建筑反射隔热涂料用原材料的研究进展

徐 峰 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥 230001）

0 引言

自从2006年国家强制实施建筑节能政策以来，建筑反射隔热涂料作为一种节能材料得到大量应用。大量的工程应用带来了显著的经济效益和社会效益，并因此促进了其生产技术和应用技术的发展。就涂料的生产技术来说，应当包括原材料、配方、生产程序和质量控制等许多方面。但是，从本质上说，建筑反射隔热涂料是一种再加工产品，其生产技术的研究与进展主要体现在原材料和配方方面。因此，本研究主要讨论的是其生产用原材料的研究进展及其发展。

建筑反射隔热涂料作为一种功能性涂料，也是由成膜物质、颜料（填料）、助剂和分散介质组成的。目前应用于外墙和屋面的建筑反射隔热涂料主要是水性类涂料，其分散介质为水；因而其所用助剂通常为一般水性涂料用助剂，其应用虽然会对反射隔热涂料的性能产生重要影响，但主要是品种选用和合理搭配、协调使用等问题，且同一类产品的不同商品其使用可能会有很大差别，更多的是实际应用中经验的积累。因而，建筑反射隔热涂料生产用原材料的发展主要集中在成膜物质、颜料和功能性填料等方面。

1 成膜物质

在建筑反射隔热涂料发展应用的起步阶段，其使用的成膜物质主要是生产普通外墙乳胶漆用的聚丙烯酸酯乳液和苯丙乳液（包括普通乳液和弹性乳液）。但随着时间的推移，这种情况发生了明显变化，使用其他类胶结材料作为成膜物质的研究和应用逐渐增多。

1.1 使用改性聚丙烯酸酯乳液（或称丙烯酸酯共聚 乳液）的研究

使用改性聚丙烯酸酯乳液生产建筑反射隔热涂料基于以下几个条件：一是就对涂膜的反射隔热性能来说，不同种类树脂作为涂料成膜物质对反射隔热性能的影响很小［1］；二是建筑反射隔热涂料在外墙外表面应用时受到的一大诟病是其耐久性和耐沾污性能不良；三是我国以前在使用改性聚丙烯酸酯乳液生产普通外墙涂料方面已经积累了丰富的经验。使用改性聚丙烯酸酯乳液生产建筑反射隔热涂料则能够不同程度地克服上述问题。

使用改性聚丙烯酸酯乳液生产建筑反射隔热涂料的研究包括使用有机硅-丙烯酸酯共聚乳液研制水性多彩反射隔热涂料［2-3］，使用氟碳-丙烯酸酯共聚乳液研制高耐久、高耐沾污性和具有自清洁性的高性能建筑反射隔热涂料［4-5］等。由于紫外线发射出的能量为314~419 kJ/mol，而F—C键具有485 kJ/mol的高键能，使其具有较强的抵御紫外线破坏的能力，因而氟碳-丙烯酸酯共聚乳液一般被认为是具有高耐沾污性、高耐久性的高性能乳液。在实际研究中，使用氟碳乳液制备的热反射隔热涂料在耐污试验后表现出了比丙烯酸涂料更优异的热反射性能［6］。

1.2 使用环氧改性聚丙烯酸酯乳液研制反射隔热涂料

聚丙烯酸酯乳液（树脂）的抗回粘性差、耐热性不良，其在高温下的耐沾污性更差。当建筑反射隔热涂膜受到严重沾污后，其反射隔热性几乎会损失殆尽。利用环氧树脂良好的硬度和耐热性优势对聚丙烯酸酯乳液进行物理共混改性，能够制得性能更为优异的复合乳液。以此乳液为基料的反射隔热涂料性能显著提高［7］。但是，环氧树脂的耐紫外光照射性差，因而应注意控制两种树脂的共混比例。

1.3 使用地质聚合物研制反射隔热涂料

地质聚合物也被称为地聚物，它是通过水玻璃碱性激发偏高岭土制备而成的，它是一种硅氧、铝氧四面体之间通过桥氧在三维空间聚合而成的无机聚合物。以地聚物为基料、以空心玻璃微珠为功能性填料制备的反射隔热涂料属于无机类涂料，具有强度高，耐久性好，耐沾污和反射效率高等特点，且隔热效果显著。例如，某研究以地聚物制备反射隔热涂料，其反射率达到90 %以上，隔热温差可达到24 ℃［8］。

1.4 使用无机-有机聚合物复合基料研制反射隔热涂料

地聚物虽然具有和有机高分子聚合物相似的网络结构和结合性能，但其结构易受环境影响而产生质量劣化。当将其和粘结性能、柔性均较好的苯丙乳液复合后，可以实现两者在性能上的优势互补。

研究表明［9］，以偏高岭基地聚物和苯丙乳液进行复合制得的有机-无机复合胶结材料作为成膜物制成的反射隔热涂料，与仅使用苯丙乳液制备的反射隔热涂料相比，前者除了具有较为理想的耐水、耐碱性，以及较强的耐温抗变形外，还具有更高的反射率、更好的耐候性和耐久性以及更好的综合性能。

1.5 采用硅溶胶-合成树脂乳液复合成膜物质制备 反射隔热涂料

硅溶胶属于纳米级细度的SiO2分散体，将其作为无机组分与合成树脂乳液复合制备通常的建筑涂料能够取得良好效果。这种技术也同样适用于反射隔热涂料的制备。一些研究者进行了这方面的研究［10-11］，并发现［10］涂料中硅溶胶比例的增加有助于提高涂膜的太阳光反射比和污染后的太阳光反射比，最终能够制备出具有耐沾污、高热反射和辐射能力的无机-有机复合型反射隔热涂料。

2 功能性填料和颜料

2.1 功能性填料

赋予不透明型反射隔热涂料热性能的是功能性填料，主要有玻璃或陶瓷空心微珠。近年来出现了一些新型功能性填料，例如陶瓷粉、膨胀聚合物微球、反光粉、反射隔热粉和热反射粉等。除此之外，就玻璃空心微珠产品本身而言，近年来也出现了新的高性能产品。例如，德国Dennert公司推出的Poravor X®低吸水膨胀玻璃微珠，系由纯无机矿物组成，具有良好的抗化学腐蚀性、不燃性和抗压强度，能有效抵抗户外紫外线照射和酸雨侵蚀。该玻璃微珠内部具有蜂窝中空结构，因而具有很低的导热系数、表观封闭，使吸水率大大降低，将其应用于涂料中具有黏度稳定性好，几乎不改变涂料颜色等特点［12］。

2.1.1 陶瓷粉红外辐射颜料

陶瓷粉红外辐射颜料主要是为了提高反射隔热涂膜的半球发射率，在涂料配方中配合玻璃或陶瓷空心微珠而使用的红外辐射颜料。陶瓷粉主要是由一些半导体金属氧化物（如TiO2、MgO、Al2O3等）在 1 000 ℃以上的温度煅烧制得的。当光线照射到半导体金属氧化物表面时，发生光电作用而产生大量电子跃迁，将一部分能量以红外线的形式辐射到空气中，从而提高反射隔热涂膜的半球发射率。研究表明［13］，陶瓷粉能够明显地提高涂膜的半球发射率，且半球发射率随陶瓷粉添加量的增加而增大，而当达到最大值后，半球发射率则随其添加量的增加而减小。

2.1.2 膨胀聚合物微球

膨胀聚合物微球的外壳为高分子聚合物（丙烯腈共聚物），内部是碳氢化合物，在受热（100~150 ℃）情况下，外壳软化，碳氢化合物由液态气化，从而使外壳膨胀增大，当温度降低后外壳冷却变硬，微球仍然能保持膨胀后的状态。近年来该材料被应用于建筑反射隔热涂料中，如阿克苏诺贝尔公司的Expance微珠，它是一种由聚合物壳体包裹的中空结构物，其粒径在常温时为12 μm，当加热至80~190 ℃时，其粒径可膨胀至40 μm。

也有研究发现［14］，在建筑反射隔热涂料中加入直径20~30 μm的膨胀丙烯酸微球前后，与参比黑板的隔热温差的差别并不明显。

2.1.3 反光粉

通常仅使用玻璃或陶瓷空心微珠制备的建筑反射隔热涂料，其涂膜表面粗糙、空隙较大，耐沾污性差。将不同粒径的反射填料合理搭配使用，能够使涂膜既具有良好的隔热效果，又使表面光滑平整、耐沾污性好。由于反光粉粒径较小，可有效地填充大颗粒间的间隙，提高涂膜的致密度和平整度，从而提高涂层的耐沾污性和反射率。

反光粉是高折射率玻璃微珠的半球镀铝反光材料，具有很高的反光能力，是用于生产道路反光涂料的主要功能填料。某研究［15］将质量分数为5 %的玻璃空心微珠、2 %的陶瓷空心微珠和3 %的反光粉复合成功能填料，制得的反射隔热涂料涂膜隔热温差为15.3 ℃，太阳光反射比为 0.86，半球发射率为0.88，且涂膜致密，表面光滑。

2.1.4 红外反射颜料

目前市场上的红外反射颜料是一种改性金红石型钛白粉，属于“冷颜料”类产品。典型产品是亨斯迈公司（Huntsman Corporation）的红外反射颜料ALTIRIS®550和ALTIRIS®800，通过改变TiO2晶体的粒径来提高反射率，通过改性和包覆处理而赋予其极高的耐久性。

ALTIRIS®550能使一些中等色度和浅色（L*＞ 40）涂料具有很高的太阳光反射比。研究表明［16］，调制中明度区彩色反射隔热涂料，可将普通钛白粉、反射隔热粉（红外反射颜料）和“冷颜料”三者配合使用。

ALTIRIS®800颜料的冲淡力极低（约为传统钛白粉的25 %），能使深色（L*＜ 40）和一些亮丽色彩涂料具有很高的太阳光反射性能，故可用于低明度（L*＜ 40）涂料，这些涂料（如黑色和绚丽的红色）通常不使用或很少使用普通钛白粉，配色时，如使用ALTIRIS®800颜料取代普通钛白粉，则可适当减少有色颜料的添加量［17］。

2.2 冷颜料

冷颜料也称红外反射颜料，通常定义为具有高太阳光反射率和良好的耐温性、耐候性，并且自身化学稳定性非常优异的一类颜料。一些复合无机“冷颜料”系经800 ℃以上的高温煅烧而成，因而具有优异的耐候性、耐高温性和环保性。

“冷颜料”的应用基础是使用普通颜料调制彩色涂料时太阳光反射比会显著降低。使用“冷颜料”会大大减轻这一现象。一般来说，在配制相同颜色的涂料时，用红外反射颜料的涂料和用普通颜料的涂料相比，前者的反射率会较高，且颜色越深，差值越大，最大可达20 %以上［18］。

研究认为，由于白色建筑反射隔热涂料的太阳光总反射率＞80 %（浅色＞65 %），其光、热反射性能较好，数值比较高，而使用“冷颜料”对太阳光总反射率的降低作用有限，效果不明显；但对于深色涂料结果则相反，因而深色建筑隔热涂料适宜使用“冷颜料”。例如，铬铁黑等“冷颜料”能够有效提高涂料的太阳光总反射率，降低太阳辐射吸收率（ρ），节能明显，节能效率可达10 %~14 %［19］。

3 综合技术

除了以上所述单纯品种原材料的发展与进步外，也有将不同功能原材料组合在一起以简化生产过程和保证涂料性能的新技术。例如，将作为成膜物质的合成树脂乳液和具有反射隔热功能的填料组合成一种具有反射隔热功能的复合型产品。陶氏化学公司的百历摩™ SR-01乳液就是这样一款产品。使用该乳液配制的不同明度的反射隔热涂料可以有效反射可见光及近红外波段入射的太阳辐射通量；Solarproof舒热盾反射隔热聚合物［20］也属于这类产品。

笔者曾对市场上属于这类乳液的某一产品是有机-无机复合型还是有机复合型反射隔热乳液的问题进行了研究。所用方法是检测干乳液膜的透明性和测试乳液固体物的650 ℃烧失量。

将乳液产品涂刷于试板上，在40 ℃烘干后发现，其涂膜是不透明的。从而可以判断该产品是有机复合型反射隔热乳液，因为现在制备有机-无机复合型反射隔热乳液，通常是在乳液聚合过程中加入纳米氧化铟锡（ITO）、氧化锡锑（ATO）、氧化铝锌（AZO）等半导体金属氧化物，并使之结合于聚合物结构中［21-23］，因而其干乳液膜是透明的。

在测试650 ℃烧失量时，先取适量乳液在85 ℃烘干至恒重，再取所得烘干物在650 ℃灼烧，测得乳液产品的固体含量为48.35%，固体聚合物树脂的烧失量为99.11%，从这种固体树脂在650 ℃下几乎灼烧殆尽的情况来看，也能够判断出这种复合乳液是有机复合型反射隔热乳液。

笔者发现，使用这种乳液制备反射隔热涂料的优势有3点：一是贮存稳定性较好，相较于使用玻璃空心微珠类涂料产品，其黏度稳定，不会出现填料上浮现象；二是涂膜光滑度和平整度较好；三是简化了涂料的生产过程。

4 结语

（1） 建筑反射隔热涂料生产技术的发展主要集中于生产原材料的发展，而后者则表现在成膜物质、冷颜料和功能性填料等方面。

（2） 成膜物质的进展包括以提高涂料的耐沾污性和耐久性为主要目的的对聚丙烯酸酯乳液进行改性，例如有机硅改性、氟碳改性和环氧改性等，此外还包括使用新型成膜物质研制反射隔热涂料，例如地聚物、地聚物-苯丙乳液复合物、溶胶-合成树脂乳液复合物等。

（3） 除了一些新型功能性填料，例如陶瓷粉、膨胀聚合物微球、反光粉、反射隔热粉和热反射粉等外，新的高性能玻璃空心微珠产品的使用也能够使反射隔热涂料的性能显著提高。“冷颜料”的使用则使彩色反射隔热涂料的反射率大大提高，增加了涂料的实用性。

（4） 将成膜物质和功能填料组合成一种既具有成膜性、又具有反射隔热功能的复合材料，能够简化生产过程，提高涂料贮存稳定性和涂膜光滑度、平整度等。