樣才能滿足節能要求,達到較理想的隔熱和保溫作用。

(3)采用既不反射紅外光也不吸收紅外光,而在紅外光區是透明的紅外顏料。使用這種顏料配制的反射隔熱涂料時,必須采用高紅外反射性能的白色底涂層,這樣整個涂層系統同樣具有較好的紅外反射功能,從而同樣可以降低外表面溫度。


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