彩色建筑反射隔热涂料的研制与应用

编辑:zhangyao 作者:张雪芹 (中国新型建材设计研究院,浙江 杭州 310003) 时间:2016年08月19日 访问次数:2673

 彩色建筑反射隔热涂料的研制与应用

张雪芹

(中国新型建材设计研究院,浙江 杭州  310003

 

摘要:以往开发应用的建筑反射隔热涂料大多为白色或浅色,但单调的色彩难以满足现代建筑外墙对不同色彩的需求,在实际应用中彩色涂料的使用率达到80%以上。彩色反射隔热涂料作为一种功能涂料,除具有良好的装饰效果外,更具有优异的热反射性能。新修订的建工行业标准JG/T 2352014建筑反射隔热涂料》,按照明度L*的高低对建筑反射隔热涂料进行了分类,给彩色反射隔热涂料的产品性能评介提供了依据。介绍了红外反射颜料的应用,彩色反射隔热涂料的隔热原理、制备技术、相关标准规范及热工性能评介等。

关键词:彩色反射隔热涂料;红外反射颜料;制备技术;标准;应用

 

 

随着我国社会经济的发展,城镇化率和人民生活水平的不断提高,夏热冬冷和夏热冬暖地区建筑空调和采暖需求逐年上升,空调用电成为夏季居民用电的主要部分,用电高峰负荷已经对电网容量与安全形成挑战。因此,迫切要求提高建筑能源利用效率,在保证合理舒适度的前提下,降低建筑能耗。研究表明,将温度降低1所需能耗是将温度升高1所需能耗的4[1]GB 501761993《民用建筑热工设计规范》规定,在夏热冬冷和夏热冬暖地区必须充分考虑夏季隔热要求。建筑反射隔热涂料通过有效反射夏季的太阳热辐射,降低建筑物表面对太阳幅射能量的吸收。因此,外墙及屋面涂装该类涂料后,涂膜表面温度不会大幅度升高,从而减少通过墙体屋面向建筑物内的传热。在夏热冬冷和夏热冬暖地区,涂饰建筑反射隔热涂料后,除了夏季能降低墙面、屋面温度,减少热量向室内传入,解决或减轻涂膜加速老化和外保温系统的裂、渗等问题外,还具有明显的节能效果。

以往开发应用的建筑反射隔热涂料大多为白色或浅色,白色或浅色涂料涂膜存在耐沾污性差的缺点,在屋顶或外墙使用一段时间后,会因漆膜表面变脏、变色导致热反射性能大幅度下降,还会造成一定的光污染;而且在实际应用中白色涂料仅占约20%,彩色涂料的使用率达到80%以上,建筑设计师大多采用各种彩色涂料,甚至是深色涂料以满足现代建筑外墙对不同色彩的需求。因此,研发生产高性能彩色反射隔热涂料对大力推广建筑节能,解决我国目前的能源困境,实现可持续发展具有重要意义。

彩色反射隔热涂料的隔热原理

在地球接受到的太阳辐射中,波长为7802500 nm的红外光和波长为400780 nm的可见光约各占45%,波长小于400 nm的紫外光约占5%,波长大于2500 nm的辐射能所占比例小于5%,而红外热辐射主要集中在7802500 nm波段。入射在涂层上的太阳辐射被反射、吸收或透射,其反射率τ与吸收率σ和透射率ρ之间存在如下关系:τ+σ+ρ=1    

由于涂膜是不透明的,其透射率ρ近似为0。因此,只有提高涂层的反射率τ,才能降低涂层的吸收率。又由于大气对红外辐射在2.55 μm813.5 μm2个窗口,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。要实现物体的持续降温,就需设法将吸收的热量尽可能通过这2个窗口辐射到外层空间去。因此,反射隔热涂料应通过提高涂层的反射率和发射率,减少涂层表面吸收的能量,使涂层温度上升的幅度降低来实现其隔热功能[2]

对于彩色反射隔热涂料而言,颜色对涂层的太阳光反射比影响很大。如白色反射全部可见光区域的热量,黑色吸收全部可见光区域的热量,红色则将红光反射出去而吸收可见光区域其它颜色的热量,以此类推。一般来说,随着明度的降低,颜色变深,可见光区太阳光反射比下降。因此,白色或浅色反射隔热涂料较易实现其反射隔热功能,尤其是白色涂料一般都添加了钛白粉,它既能反射可见光,又能反射红外光。而彩色反射隔热涂料只能通过采用红外反射颜料调色,尽可能地将红外光反射出去;并通过采用红外辐射粉等,使隔热涂料将所吸收的辐射能经波长为2.55 μm813.5 μm2个大气窗口发射到外层空间,以提高其隔热效果。

建筑反射隔热涂料的相关产品标准规定

我国先后发布实施、修订的3个建筑反射隔热涂料产品推荐性标准JC/T1040-2007

建筑外表面用热反射隔热涂料》、GB/T 25261-2010《建筑用反射隔热涂料》、JG/T 2352014建筑反射隔热涂料》,均对2 代表反射隔热涂料反射隔热性能的特性指标——太阳反射比和半球发射率作出了规定,但具体要求有所差异。JC/T 1040-2007GB/T 25261-2010仅对白色(或浅色)涂料的隔热性能作出规定;而JG/T 2352014是在 JG/T 2352008基础上作的修订,该标准首次对彩色反射隔热涂料的反射隔热性能作出了规定,这对(彩色)反射隔热涂料的进一步推广应用具有重要意义。

建材行业标准JC/T 1040-2007除规定了与普通外墙建筑涂料有关的综合性能指标外,主要规定了:太阳反射比(白色)0.83,半球发射率≥0.85;耐人工老化后上述2项指标分别为≥0.81和≥0.83

国家标准GB/T 252612010规定:太阳反射比(白色)0.80,半球发射率≥0.80;产品的耐老化性和耐沾污性应符合国家或行业标准的最高等级要求,其它性能还应符合相应国家或行业标准的规定要求。GB/T 252612010JC/T 10402007均在附录中规定了反射隔热涂料的等效热阻计算方法[3]

201417日发布、201431日实施的建工行业标准JG/T 2352014,与JG/T 2352008相比主要技术要求变化如下:修改了产品的分类,按照明度L*(表示物体表面颜色明亮程度的视觉特性值,以绝对白色和绝对黑色为基准予以分度)的高低,对建筑反射隔热涂料进行划分;增加了近红外反射比项目;增加了污染后太阳光反射比变化率和人工气候老化后太阳光反射比变化率项目;删除了隔热温差和隔热温差衰减项目;增加了太阳光反射比的测定方法;修改了半球发射率的测定方法;删除了附录A建筑反射隔热涂料热工计算的边界条件”。该标准对产品反射隔热性能的要求见表1。同时还规定:当用于金属屋面时,除应符合表1的要求外,还应符合JG/T 375的规定;其它屋面使用时,还应符合JC/T 864的规定;用于外墙时,还应符合GB/T 9755GB/T 9757JG/T 172HG/T 3792HG/T 4104等相应产品标准的最高等级规定要求。

 

 

JG/T 2352014建筑反射隔热涂料的反射隔热性能要求

太阳光反射比为,在3002500 nm可见光和近红外波段反射与同波段入射的太阳幅射通量的比值;近红外反射比为,在7802500 nm近红外波段反射与同波段入射的太阳幅射通量的比值。

彩色建筑反射隔热涂料的制备技术

3.1  颜料的选择

制备彩色建筑反射隔热涂料的关键是调色。由于无机和有机颜料在可见光区对特定波长光辐射的吸收,使得普通颜料对反射隔热涂料的隔热性能产生不利影响,为了获得较高的热反射性能,除普通建筑外墙涂料的调色要求外,彩色反射隔热涂料的调色需要采用红外反射颜料(也称冷颜料),尽可能地把近红外部分的能量反射出去,提高其近红外反射比,使制备的彩色反射隔热涂料与普通反射隔热涂料装饰效果相同,但热反射隔热性能显著提高。

红外反射颜料是一类具有高太阳光反射率和耐温性、耐候性良好,并且自身化学稳定性非常优异的环保型复合无机颜料。它们能选择性地反射一些可见光,而在红外区域并不吸收能量,而是进行反射或透射。 复合无机颜料通常经800 ℃以上的高温煅烧而成,因而具有优异的耐候性、耐高温性和环保特性。图1几种颜料的反射率曲线[4]

几种颜料的反射率曲线

国外有许多基于近红外反射功能颜料开发的屋面和建筑外墙冷却材料研究成果,美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)和橡树岭国家实验室(ORNL)在20世纪90年代就开始研究颜料的太阳光反射比和半球发射率,并将颜料分为几类分别测试研究了材料的性能、成分组成、粗糙度、纯度等对太阳光反射比的影响5LBNL根据颜料的近红外反向散射测试结果,将颜料进行了分级,分别为强、中、弱近红外散射性颜料(见表2[6]

颜料近红外反向散射能力分类

从表2可以看出,冷颜料大多属于强、中近红外散射性颜料。

3为几种普通颜料与冷颜料的基本性能对比[3]。表4为几种不同色系热反射颜料的光学性能,图2为几种浅色和中色热反射颜料的太阳光反射率[5]

几种普通颜料与冷颜料的基本性能对比

2

注:冷颜料为福禄颜料公司(Ferro)的Eclipse®系列产品。

 

几种不同色系热反射颜料的光学性能

注:1#、10#、11#为科勒颜料公司产品;2#~8#为薛特颜料公司(Shepherd)产品;9#、12#为福禄颜料公司(Ferro)产品。

 

 

几种浅色和中色热反射颜料的太阳光反射率

由表4可以看出,黑色和棕色热反射颜料明度值L较低,为17.8030.66,太阳光反射率TSR也相对较低,为12.22%~19.20%,在可见光区的太阳光辐射吸收率最大达87.78%,但在近红外区显示出优异的热反射性能,除了1#颜料外其它样品的近红外反射比都大于40%。1#和4颜料的近红外反射率相差21.41%5颜料的近红外反射率达60.99%。黄色热反射颜料的明度值L61.3181.02,太阳光反射率为46.86%62.42%,在近红外区均具有较高的热反射率,最高达91.48%。从图2和表4可见,蓝色和绿色颜料的明度值L41.7749.872种不同颜色的颜料太阳光反射率差异明显;在7201100 nm短波近红外区的热反射率均在60%以上;在11002500 nm的长波近红外反射区12#绿色颜料的热反射率在70%以上,而11#绿色颜料和蓝色颜料的反射率相对较低,在11002000 nm范围内表现出对太阳光谱的强烈吸收。

3.2  填料的选择

制备彩色建筑反射隔热涂料时,由于深色颜料的添加和金红石型钛白粉用量的减少,涂膜的太阳光反射率均有不同幅度的下降。因此,在彩色反射隔热涂料中添加填料,除了考虑涂料的基本物理性能外,为了提高涂料的反射隔热性能外,还须选用具有较高发射率和反射率的功能填料。反射隔热涂料常用的普通填料有滑石粉、云母粉、重钙等,常用的功能性填料有空心微珠、红外陶瓷粉、珠光云母粉、SiO2Al2O3等。空心微珠具有中空、轻质的特点,外观多为球形,与其它填料相比,空心微珠的表面积体积比最小,吸油量低,可降低树脂的用量。尤其是空心微珠具有相互独立的中空微观结构,能有效阻隔热量传递,具有较高的隔热性能。几种空心微

珠的太阳光反射比见表5[7]

几种空心微珠的太阳光反射比

空心微珠的反射比

太阳光反射比

粉煤灰漂珠

空心玻璃微珠

陶瓷空心微珠

0.5

0.88

0.89

3.3  乳液的选择

用于建筑反射隔热涂料的乳液应根据反射率、吸收率和对涂膜的耐候性要求选用。太阳热反射隔热涂料处于强太阳光的直接照射下,选用的乳液应具有优异的抗紫外线和耐老化性。乳液应对可见光和近红外光的吸收率低、涂膜的透明度高(透光率应在80%以上),对辐射能吸收率低(树脂分子结构中尽量少含COCCO、—OH等吸能基团)。丙烯酸乳液、有机硅改性丙烯酸乳液、有机硅乳液、苯丙乳液、氟碳乳液等均可以用作太阳热反射隔热涂料的基料。

3.4  彩色反射隔热涂料的配方

涂膜颜色的深浅主要与颜色参数明度值有关。通常将明度值高于80的称为浅色涂料,L4080的为中等颜色涂料,L低于40的称为深色涂料。JG/T 2352014对不同颜色的建筑热反射隔热涂料按涂层明度(L)的高低进行了分类:L40的为低明度反射隔热涂料,40L80的为低明度反射隔热涂料,L80的为高明度反射隔热涂料。并对不同明度的反射隔热涂料的太阳光反射比和近红外反射比分别作出了规定。为了配制不同色彩的反射隔热涂料,TiO2的用量不能太多,调色时应根据颜色的深浅调整涂料中TiO2的用量。一般,白色涂料配方中,TiO2的用量为15%20%;配制浅色涂料时,TiO2的用量为15%左右;配制中等颜色涂料时,TiO2的用量为10%左右;配制深色涂料时,TiO2的用量为5%左右。彩色反射隔热涂料的参考基础配方见表67

 

 

 

彩色反射隔热涂料的基础配方

原材料

浅色

中色

深色

去离子水

100110

100130

100130

分散剂

57

57

57

润湿剂

12

12

12

消泡剂

12

12

12

多功能助剂

12

12

12

防霉杀菌剂

12

12

12

乙二醇

1015

1015

1015

成膜助剂

510

510

510

金红石型TiO2

120150

80100

50左右

红外幅射粉

4060

4060

4060

纳米SiO2

6080

6080

6080

空心玻璃微珠

80120

80120

80120

弹性乳液

300400

300400

300400

纯丙乳液

100200

100200

100200

色浆

适量

适量

适量

消泡剂

12

12

12

增稠剂

35

35

35

流平剂

35

35

35

3.5  彩色反射隔热涂料与普通外墙涂料的热反射性能对比

孙顺杰等[6]选用有机硅树脂乳液BS43N和纯丙乳液AC-261复配作为涂料的成膜物质,通过添加高性能的冷颜料和硫酸钡等颜填料,制备了不同色系、不同明度值L的彩色反射隔热涂料,其色浆均采用红外反射颜料配制而成。同时还配制了色浆均由普通颜料配制而成的相近颜色的普通外墙涂料进行对比。彩色反射隔热涂料与普通外墙涂料的热反射性能对比结果如表7所示。

彩色反射隔热涂料与普通外墙涂料的热反射性能对比

:TSR为太阳光反射比;NIR为近红外反射比。

由表7可见,与普通外墙涂料相比,彩色反射隔热涂料在颜色相近的条件下,不同色彩涂料的太阳光反射比和近红外反射比均有不同程度的提高,且明度值L低,即颜色越深,两者的太阳光反射比和近红外反射比差值越大,表明彩色反射隔热涂料具有良好的反射隔热性能。此外,该彩色反射隔热涂料还具有良好的装饰效果好、耐久性和耐沾污性能。

3.6 彩色反射隔热涂料的应用及热工性能评价

 彩色反射隔热涂料作为新型的功能涂料,适用于屋面及外墙的隔热保温及装饰,也

可应用于石化行业、粮食储备行业等领域,尤其适用于夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的节能建筑。随着建筑节能工作的不断推进,全国各地的节能标准不断提高,如北京市发布了地方标准 DB 11/8912012《居住建筑节能设计标准》,率先在国内提出建筑节能设计75%的要求, 高于国内相关国标和行标,同发达国家水平相当。该标准已于2013 11日起正式实施。建筑热反射隔热涂料用于建筑外墙时,必须配合相应的外保温系统才能满足建筑节能50%以上的标准要求。可以针对不同地区的气候特点及建筑节能要求将建筑反射隔热涂与其它保温隔热材料进行复合应用[8]如可应用于无机保温砂浆外保温系统饰面、自保温墙体饰面及酚醛、岩棉等外墙保温系统的饰面。与此同时,应用建筑反射隔热涂料还可以显著降低建筑装饰层表面的升温速度,对外墙外保温系统具有较好的保护作用,可大幅度减小外墙外保温系统开裂的可能性。目前,建筑反射隔热涂料相关标准不断完善,部分省市相关热工性能评价方法逐步建立,对建筑反射隔热涂料的生产及应用起到了积极推动的作用。

住房城乡建设部为贯彻落实《国务院关于印发十二五节能减排综合性工作方案的通知》(国发[2011]26号),以及住房城乡建设部、财政部《关于推进夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造的实施意见》(建科[2012]55号),指导夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造工作,于201212月组织编制了(建科[2012]173号)《夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造技术导则》(试行)(以下简称《导则》)。《导则》规定:屋面改造时,在条件允许的情况下,宜采用浅色饰面反射隔热涂料,当外表面为白色时,太阳光反射比应大于0.80,当外表面为浅彩色时,太阳光反射比应大于0.60;在有光污染可能的中心城区宜采用浅色亚光型反射隔热涂料避免造成光污染。在外墙改造时,围绕夏热冬冷地区以隔热为主、保温为辅的技术路线,宜优先选择反射隔热涂料改造,外墙表面宜采用浅色饰面材料及热反射隔热涂料,彩色隔热涂料太阳光反射比应大于0.60,半球发射率大于0.80,白色隔热涂料太阳光反射比应大于0.80,半球发射率大于0.80。同时规定,热反射隔热涂料应配套外墙专用底漆和柔性外墙腻子。热反射隔热涂料产品的耐人工气候老化性能和耐沾污性能应满足国家或行业标准的最高等级要求,其它性能还应符合相应国家或行业标准的要求。

建筑反射隔热涂料的节能效果评介一直是其推广应用的一个瓶颈。GB/T 252612010JC/T 10402007均在附录中规定了反射隔热涂料的等效热阻计算方法。目前已有多个省市先后制定了建筑反射隔热涂料的相关建筑节能设计标准和应用技术规程等,对外墙外保温系统的等效热阻或传热系数进行适当的修正[9] ,但各地对相关热工参数的取值存在差异。例如,上海市工程建设规范DGJ 08-2052011《居住建筑节能设计标准》(自2011111日起实施)规定,当外墙采用建筑反射隔热涂料时,其传热系数值可以按表9取值

外墙采用建筑反射隔热涂料时传热系数的修正系数

5

重庆市工程建设标准DBJ/T 500762008《建筑反射隔热涂料外墙保温系统技术规程》规定,当外墙外保温系统使用建筑反射隔热涂装体系时,外墙的平均传热系数可按式(1)进行修正:

    K’=β·K                                              

式中:KK'——修正前、后外墙的平均传热系数,W/m2·K);

     β——修正系数,根据设计计算的传热系数K'按表8取值。 

修正系数β取值

江苏省建设厅发布的苏JG/T 0262009建筑反射隔热涂料应用技术规程规定,在进行建筑节能设计时,对不同朝向的墙面使用反射隔热涂料可选取不同的等效热阻:东西方向墙体的等效热阻为0.20m2·K/W;朝南方向墙体的等效热阻为0.19 m2·K/W;朝北方向墙体的等效热阻为0.18 m2·K/W。另外,广东省住房和城乡建设厅发布了地方标准DBJ 15-75-2010《广东省建筑反射隔热涂料应用技术规程》(自201121日起实施)

上海市工程建设规范DGJ 08-2052011《居住建筑节能设计标准》(自2011111日起实施)规定,当外墙采用建筑反射隔热涂料时,其传热系数值可以按表9取值

外墙采用建筑反射隔热涂料时传热系数的修正系数

浙江省科技推广中心已将建筑反射隔热涂料列入推广项目,认为其可作为辅助节能材料与建筑外墙保温系统配合使用,提高隔热性能。并在浙建推广[2013]4号文中对不同朝向外墙及屋面全年等效热阻值及热惰性指标的取值作出了规定(见表10)。

10  不同朝向外墙及屋面全年等效热阴值及热惰性指标

朝向

全年等效热阻

(白色)

Rd(.K/W)

全年等效热阻

(浅色)

Rd(.K/W)

热惰性指标

0.12

0.09

0

0.12

0.09

0

0.18

0.12

0

西

0.18

0.12

0

屋面

0.29

0.19

0

建工行业标准JGJ/T XXXXXXX《热反射涂料应用技术规程》正在制定中的,它将有助于指导建筑热反射涂料的工程施工质量控制,使其真正发挥隔热功能,并可作为工程质量监督部门对工程质量验收的依据之一。在规程中将引入热工性能计算方法,可为热反射涂料在建筑节能中的实际节能计算提供切实可行的方法和数据,较直观地反映其在维护结构中对隔热保温性能的贡献,还将有助于设计院、建筑节能相关部门对建筑隔热涂料的了解和选用,促进热反射涂料的推广应用[10]

上海市建筑科学研究院邱童[11]采用外表面温度计算、等效热阻值计算、建筑能耗模拟计算、热惰性及内表面最高温度计算等方法对建筑反射隔热涂料的热工性能评价方法进行了研究。认为等效热阻法在节能设计时最为简便易操作,可作为节能设计规定性指标的补充。并结合上海市的气候特点,提出了上海市不同反射比的彩色隔热涂层 K 值修正系数和等效热阻值(见表10、表11)。

10  上海市不同反射比的彩色隔热涂层 K 值修正系数

11  上海不同反射比的彩色隔热涂层 K 等效热阻值

关有俊和熊永强[12]对隔热涂料在夏热冬暖地区的应用及节能进行了分析。他们采用清华斯维尔节能设计软件( BECS20120720) ,按照《深圳市居住建筑节能设计标准实施细则》( SJG 152005) ,以深圳地区常见的 18 层居民建筑为模型进行了能耗分析。结果表明:在窗墙比小于0.5时,采用不同颜色的反射隔热涂料可以满足节能50%的要求;窗墙比≥0.75时,结合采用玻璃隔热涂料也可满足住宅建筑节能50%的要求。

 

1)以高性能合成树脂乳液为基料,通过添加高性能红外反射颜料和功能性颜填料等,经合适的配方复配,可以制备反射隔热性能优异、装饰性能良好并具有良好耐久性和耐沾污性的彩色反射隔热涂料。

2)(彩色)建筑反射隔热涂料能够有效反射太阳光幅射,在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区应用,能够降低夏季屋面、墙面及室内温度,具有良好的节能效果。随着相关标准、规范的逐步建立和不断完善,为(彩色)反射隔热涂料的性能评价提供了依据,将进一步促进反射隔热涂料在建筑节能工程中的广泛应用。

 

参考文献:

[1]  向佳瑜,万小梅.反射隔热涂料研究进展及应用J.上海涂料,20114910):28-31.

[2]  王春伟,张雪芹,郑树军,等.水性节能隔热混凝土彩瓦涂料的研制[J].新型建筑材料,200411):27-29.

[3]  张雪芹,曲生华,苏蓉芳,等.建筑反射隔热涂料隔热性能影响因素及应用技术要点[J.新型建筑材料,201211):16-28.

[4]  厦晶.复合无机颜料[J].涂料技术与文献,20119):40-44.

[5]  曹延鑫,王晓燕,冯喆.热反射颜料对彩色反射隔热涂料的影响[J].涂料工业,2014444):11-16.

[6]  孙顺杰,杨文颐,冯晓杰,等. 彩色热反射隔热涂料的研制与性能研究[J]. 中国涂料,2013434):17-22.

[7]  刘成楼,隗功祥. 彩色太阳热反射隔热外墙涂料的研制[J].现代涂料与涂装,20111412):15-20.

[8]  张雪芹,张伟平.建筑反射隔热涂料制备技术及研究进展[J].新型建筑材料,20122):46-49.

[9]  张雪芹,韩国民,周根全.建筑保温隔热涂料及其复合技术研究[J].新型建筑材料,200810):46-49.

[10]  石玉梅,杨文颐,乔亚玲. 建筑反射隔热涂料的应用现状及存在问题分析[J].中国涂料,20141):8-10.

[11]  邱童.建筑用隔热涂料热工性能评价方法分析[J].建筑节能,201210):42-45.

[12]  关有俊,熊永强. 隔热涂料在夏热冬暖地区的应用及节能分析[J].涂料工业,2013437):43-46.