謝磊，吳會軍，2，江向陽，劉彥辰，2，楊麗修，2

（1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，建筑節(jié)能研究院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學(xué) 廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實驗室，廣東 廣州 510006；3.廣州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510440）

0 前言

為應(yīng)對全球氣候變化，我國承諾到2030 年達(dá)到二氧化碳排放峰值，并于2060 年前實現(xiàn)“碳中和”。據(jù)統(tǒng)計，全球建筑領(lǐng)域消耗了40%的能源，同時約占全球總碳排放量的36%[1]；我國建筑行業(yè)碳排放占全國總碳排放的比例約為20%[2]。

建筑隔熱保溫涂料是一種具有隔熱保溫、保護(hù)和裝飾功能的新型建筑節(jié)能涂料，涂覆于屋頂和外墻的外表面可減少由室外環(huán)境造成的傳熱負(fù)荷。20 世紀(jì)90 年代，美國、德國、瑞士等國家建筑物外墻涂料裝飾率達(dá)80%[3]。當(dāng)時國內(nèi)外建筑外墻涂料發(fā)展的主要方向是高耐候性、高耐玷污、高保色和低污染，建筑外墻涂料只是起到裝飾與保護(hù)的作用。隨著建筑節(jié)能與碳排放日益受到重視，21 世紀(jì)以來，隔熱保溫涂料應(yīng)用市場重心逐漸由航天、軍工向工業(yè)和建筑轉(zhuǎn)移。

建筑隔熱保溫涂料一般由成膜基料、顏填料、溶劑和助劑組成，按成膜物質(zhì)可分為有機(jī)涂料、無機(jī)涂料；按所用溶劑可分為溶劑型涂料、水性涂料；根據(jù)隔熱保溫機(jī)理不同，建筑隔熱保溫涂料可分為阻隔型、反射型、輻射型和復(fù)合型4 類[4]。

1 阻隔型涂料研究及應(yīng)用進(jìn)展

阻隔型涂料常在涂膜中引入空氣或選擇低熱導(dǎo)率填料的方式來減小涂層導(dǎo)熱。其隔熱機(jī)理如圖1 所示[5]。通過發(fā)泡的方式在涂料中引入空氣可使涂層具有疏松多孔結(jié)構(gòu)，雖然降低了導(dǎo)熱系數(shù)，但也會導(dǎo)致涂層的力學(xué)性能變差，而且孔隙率較高容易吸水，影響涂層的隔熱效果和使用壽命。目前常采用加入隔熱保溫填料的方式，在起到隔熱保溫作用的同時減小疏松結(jié)構(gòu)對涂層防水的負(fù)面影響[6]。表1 比較了幾種常見隔熱填料的基本性能[7-8]。

表1 常見隔熱填料的基本性能

目前常用空心玻璃微珠作為阻隔型填料（見圖2），其主要成分為硼硅酸鹽，球體內(nèi)部包含的氣體使其具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)。微珠粒徑過大時，顆粒之間的空隙增大；粒徑過小時，顆粒容易團(tuán)聚，都不利于填料致密、均勻地分布在涂層中，進(jìn)而影響涂層的導(dǎo)熱系數(shù)。楊光和鄧安仲[9]研究了空心玻璃微珠平均粒徑和摻量對涂層導(dǎo)熱系數(shù)的影響，當(dāng)平均粒徑為45 μm、摻量為9%時，涂層導(dǎo)熱系數(shù)為0.061 W/（m·K）。吳梓軒[6]研究了平均粒徑分別為15、55 μm 的空心玻璃微珠復(fù)配對涂層導(dǎo)熱系數(shù)的影響，在不同復(fù)配比下涂層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.084～0.107 W/（m·K）。

通過將不同的阻隔型填料進(jìn)行復(fù)配可以獲得阻隔性能更優(yōu)的涂料。劉成樓等[10]以空心玻璃微珠、SiO2氣凝膠、硅酸短切鋁纖維和高嶺土作為填料，制備出一種導(dǎo)熱系數(shù)為0.027 W/（m·K）的薄層外墻隔熱涂料。楊旗和彭紅[11]選用空心玻璃微珠、硅藻土、漂珠等3 種導(dǎo)熱系數(shù)較低的功能填料，采用正交試驗的方法得到外墻隔熱涂料阻隔性能最優(yōu)時，3 種填料的質(zhì)量含量分別為1.8%、20%、1.2%。

阻隔型涂料可用于冬季寒冷和夏季高溫地區(qū)，涂層的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)是影響涂層隔熱保溫性能的關(guān)鍵因素。實際應(yīng)用時對外墻涂料厚度的一般要求是：薄涂型涂料的干膜厚度＜1 mm，厚涂型干膜厚度≥1 mm，涂層厚度有限[12]。因此為了阻隔型涂料在實際應(yīng)用中具有良好的隔熱保溫效果，進(jìn)一步降低涂層的導(dǎo)熱系數(shù)仍十分必要。

2 反射型涂料研究與應(yīng)用進(jìn)展

建筑反射隔熱涂料是指以合成樹脂為基料、配以功能性顏填料及助劑制成的具有較高太陽光反射比的涂料。反射型涂料的隔熱機(jī)理如圖3 所示，由于太陽光的輻射能量主要分布在可見光和近紅外波段，反射型涂料主要是通過反射可見和近紅外波段的太陽輻射進(jìn)行隔熱。

反射型涂料反射率主要取決于顏填料與樹脂的折射系數(shù)，顏填料折射系數(shù)與樹脂折射系數(shù)的比值越大，涂層反射率越高[13]。常用樹脂折射系數(shù)一般為1.45～1.50，其種類對涂層太陽熱反射能力影響不大，因此反射型涂料多選用折射系數(shù)高的顏填料作為隔熱功能填料，表2 比較了幾種常見反射填料的折射系數(shù)[7]。

表2 常見反射填料的折射系數(shù)

鈦白粉（TiO2）由于折射率高、無毒、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，成為反射型涂料中常用的功能顏填料。但以鈦白粉為主要顏填料的涂層常呈白色或淺色，用于建筑外墻和屋面容易造成眩光，且難以滿足建筑對色彩的需求。紅外反射顏料通常也指“冷顏料”，與普通顏料一樣具有色彩，但在近紅外光譜區(qū)（0.7～2.5 μm）的太陽光反射率高于普通顏料，采用“冷顏料”的材料表面溫度比同顏色傳統(tǒng)材料表面溫度低5～13 ℃[14-16]。Zhu C等[17]將黑色紅外反射顏料、氟化丙烯酸樹脂乳液和少量納米二氧化硅粒子混合在硅樹脂乳液中，制備了一種黑色熱反射涂層，涂層的近紅外太陽光反射率為0.68，而普通黑色涂層為0.05。張雪芹等[18]從顏填料、乳液的選擇等方面討論了彩色建筑反射隔熱涂料的制備。

在建筑屋頂和外墻外表面涂覆反射涂料可獲得良好的隔熱和節(jié)能效果。Yuan L 等[19]將黃色材料BiVO4包覆在云母-鈦氧化物表面，合成黃色環(huán)保型近紅外反射顏料。該顏料的近紅外太陽光反射率大于0.73，將添加該顏料的反射涂料和同顏色的傳統(tǒng)涂料分別施涂于自制試驗箱的屋面后發(fā)現(xiàn)：相比于傳統(tǒng)涂料，采用該顏料的涂料，其屋面內(nèi)表面溫度和箱內(nèi)的空氣溫度分別降低了4.5、2.3 ℃。Qiu T 等[20]使用DeST 軟件對夏熱冬冷地區(qū)一幢外墻和屋面使用了反射涂料的典型住宅建筑進(jìn)行了能耗模擬，研究結(jié)果表明，反射涂料產(chǎn)生的節(jié)能效果相當(dāng)于墻體使用7～23 mm 或屋面使用14～107 mm 的隔熱保溫層。

建筑屋面外墻用反射隔熱涂料長期暴露在室外，玷污及老化作用會降低涂層的太陽光反射率，影響其隔熱性能，開發(fā)具有高耐玷污性及耐候性的反射隔熱涂料是推廣其應(yīng)用的關(guān)鍵。另外，在冬季較寒冷的地區(qū)使用反射隔熱涂料可能會增加額外的供熱量，因此研究可變太陽光反射率涂料具有重要意義。

3 輻射型涂料研究與應(yīng)用進(jìn)展

輻射型涂料可應(yīng)用于屋面外表面，利用大氣對8～13.5 μm 波段的高透過率（大氣窗口），將熱以紅外輻射的形式發(fā)射到低溫的室外空氣中，達(dá)到主動降低屋面外表面溫度的效果。其傳熱機(jī)理如圖4 所示[21]。常用的輻射型填料一般為堇青石、含過渡金屬氧化物的尖晶石等具有高紅外發(fā)射率的陶瓷材料。

李建濤和蔡會武[22]采用過渡區(qū)金屬氧化物摻雜、高溫固相燒結(jié)法制備了在“大氣窗口”發(fā)射率大于0.94 紅外陶瓷輻射材料，并以自制紅外輻射粉為功能填料，制得了在“大氣窗口”波段內(nèi)發(fā)射率大于0.78 的節(jié)能涂料。楊光和鄧安仲[9]研究了遠(yuǎn)紅外陶瓷粉（見圖5）的摻量和平均粒徑對涂層8～13.5 μm 波段紅外發(fā)射率的影響，結(jié)果表明，增大摻量、減小平均粒徑可提高涂層的紅外發(fā)射率，當(dāng)摻量為9%、平均粒徑為1 μm 時，涂層紅外發(fā)射率為0.91。Cheng Z 等[23]通過優(yōu)化BaSO4和SiO2的粒徑分布制備了一種輻射冷卻涂層，該涂層在“大氣窗口”波段的發(fā)射率為0.96，在太陽光波段的反射率為0.95，施涂于屋面發(fā)現(xiàn)，在11：00～13：00，屋面的外表面溫度較周圍空氣溫度最多降低了8.1 ℃，實現(xiàn)了日間的亞環(huán)境溫度。

輻射型涂料用于屋面外表面時，在不用額外輸入能量的情況下就能產(chǎn)生可觀的冷卻效果，可以減少制冷設(shè)備產(chǎn)生的能耗，但其冷卻效果受到氣候條件的影響，主要包括大氣可降水量以及云層等。

4 新型SiO2 氣凝膠阻隔型涂料研究與發(fā)展

SiO2氣凝膠隔熱保溫材料是一類具有超低導(dǎo)熱系數(shù)的新型納米材料（見圖6）[24]，具有很高的孔隙率，其空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的孔隙能夠有效地阻隔固體熱傳導(dǎo)，并延長空氣熱對流路徑，其室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.013～0.016 W/（m·K），低于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)[0.025 W/（m·K）][25-27]。

將具有超低導(dǎo)熱系數(shù)的SiO2氣凝膠用于涂料中能顯著提高涂料的隔熱保溫效果。劉紅霞等[28]分別將改性SiO2氣凝膠、空心微珠作為隔熱填料添加到丙烯酸酯涂料中，通過自制隔熱測試裝置測得涂刷SiO2氣凝膠涂料的箱內(nèi)溫度比涂刷空心微珠涂料的箱內(nèi)溫度低5.3 ℃。Ibrahim M 等[29]通過數(shù)值模擬與實驗的方法評估了一種導(dǎo)熱系數(shù)為0.027 W/（m·K）的SiO2氣凝膠隔熱保溫涂料發(fā)現(xiàn)，相比與其他隔熱保溫材料，采用SiO2氣凝膠涂料的墻體的隔熱保溫性能更好。

SiO2氣凝膠涂料制備過程如圖7 所示[30]。采用穩(wěn)定劑、分散劑等助劑先制成SiO2氣凝膠漿料，隨后再與成膜樹脂、助劑、溶劑以及其他顏填料混合，最后通過高速分散制得SiO2氣凝膠涂料。制備SiO2氣凝膠涂料時應(yīng)盡量避免由于SiO2氣凝膠易團(tuán)聚和自身脆性大、強(qiáng)度低等問題對隔熱性能造成的影響。

李偉勝等[31]研究了幾種助劑的用量、分散方法和pH 值對SiO2氣凝膠分散效果的影響，制得導(dǎo)熱系數(shù)為0.065 W/（m·K）、隔熱溫差為15.8 ℃的SiO2氣凝膠隔熱涂料。孫理理等[32]以力學(xué)性能優(yōu)異的水性聚氨酯樹脂作為基料，避免了SiO2氣凝膠在形變時發(fā)生的脆性斷裂，當(dāng)氣凝膠添加量為13%～16%時，涂層的導(dǎo)熱系數(shù)低于0.050 W/（m·K），且涂層表面不開裂，綜合性能較好。

5 結(jié)論與展望

隨著建筑涂料工業(yè)的迅速發(fā)展，具有2～3 種隔熱保溫機(jī)理協(xié)同作用的高性能復(fù)合隔熱保溫涂料備受關(guān)注。制備復(fù)合型涂料主要有2 種方式，一是將具有不同功能的填料同時加入涂料中；二是制備出復(fù)合型填料后將其加入涂料中。針對不同氣候區(qū)開發(fā)相適應(yīng)的光、熱特性建筑節(jié)能涂料是復(fù)合型涂料發(fā)展的一個重要方向。

面向碳達(dá)峰、碳中和國家重大戰(zhàn)略及建筑行業(yè)的綠色低碳發(fā)展需求，建筑隔熱保溫涂料需開展進(jìn)一步的基礎(chǔ)理論研究與技術(shù)研發(fā)，包括：（1）建筑隔熱保溫涂料光熱轉(zhuǎn)換理論、光熱性能與材料微觀結(jié)構(gòu)間關(guān)聯(lián)機(jī)制等基礎(chǔ)理論需深入研究；（2）輻射型涂料在建筑主動致冷、可再生能源利用等方面展現(xiàn)出巨大潛力，但其建筑應(yīng)用方法與技術(shù)性能指標(biāo)尚需完善；（3）氣凝膠等新型材料在建筑隔熱保溫方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能，但其成本問題、建筑應(yīng)用形式等有待解決。