李智鴻,蘇華枝,吳建青
(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州510640;2.佛山市大千色釉料有限公司,廣東佛山528137)
由社會(huì)能源消耗結(jié)構(gòu)可知,我國的能源消耗主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:建筑能耗、交通能耗和工業(yè)能耗。隨著人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度要求的提升,建筑能耗呈飛速上升的趨勢,因此建筑節(jié)能是實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的一項(xiàng)重要措施。
城市化進(jìn)程使得熱島效應(yīng)的影響逐漸增大,很多城市的白天平均溫度比周邊城郊地區(qū)的白天平均溫度要高[1,2]。環(huán)境溫度上升導(dǎo)致建筑物內(nèi)的室溫升高,在南方,尤其是夏熱冬暖的華南地區(qū),減少建筑物對(duì)太陽輻射的吸收,降低空調(diào)能耗對(duì)節(jié)約能源有十分重要的意義。根據(jù)國外對(duì)反射涂料的研究結(jié)果,太陽熱反射材料可以有效地減少熱量傳遞到室內(nèi),在夏天室內(nèi)溫度可降低5℃以上,每年每平方米可以節(jié)約空調(diào)能耗2.5 kWh以上。據(jù)建設(shè)部測算,2020~2030年左右,我國的建筑能耗將上升到總能耗的30~40%,其中外墻所承擔(dān)的保溫節(jié)能效果占建筑節(jié)能整體的50~60%。目前建筑外墻用的隔熱材料除了Low-E玻璃幕墻就只有反射隔熱涂料可選擇,住宅等大多數(shù)建筑物一般不使用玻璃幕墻,而涂料的使用壽命短,再次涂裝會(huì)帶來污染與干擾。因此對(duì)使用壽命與建筑物相等、隔熱效果顯著、美觀的隔熱陶瓷材料進(jìn)行研發(fā),明確其隔熱機(jī)理,優(yōu)化制備工藝,對(duì)夏熱冬暖地區(qū)的建筑節(jié)能具有重要的意義。
一般而言,除建筑物內(nèi)部人類活動(dòng)產(chǎn)生的熱量以外,室內(nèi)溫度上升主要源于太陽輻射對(duì)建筑的作用。太陽熱量作用于建筑外圍有三種形式[3]:一是太陽熱輻射直接作用于建筑外圍,建筑表面的材料對(duì)熱輻射產(chǎn)生吸收;二是太陽熱輻射使建筑物周邊的空氣溫度上升,導(dǎo)致空氣與建筑表面的材料產(chǎn)生溫度差,兩者產(chǎn)生熱交換,最終兩種介質(zhì)的溫度趨于平衡;三是建筑物與外部環(huán)境發(fā)生的輻射換熱。針對(duì)以上幾種換熱形式,研究人員[4-6]從材料研發(fā)的角度提出了一些解決方案,用于實(shí)現(xiàn)建筑物室內(nèi)降溫,其中最主要的是阻隔型隔熱材料、反射型隔熱材料和輻射型隔熱材料。
阻隔型隔熱材料利用材料本身的低熱導(dǎo)率,阻礙材料兩邊的介質(zhì)發(fā)生熱傳導(dǎo)。無機(jī)阻隔型隔熱材料多為多孔陶瓷,而復(fù)合阻隔型隔熱材料指的是有機(jī)涂料與中空微珠及無機(jī)化合物充當(dāng)填料的復(fù)合材料,其中起隔熱作用的主要是中空微珠。
多孔陶瓷的氣孔率在25~95%之間,具有輕質(zhì)、耐酸堿、耐高溫的特點(diǎn),可在條件極端、工況嚴(yán)苛的場景下應(yīng)用,如高溫窯爐隔熱層[7]等。除此以外,還可用于催化劑載體[8]、吸聲材料[9,10]、污水及空氣凈化[11,12]、生物應(yīng)用技術(shù)[13]、建筑物保溫[14]等多個(gè)領(lǐng)域。
在多孔隔熱陶瓷制備中,通常采用SiC,MgCO3等中的一種或者多種組合為發(fā)泡劑,發(fā)泡劑在高溫下分解可以產(chǎn)生氣體,從而形成氣泡,體積膨脹,使產(chǎn)品的容重變低。這些發(fā)泡劑在反應(yīng)過程中會(huì)釋放出CO2氣體,高溫下由于有液相存在,釋放出的CO2被液相包裹形成封閉氣孔,從而使產(chǎn)品急劇膨脹?;瘜W(xué)反應(yīng)的快慢主要取決于反應(yīng)物的活化能、反應(yīng)物的濃度與反應(yīng)溫度。在反應(yīng)物的活化能一定的條件下,反應(yīng)速度就由反應(yīng)物的濃度與溫度決定。對(duì)于上述的分解反應(yīng),反應(yīng)物的濃度越大,溫度越高反應(yīng)越容易進(jìn)行,通常溫度每升高10℃,反應(yīng)速率增加2~4倍。因此,在適當(dāng)?shù)臏囟认卵娱L保溫時(shí)間,能促進(jìn)坯體發(fā)泡膨脹。對(duì)于常用的SiC發(fā)泡劑,氧化越充分,發(fā)泡程度越大。因此,隔熱保溫陶瓷發(fā)泡程度主要取決于坯體配方、發(fā)泡劑的種類、用量、細(xì)度、燒成制度(包括燒成時(shí)間、燒成溫度、保溫時(shí)間)等因素。通過控制混合型發(fā)泡劑的用量以及各組分之間的配比以及燒成制度,就能夠控制生成的氣體量,在材料內(nèi)部形成需要的氣孔量。如表1所示,目前技術(shù)能夠批量制備密度為0.25~0.5 g/cm3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.07~0.12 W/(m·K)的輕質(zhì)陶瓷板,建筑用隔熱陶瓷產(chǎn)業(yè)化努力的目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是密度在0.15g/cm3左右,導(dǎo)熱系數(shù)低于0.05W/(m·K),并且具有較高強(qiáng)度的輕質(zhì)陶瓷。
除了長石質(zhì)陶瓷等普通陶瓷,多孔隔熱陶瓷的材質(zhì)還有很多,比如鈦酸鋁、莫來石、鎂橄欖石、鎂鋁尖晶石等。鈦酸鋁多孔陶瓷的熱膨脹系數(shù)較低、耐高溫、耐候性強(qiáng),能較好地抵抗熱震沖擊。莫來石多孔陶瓷除了抗腐蝕抗氧化能力強(qiáng)、抗高溫侵蝕外,還具備荷重軟化溫度高、優(yōu)良的電絕緣性能等特點(diǎn)。鎂橄欖石多孔陶瓷的熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性高、與其他堿性材料相容性良好。鎂鋁尖晶石多孔陶瓷的耐磨性好、酸堿穩(wěn)定性強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性能強(qiáng),熔點(diǎn)高達(dá)2135℃。趙杰等[15]將短切莫來石纖維與正硅酸乙酯、乙醇、氫氟酸、甲酰胺和水混合制得坯體,燒成后得到多孔輕質(zhì)莫來石陶瓷,其氣孔率高,隔熱性能好。鈦酸鋁在800℃易發(fā)生熱分解,較高的熱膨脹系數(shù)容易使材料內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂紋。因此,劉欣等[16]提出,莫來石的“釘扎”效應(yīng)可用來提高鈦酸鋁的熱穩(wěn)定性,鎂鋁尖晶石可用于提高復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能,他們以質(zhì)量比為63:27:10的鈦酸鋁、莫來石、鎂鋁尖晶石為主要原料,以淀粉作成孔劑,研究了復(fù)合多孔陶瓷的熱穩(wěn)定性,以及氣孔大小對(duì)陶瓷隔熱性能的影響。Wen Y等[17]發(fā)現(xiàn)硅微粉的加入可以在輕質(zhì)多孔陶瓷燒成時(shí)促進(jìn)氣孔長大,當(dāng)硅微粉加入量為3.2 wt%時(shí),多孔鎂鋁尖晶石陶瓷的性能最佳。
表1 常用建筑材料的密度與導(dǎo)熱系數(shù)
根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)[18]規(guī)定,阻隔型隔熱涂料的熱導(dǎo)率應(yīng)小于0.06 W/(m·K)。阻隔型隔熱涂料以有機(jī)樹脂為基體材料,加入填料和空心微珠及少量助劑制備而成??招奈⒅槭且活惥哂械蜔釋?dǎo)率的材料,一般為陶瓷空心微珠[19,20]和玻璃空心微珠[21]。空心微珠球體殼層呈剛性,保證了球體中間的空氣不被壓縮,由于空氣的熱導(dǎo)率很低,因此空心微珠的隔熱性能很好。陶瓷空心微珠耐火度高、力學(xué)性能較好,而玻璃空心微珠的透明度較好、質(zhì)輕、制作成本較低,因此在制備阻隔型隔熱涂料時(shí),可將陶瓷空心微珠和玻璃空心微珠復(fù)合使用。此外,玻璃空心微珠力學(xué)性能相對(duì)較差,使用時(shí)需謹(jǐn)慎控制添加量,過多的玻璃空心微珠會(huì)導(dǎo)致玻璃的破損率明顯提高,分散性和施工性都顯著下降。
邢俊等[22]研究了陶瓷空心微珠和玻璃空心微珠含量對(duì)涂層隔熱性能的影響,發(fā)現(xiàn)兩者均在添加量高于10 wt%時(shí),樣品的隔熱性能不再提高。此外,添加陶瓷空心微珠使涂料有嚴(yán)重增稠現(xiàn)象,而玻璃空心微珠在涂料中的穩(wěn)定性較好。宋云娟等提出在空心微珠添加量不變的情況下,涂層的隔熱性能與空心微珠的級(jí)配密切相關(guān),通過陶瓷空心微珠、玻璃空心微珠與乳液基材混合,獲得的最優(yōu)樣品的隔熱溫差為8.7℃。
光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí),由于兩種介質(zhì)間的光學(xué)性能差異,原來的光會(huì)產(chǎn)生吸收、反射、散射、透射。對(duì)于陶瓷釉層而言,散射部分的能量最終還是以吸收、反射、透射的能量表述。由于陶瓷基體基本不透光,因此透射效應(yīng)可忽略不計(jì),即只需考慮陶瓷材料對(duì)太陽光的吸收和反射作用。當(dāng)樣品對(duì)太陽光的反射能力提升時(shí),吸收能力下降,隔熱性能提高。而陶瓷對(duì)太陽光的反射作用受多方面因素影響,如晶體類型、晶體的體積濃度、反射層厚度等。
圖1 基于AM1GH方法的太陽輻射分布光譜[23]
根據(jù)圖1所示的太陽光能量分布可知,太陽光在不同波長下的能量密度不同,紫外波段(200~400 nm)能量約占太陽光總能量的1~5%、可見光波段(400~780 nm)能量約占太陽光總能量的45~50%,近紅外波段(780~2500 nm)能量約占太陽光總能量的50%。若能提高陶瓷對(duì)可見光和近紅外光的反射效果,則可提升反射型隔熱陶瓷的隔熱能力。由于材料在可見光區(qū)對(duì)不同波長的光有特定規(guī)律的反射或吸收特性,因此對(duì)于彩色的反射型隔熱陶瓷而言,提升隔熱性能的關(guān)鍵在于提升陶瓷對(duì)近紅外光的反射能力。
太陽光作用于陶瓷磚時(shí),陶瓷磚的反射性能受表面層的晶體種類和晶體含量的影響非常大。通常釉面磚中釉層含有的晶體的折射率越高,釉層對(duì)太陽光的反射性能越好。釉中晶體的分布、晶粒尺寸等因素都會(huì)對(duì)釉層的反射性能有影響,而陶瓷燒成是一個(gè)復(fù)雜的過程,配方組分和燒成制度的改變可能會(huì)導(dǎo)致釉層的反射性能發(fā)生明顯變化。此外,釉層厚度影響釉的反射性能也是十分顯著,當(dāng)釉層較薄時(shí),厚度增加會(huì)使反射性能明顯增強(qiáng),釉層達(dá)到一定厚度時(shí),太陽光反射比的增幅變得非常小。
目前關(guān)于反射型隔熱陶瓷磚的研究較少,較早開發(fā)反射型隔熱陶瓷磚的是勞倫斯伯克利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LBNL)的Ferrari等[24],他們制備了底層為坯體、中層為化妝土、頂層為透明釉的多層復(fù)合陶瓷磚,其中化妝土層中包含有折射率較高的晶體,為陶瓷磚提供了優(yōu)良的反射性能,實(shí)驗(yàn)中得出的最高的太陽光反射比約為0.9。此外,研究表明,以含鈦礦物為主晶相的釉層對(duì)太陽光也具有高反射的性能[25,26]。
反射型隔熱涂料的化學(xué)組分與阻隔型隔熱涂料的十分類似,主要差別在于反射型隔熱涂料使用對(duì)太陽光有高反射性能的材料作為填料。因此,高反射填料和空心微珠常常同時(shí)應(yīng)用在隔熱涂料中,這樣可以明顯提升涂料的隔熱性能。
鈦白粉(銳鈦礦型和金紅石型二氧化鈦)是目前最為廣泛使用的填料,其價(jià)格相對(duì)較低,反射性能較好,且銳鈦礦型二氧化鈦具有一定的催化活性,在自清潔、殺菌方面有一定效果[27]。除鈦白粉外,還有硫酸鋇、氧化鋅、氧化錫等物質(zhì)具有較強(qiáng)的太陽光反射效果。馬承銀等[28]對(duì)摻了不同白色粉體的涂料做了近紅外反射率的測定,結(jié)果見表2。數(shù)據(jù)顯示,摻金紅石型二氧化鈦和銳鈦礦型二氧化鈦的涂料的反射率最高,氧化錫次之。一般而言,填料的種類是決定涂料太陽光反射性能的關(guān)鍵性因素,而填料的粒徑、體積分?jǐn)?shù)、不同填料間的配合、涂層的厚度等因素都會(huì)對(duì)涂料的反射隔熱性能產(chǎn)生影響[29,30]。
表2 幾種白色材料對(duì)近紅外輻射的反射率[28]
輻射型隔熱材料是一類能向外界主動(dòng)輻射遠(yuǎn)紅外光的材料,在陶瓷領(lǐng)域中,這類材料統(tǒng)稱為遠(yuǎn)紅外陶瓷粉。當(dāng)太陽輻射到達(dá)遠(yuǎn)紅外陶瓷粉表面時(shí),首先發(fā)生光熱轉(zhuǎn)化,并將熱量以紅外長波形式向空氣主動(dòng)輻射[31]。根據(jù)使用溫度的不同,遠(yuǎn)紅外陶瓷粉可分為常溫(≤150℃)和中溫以上(>150℃)遠(yuǎn)紅外陶瓷粉[32]。常溫遠(yuǎn)紅外陶瓷粉有氧化鎂、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯等體系,可應(yīng)用于造紙、服裝、醫(yī)療等行業(yè)。中溫以上遠(yuǎn)紅外陶瓷粉主要有 Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Cr的氧化物等,通常與涂料混合涂覆在鍋爐、金屬熱處理爐、輻射加熱器等的外表面。輻射型隔熱材料應(yīng)用前景十分廣泛,但該類型隔熱涂料要求基體、填料和助劑都需要有較好的紅外發(fā)射率,選材范圍局限,因此目前關(guān)于輻射型隔熱材料的研究相對(duì)較少。
耐候、耐火、耐腐蝕、易清潔的陶瓷隔熱材料是建筑材料發(fā)展的重要方向,目前對(duì)于陶瓷隔熱材料的研究還很不充分,應(yīng)當(dāng)根據(jù)使用地區(qū)的實(shí)際情況研發(fā)合適的陶瓷隔熱材料,為建筑節(jié)能做出貢獻(xiàn)。
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