謝磊，吳會軍，2，江向陽，劉彥辰，2，楊麗修，2

（1.廣州大學 土木工程學院，建筑節(jié)能研究院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學 廣東省建筑節(jié)能與應用技術重點實驗室，廣東 廣州 510006；3.廣州市建筑科學研究院集團有限公司，廣東 廣州 510440）

0 前言

為應對全球氣候變化，我國承諾到2030 年達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)境造成的傳熱負荷。20 世紀90 年代，美國、德國、瑞士等國家建筑物外墻涂料裝飾率達80%[3]。當時國內(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的作用。隨著建筑節(jié)能與碳排放日益受到重視，21 世紀以來，隔熱保溫涂料應用市場重心逐漸由航天、軍工向工業(yè)和建筑轉移。

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，按成膜物質可分為有機涂料、無機涂料；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、輻射型和復合型4 類[4]。

1 阻隔型涂料研究及應用進展

阻隔型涂料常在涂膜中引入空氣或選擇低熱導率填料的方式來減小涂層導熱。其隔熱機理如圖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構，雖然降低了導熱系數(shù)，但也會導致涂層的力學性能變差，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構對涂層防水的負面影響[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，顆粒容易團聚，都不利于填料致密、均勻地分布在涂層中，進而影響涂層的導熱系數(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熱系數(shù)的影響，當平均粒徑為45 μm、摻量為9%時，涂層導熱系數(shù)為0.061 W/（m·K）。吳梓軒[6]研究了平均粒徑分別為15、55 μm 的空心玻璃微珠復配對涂層導熱系數(shù)的影響，在不同復配比下涂層的導熱系數(shù)為0.084～0.107 W/（m·K）。

通過將不同的阻隔型填料進行復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)，涂層的厚度和導熱系數(shù)是影響涂層隔熱保溫性能的關鍵因素。實際應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用中具有良好的隔熱保溫效果，進一步降低涂層的導熱系數(shù)仍十分必要。

2 反射型涂料研究與應用進展

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，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行了能耗模擬，研究結果表明，反射涂料產(chǎn)生的節(jié)能效果相當于墻體使用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用的關鍵。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用進展

輻射型涂料可應用于屋面外表面，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，達到主動降低屋面外表面溫度的效果。其傳熱機理如圖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)絡結構中的孔隙能夠有效地阻隔固體熱傳導，并延長空氣熱對流路徑，其室溫下的導熱系數(shù)可低至0.013～0.016 W/（m·K），低于空氣的導熱系數(shù)[0.025 W/（m·K）][25-27]。

將具有超低導熱系數(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氣凝膠涂料時應盡量避免由于SiO2氣凝膠易團聚和自身脆性大、強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，當氣凝膠添加量為13%～16%時，涂層的導熱系數(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 種隔熱保溫機理協(xié)同作用的高性能復合隔熱保溫涂料備受關注。制備復合型涂料主要有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)相適應的光、熱特性建筑節(jié)能涂料是復合型涂料發(fā)展的一個重要方向。

面向碳達峰、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一步的基礎理論研究與技術研發(fā)，包括：（1）建筑隔熱保溫涂料光熱轉換理論、光熱性能與材料微觀結構間關聯(lián)機制等基礎理論需深入研究；（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，但其建筑應用方法與技術性能指標尚需完善；（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、建筑應用形式等有待解決。