4.4　隔热涂料

建筑隔热（绝热）保温是节约能源、提高建筑物居住和使用功能的一个重要方面。建筑能耗在人类整个能源消耗中所占比例一般在30％～40％，且其中绝大多数是采暖和空调的能耗，故建筑节能意义重大，以我国香港特别行政区为例，其建筑能耗超过50％来自于夏季空调的降温。

建筑隔热材料是建筑节能的物质基础。目前、隔热材料正在经历一场由工业隔热保温向建筑隔热保温为主的转变，这也是今后隔热保温材料的主要发展方向之一。作为一种新型的建筑隔热材料，建筑隔热涂料因经济、使用方便和隔热效果好等优点而越来越受到人们的青睐，发展前景乐观，有望引起涂料市场和隔热材料应用领域的拓展。

建筑隔热涂料因隔热机理和隔热方式的不同可分为阻隔性隔热涂料、反射隔热涂料及辐射隔热涂料三类。

4.4.1　阻隔性隔热涂料

阻隔性隔热涂料是通过对热传递的显著阻抗性实现隔热的涂料。热传递是通过对流、辐射及分子振动热传导三种途径来实现的。由于固体物质的密度一般比较大，因此其分子振动热传导能力一般大于相同成分的液态和气态物质（水除外），导热系数高；对流则是液体和气体实现热交换的主要方式；大部分非透明固体物质对热辐射的直接传导能力都非常低，而透明度极高的物质（包括固体、液体、气体）也很少吸收热辐射的能量。真空状态虽然能使分子振动热传导和对流传导两种方式完全消失，但对于阻止热辐射的传导却无能为力。空气相对于固体来说密度极小，对热辐射电磁波的阻隔作用非常小。

因此，采用低导热系数的组合物或在涂膜中引入导热系数极低的空气可获得良好的隔热效果，这就是阻隔性隔热涂料研制的基本依据。材料导热系数的大小是材料隔热性能的决定因素，导热系数越小，保温隔热性能就越好。

常温下，静止空气的导热系数为0.023W/（m·K），故认为隔热涂料的常温导热系数不可能小于0.023W/（m·K）。但这一似乎经典的结论也受到了严厉的挑战：当涂膜中气孔的直径小至纳米数量级时（如小于50nm），气孔内的空气分子不能对流，也不能像一般静止空气中的空气分子那样进行布朗运动，即完全被吸附在气孔壁上而不能自由运动，这样的气孔实际上相当于真空状态。一方面，如果保持涂膜的体积密度及其中的气孔直径足够小，则可以使涂膜的分子振动热传导和对流热传导率接近于0；另一方面，众多足够小的微孔使得涂膜中界面的数量趋于无穷多，可以使材料内部有非常多的反射界面，从而使辐射热传导的效率趋近于0。因此，从理论上说存在着导热系数趋近于0的隔热涂膜，获得比静止空气导热系数更小的涂膜是完全有可能的。这既是机遇，也是挑战。

应用最广泛的阻隔性隔热涂料是硅酸盐类复合涂料。这类涂料是20世纪80年代末发展起来的一类新型隔热材料。我国有上百家研究单位和企业进行过保温材料的研究工作，各生产厂的产品名称也各不相同，如“复合硅酸镁铝隔热涂料”“稀土保温涂料”“涂敷型复合硅酸盐隔热涂料”等，涂料配方、施工方法等各式各样，性能（如快干快硬、防水憎水等）也各不相同，但均属硅酸盐系列涂料，均主要由海泡石、蛭石、珍珠岩粉等无机隔热骨料、无机及有机黏合剂及引气剂等助剂组成。国家质量技术监督局于1998年5月发布了《硅酸盐复合绝热涂料》国家标准（GB/T 17371—2008），这为硅酸盐隔热涂料的生产和应用提供了一个可供参照的技术标准。

受历史和社会经济条件等因素的影响，成本较低的阻隔性隔热涂料在我国的发展水平达到世界先进水平，但其主要用作工业隔热涂料，如发动机、铸造模具等的隔热涂层等。目前，这类涂料正在经历一场由工业隔热保温向建筑隔热保温为主的转变。但是，由于受附着力、耐候性、耐水性、装饰性等多方面的限制，这类隔热涂料较少用于外墙的涂装。

任何物质都具有反射或吸收一定波长的太阳光的性能。由太阳光谱能量分布曲线可知，太阳能绝大部分处于可见光和近红外区，即400～1800nm范围。在该波长范围内，反射率越高，涂层的隔热效果就越好。因此，通过选择合适的树脂、金属或金属氧化物颜料及生产工艺，可制得高反射率的涂层，反射太阳热，以达到隔热的目的。反射隔热涂料是在铝基反光隔热涂料的基础上发展而来的，其涂层中的金属一般采用薄片状铝粉；为了强化反射太阳光效果，涂层一般为银白色。

反射隔热涂料的研究报道较多。对干旱地区太阳光的冷却技术进行的研究发现，涂有反射涂层的测试室内的温度比未涂反射层的测试室内温度低得多。刘先春以改性丙烯酸醇酸树脂为主封闭要成膜物质，并与颜料、溶剂及助剂配合使用而制得的表面隔热涂料，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，可明显降低房屋表面的温度。由于金属薄片在溶剂型涂料中能够较长时间稳定存在，而在水性体系中则不能，因此大多数反射隔热涂料为溶剂体系。但水性涂料是建筑涂料的发展趋势和必然归宿，因此将金属薄片进行特殊处理或不采用金属薄片的水性反射隔热涂料已成为国内外个人涂料研究的热点之一。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Ceramic Sil32珠光隔热剂制得了隔热性能优良的水性隔热涂料。有研究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，经实体测定，当气温高达35～37℃时，涂层内部可降温11～13℃。但总的说来，我国目前高性能的水性反射隔热涂料尚处于研究开发阶段，要大规模生产尚需广大涂料工作者的进一步努力。

4.4.3　辐射隔热涂料

通过辐射的形式把建筑物吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到空气中，从而达到良好隔热降温效果的涂料称为辐射隔热涂料。

由于辐射隔热涂料是通过使抵达建筑物表面的辐射转为热反射电磁波辐射到大气中而达到隔热的目的，因此此类涂料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等掺杂形成的具有反型尖晶石结构的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。红外气象学的研究表明，在波长8000～13500nm的区域内，地面上的红外辐射可以直接辐射到外层空间。在此波段内，太阳辐射和大气辐射能远低于地面向外层空间的辐射能，因此，如果在此波段内使涂料的发射率尽可能高，那么在辐射体表面，热量就能以红外辐射的方式高效地发射到大气外层，达到建筑物隔热的目的。有研究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的红外辐射涂料辐射5000～15000nm波段内的红外线的能力在85％以上。

辐射隔热涂料不同于用玻璃棉、泡沫塑料等多孔性的阻隔性隔热涂料或反射隔热涂料，因这些涂料只能减慢但不能阻挡热能的传递。白天太阳能经过屋顶和墙壁不断传入室内空间及结构，一旦热能传入，即使室外温度减退，热能还是困陷在其中。而辐射隔热涂料却能够以热发射的形式将吸收热量辐射掉，从而促使室内与室外同样的速度降温。

4.4.4　其他隔热涂料

一种隔热效果良好的涂料往往是两种或多种隔热机理同时起作用的结果。上述几种隔热涂料各有其优点，因此，可考虑将它们综合起来，充分发挥各自的特点，进行优势互补，研制出多种隔热机理综合起作用的复合隔热涂料。最近报道了一种新型反射太阳热的由表面涂料和隔热涂料组成的、以高分子聚合物多元改性共聚而成的溶剂型复合隔热涂料。这种涂料具有优异的物理化学性能和极强的附着力与亮度，其涂层除了具有保护装饰作用外，更具有优良的耐候性、热绝缘性和反射红外线等一系列特殊功能，对太阳热的反射率高达80％，甚至更高，与通用的铝粉涂料相比涂层表面温度可降低10℃以上。高效隔热的、涂抹机械及化学性能优良的复合隔热涂料代表了未来建筑隔热涂料的发展趋势，但目前有关这方面的研究不多。

此外，还可以利用水和无机金属氧化物（主要是过渡金属）在相变时的储能隔热特性来研究制备隔热涂料。但含有ZrO2或ZrO2-Y2O3等金属氧化物涂层的涂装需采用特殊工艺，如等离子体喷涂、化学气相沉积等，而且这些氧化物的隔热效果要在高温相变时才能充分发挥出来，故目前尚未见其用于建筑隔热涂料的报道，但其发展动向为建筑隔热涂料的研究提供了一个值得尝试的方向。

4.4.5　隔热涂料的发展现状及展望

随着纳米技术的兴起与不断发展，尤其是针对材料在纳米尺度的设计合成以及纳米尺度的分散研究，为制备价格适中、性能优良的透明隔热涂料提供了一条全新的思路。已有的研究发现，具有宽带隙的N型掺杂半导体氧化物材料（又称透明导电氧化物TCO，如氧化铟锡ITO、氧化锡锑ATO等）具有类似的光学性能，即在红外区与紫外区具有较高的阻隔率，而在可见光区具有较高的透过率，因此，这是一种非常理想的可用于玻璃表面的透明隔热涂料。美国与日本是最早进行相关研究并进行产业化的国家，在相关领域申请了诸多专利。通常该类涂料是将氧化铟锡等透明导电氧化物纳米粉体进行充分的预分散，并混入合适的成膜物质以及溶剂制备成透明隔热涂料。其中，纳米级别的金属氧化物粉体是起到隔热功能的核心材料，通过调控其材料的化学元素配比来改变半导体材料的载流子密度和迁移率，从而改变光谱吸收的范围。此外，材料的形貌以及晶体结构都对相关光学特性起到决定性作用。如果材料的微观尺寸大于100nm，则由于该尺度与可见光的波长（380～780nm）具有可比性，会对可见光产生强烈的瑞利散射，因此可见光透过率就会降低。

我国在相关领域的研究还很薄弱，国产的透明导电隔热涂料还有较多的问题。主要有三方面的问题：首先，国产涂料中的ITO或ATO粉体粒径较大（亚微米或微米级别），瑞利散射严重，影响视觉效果；其次，现有的透明隔热涂料基本都是以TCO粉体为核心功能材料（透明隔热涂料的基本组成见图4-22），而TCO粉体所制备的薄膜，其光学性能无法很好地调控（TCO粉体实物图见图4-23）；最后，国产涂料的施工性能差，因其流平性能一般，涂料的涂覆工艺复杂不易掌握，施工人员必须经过专门培训才可以涂覆出优异性能的薄膜。

针对国内这些问题，以香港理工大学汪远昊博士为首的科研团队，依托香港理工大学科研力量以及光能环保科技有限公司在绿色建筑市场的既往丰富经验，共同开发了一种全新的高分散纳米透明隔热涂料。涂料所需关键TCO原料是通过自主研发的全新工艺合成的，并首次在该研究领域引入石墨烯（graphene）制备TCO—Graphene纳米复合材料，来综合调控涂料粉体的迁移率与载流子密度，从而更好地调控薄膜的光学性能；其次，涂料所采用的成膜树脂均采用国内原材料进行对比调配，通过交叉比对使其具有良好的流平性和成膜寿命；最后，为适应市场对产品环保性能的要求，该涂料将采用水为溶剂，物料成本为当前市场平均价格的50％。

此外，国际上也有许多知名的纳米隔热涂料。例如，Nanoseal公司已经研究开发出来了一种应用于建筑材料上的隔热涂料。他们的涂料还被墨西哥的Corona啤酒厂使用，在喷涂他们的涂料后，内外温差可达到2.2℃（36华氏度），而涂料的厚度仅仅为0.18nm（7‰英寸）；工业纳米技术公司开发的室内隔热涂料在粉刷三遍之后，其平均内外温差可达到-1.1℃（30华氏度）。使用他们新研发的室内隔热清漆后，其平均内外温差可达到15.56℃（60华氏度）。坐落在曼谷的世界最大的国际机场——素万那普国际机场已经使用了这种隔热涂料；HPC HiPerCoat和HiPerCaot Extreme是目前最好的隔热涂料，它们分别被美国航天局和美国赛车协会使用。报道称铝面和陶瓷面喷涂该涂料后可以将环境带给汽车的热辐射减少40％左右。这些涂料同时具有耐腐蚀的特点，可以保护其所涂基材，这将减少镀铬耐蚀带给环境的危害。NanoPore Thermal Insulation公司将硅、钛和碳形成三维立体网状结构，这种具有特殊结构的纳米粒子直径为2～20nm。制造商认为这种新型的隔热材料相对于传统的隔热材料具有更加优异的隔热性能。它的隔热能力是传统隔热材料隔热能力的7～8倍。

此外，将具有隔热效果的纳米粒子加入到传统涂料中也能获得具有优异隔热性能的隔热涂料。盈速粒涂料公司就是利用这种办法制备得到纳米隔热涂料的。根据相关报道，一种复杂的微空心的陶瓷球的加入使得盈速粒涂料拥有内在的真空环境，类似于真空保温瓶一样。在盈速粒涂料中的中空陶瓷微球通过将热折射、散射，甚至是驱散来成为一个热的屏障。

图4-24所示为透明隔热涂料隔热效果示意图。由图4-25可看出，具有相同的隔热效果的粒子经过纳米涂料处理的尺寸更小：330cm3的纳米涂料处理的绝缘孔（右），其隔热效果与000cm3的发泡聚苯乙烯处理效果一样（左）。

因此，在未来，含有纳米或纳米以下微孔结构的隔热涂料及采用纳米材料制得的涂料是未来隔热涂料发展的热点之一。作为一种最具市场应用潜力的新型科学技术，纳米技术的发展为隔热涂料的研究提供了前所未有的机遇和可能性。