降温涂料的研究现状及发展趋势

毕爱红 朱金华 文庆珍

( 海军工程大学理学院，湖北武汉 430033)
 
 
    摘要：对目前隔热降温涂料的分类及性能进行了阐述，在此基础上提出了集阻隔、反射、辐射性能一身的降温涂料，简述了涂层的降温原理及目标降温的条件。最后，总结了降温涂料的国内外研究现状 及存在问题，简要讨论了降温涂料的应用及发展趋势。 

    关键词：降温涂料；研究进展；发展趋势

    0 引言

    每年建筑业、石油工业、运输业、兵器工业降温致冷设备所用的能量，占全年总能耗的 20 ％ 以上。在我国，这些设备消耗的能量也越来越多 ： 军事上，高温不但会严重地影响军队的战斗力，同时过高的温度也就等于放大了军事设施，如车船自 身的红外目标，很易被敌方所侦察；在船舶上，金属底舱内空气不易流通、外加户外高温持续照射， 使得舱内闷热，仪器设备、人员工作环境恶劣。因此，降低或防止太阳光强烈辐照所引起的升温，从 而节约能源，改善生活和工作环境是一个重要的研究课题。

    降温的方法有很多，如隔热层、金属镀膜和涂覆降温涂料等途径，其中涂料因经济、使用方便和隔热效果好等优点越来越受到人们的青睐。所谓的降温涂料是近年来在民用领域迅速发展起来的一种特种功能涂料，它主要通过提高涂层表面的红外发射率、反射率，达到降低建筑物内的辐射温度，减少空调能源消耗，节约能源的目的。

    1 隔热涂料的分类

    根据隔热涂料隔热降温机理和隔热方式的不同，可将其分为阻隔型、反射型及辐射型 3 类。 阻隔型隔热降温涂料是通过对热传递的高阻 抗性来实现隔热降温的涂料。应用最广泛的是硅酸盐类复合涂料，其名称繁多，如“复合硅酸镁铝 隔热涂料”、“稀土保温涂料”、“涂覆型复合硅酸盐 隔热涂料”等，但均属硅酸盐系列涂料。此类涂 料成本较低，主要用作工业隔热涂料，目前这类涂 料正在经历一场由工业隔热向建筑隔热的转变。但由于存在自身材料结构带来的缺陷，如干燥周期长，施工受季节和气候影响大等，故这类隔热涂料较少用于外墙涂装。

    选择性太阳热反射涂料是近十几年来兴起的 一 种以反射太阳光中近红外部分为主的被动式降温涂料。通过选择合适的基料、颜填料及生产工 艺，制得高反射率涂层，反射太阳光来达到降温目 的利用其热反射原理，可降低被覆空间或物 体的表面及内部温度，降低漆膜日光热老化作用，延长使用周期，减少空调能耗，节能效果显著。这 种涂料现已用于建筑、石油、运输、造船等领域，市场应用前景比较可观。

    阻隔型隔热涂料及反射型隔热涂料，只能减慢却不能阻挡热能的传递。白天太阳能经过屋顶和墙壁不断传人室内空间及结构，一旦热能传人，就算 室外温度减退，热能还是困陷其中。而辐射型隔热涂料是通过辐射的形式把物体吸收的热量以长波辐射的形式辐射到空气中，从而促使室内与室外以同样的速率降温。其中的关键技术是制备具有高热发射率的涂料组分研究表明，多种金属氧化物，如 Fe2O3 、 MnO2 、 Co2O3 、 CuO 等具有反 型尖晶石结构的掺杂型物质，具有热发射率高的特 点，因而广泛用作隔热节能涂料的填料。

  目前，人们对太阳热反射涂料研究得比较多， 而综合了阻隔、反射和辐射多重性能的降温涂料的 研究才刚刚起步，有待更多的涂料工作者对其进行 研究。

    2 热辐射原理及目标的降温条件

    热辐射是自然界中普遍存在的一种现象，它的 本质是一种电磁辐射。热辐射所发出的波长绝大部分处于可见光和近红外波段内 ( 可见光区能量占整个波段的 45 ％，紫外区占 5 ％，近红外区占 50 ％ ) 。物体对于入射能量的响应可以分为 3 类：吸收、 透过和反射。定义吸收率为 ε ，透过率为 τ ，反射 率为 ρ ，则

    ε + τ + ρ =1

    对于大部分物体，包括涂料固化后所形成的涂层可以认为是不透明的，因此 τ =0 ，故

    ε + ρ =1

    因此对于真实物体，只有在一定波段内提高涂层的反射率 P 同时在一定波段内把吸收的能量最大限度地辐射出去，才可以使涂层表面对能量的积蓄较少，涂层温度上升的幅度就不高。

    大气对于红外辐射有 2 个窗口，分别位于 3 ～ 5 μ m 和 8 ～ 13 ． 5 μ m 之间，即大气对这 2 个区域的红外辐射吸收能力较弱，透过率一般在 80 ％以上。要想实现物体的持续降温，就得把吸收的热量尽可能的辐射到外层空间中去。

    理想的降温涂料在固化成膜后应当具有如下 特点：

    (1) 在 8 ～ 13 ． 5 μ m 波段内具有高辐射性能。

    (2) 在此波段范围外最大程度地增加对外界辐射能量的反射。

    (3) 采用合适的基料，将涂料所吸收的辐射能 量全部转化成为在 8 ～ 13 ． 5 μ m 波段内的辐射能。在各种类型的降温涂料中，利用反射太阳辐射 中近红外波段的能量来达到降温目的是当前普遍 采用的方法之一。对用于军事领域的深色降温涂料 ( 军用舰船为增加隐蔽性，现在要求采用半光或无 光的面漆，颜色向深灰甚至黑灰转变 来说，由 于对涂层在可见光区域反射率的限制，只能尽量地 提高涂层在近红外区域的反射性能和热辐射性能 以达到最佳的降温效果¨ 。

    3 降温涂料的发展状况

    降温涂料的概念已提出了很长时间，由于历史环境、产品技术等多方面的因素，之前国内只有华北油田等少数几家单位进行小规模的研究和生产 应用，而且仅仅限于白色禁区，其降温和装饰效果 并不是十分理想。下面从 3 个方面介绍降温涂料的 发展概况。

    3 ． 1 降温涂料的组成研究

    刘先春以改性丙烯酸醇酸树脂为主要成膜物质，并与颜料、溶剂及助剂配合制得表面隔热涂料，这种涂料具有优异的物理化学性能及极强的亮 度，对太阳热的反射率高，可明显降低物体表面的 温度；采用鳞片状铝粉为颜料制得了一种 综合性能优良的水性反光隔热罩面涂料；天津市 建筑材料科学研究所通过大量实验优化组合，使用硼硅酸盐空心玻璃微珠，制得的涂料具有优良的反射太阳辐射的能力；广州能源所的江晴、李戬 洪等人以聚氨酯、钛白粉和高色素炭黑配制成海灰 色热反射涂料，该涂料能反射 35 ％以上的可见光和 80 ％以上的近红外热辐射。

   研制了聚氨酯改性高氯化聚乙烯热反射涂料，介绍了该涂料的配方及其性能指标，讨 论了涂料用基料树脂和颜填料对热反射率的影响。他还介绍了聚氨酯固化含羟基的丙烯酸改性氯乙烯树脂的热反射涂料的研制情况，简述了涂料组成中各种材料的选择原理及其配方和产品技术指标。涂料的热反射率与面漆所用的基料、颜填料的折光指数、颜填料的粒径、纯度、膜厚及 PVC 值均有很大的关系。

    R ． Neil 采用马来酸二丁酯-乙酸乙烯共聚物为成膜物质，通过加入一种 Ceramicsi132 珠光隔热剂制得了隔热性能优良的水性隔热涂料；英国一项 专利介绍了一种褐色的热反射涂料，由成膜剂和 近红外热反射颜料构成，近红外反射率达 70 ％，太阳光总反射率 45 ％；近期日本长岛特种涂料株式会社引进美国技术，开发了可以做成多种颜色的太阳热反射涂料，涂层由树脂、陶瓷中空珠和颜料等主要成分组成。

    中国专利 CN1204672 公开了一种反射太阳 热涂料，该涂料以改性的丙烯酸醇类树脂为主要成膜物，与颜料、溶剂及助剂组合制成隔热涂料，其中溶剂为重芳烃、溶剂油、二甲苯及乙醇的一种或 一 种以上；中国专利 CN1405248 公开了一种丙 烯酸树脂太阳热反射涂料。采用丙烯酸树脂为成膜物，与辅料分散剂、太阳热反射复合颜料、溶剂和增塑剂组合制成涂料。其耐候性好，户外寿命可达 8 — 10 年，具有较高的太阳热反射率。其中溶剂为溶剂汽油或高沸点的芳香烃；中国专利 CN1621459 公开了一种二氧化钒及其掺杂物粉体相变材料制成的太阳热智能控温涂料。该涂料由高分子成膜材料、分散剂、复合颜料、调色剂、溶剂和增塑 剂组成。与传统太阳热反射涂料不同，这种涂料能 在 (V1-xMx )O2 相变温度 以上全波段反射红外光，因而太阳热反射率更高，降温效果更好。能在 以 下全波段透过红外光，红外光透过率高，保温效果 好，从而实现智能控温。其中溶剂为溶剂汽油或高沸点的芳香烃溶剂；另外，中国专利 CN1030142 公开的白色隔热涂料配方，虽具有一定的隔热降温功效，但采用二甲苯作溶剂不利于环保。

    3 ． 2 降温涂料的机理研究

    关于降温涂料的机理研究，国内还处于实验室研究阶段，研究机构主要是天津大学，侧重于石油 储罐反射涂料反射比测试装置的研究，孙明华等人 8_ 对储罐用防腐反射涂料进行了研究；中科院广 州能源所，侧重于海灰色热反射涂料的研究初 探，给出了海灰色甲板热反射涂料传热层的传热分 析及其降温极限；化工部青岛海洋研究所 2 ，对红外热反射涂料机理进行了初探，讨论了深灰色船壳反射涂料的研究方法。

    广州能源所的陈非力与机电部所的辛启年共同开发的建筑物用红外辐射隔热降温涂料 SICC 的主要作用是降温致冷，而且是针对南方气候环境用的，因此，在红外辐射性能方面给予了更多的重视。反射性能方面，采用了现代光学技术知识，使涂料的散射性能得到加强，跟美国太阳能集团公司研制的 LO ／ MIT-1 型隔热油漆在性能上各有长短。沃群鸣详细研究了红外辐射的原理，并通 过在硅酸盐结晶相中加入 Al2O3 、 TiO2 等金属氧化 物细粉作为填料而研制出红外辐射涂料，其辐射 515 μ m 波段内红外线的能力在 85 ％以上；许新在对太阳热反射涂层反射原理分析的基础上，研究了颜料粒子的形状、颜料体积分数以及颜料的聚集状态对太阳热反射率的影响。他指出，长方形颜料涂层比球形颜料涂层的反射率高，粉体的聚集形态对涂层的反射率有显著影响。