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文摘:介绍了目前常用的保温、冷却涂料的分类和性能。在此基础上,提出了一种具有阻隔、反射和辐射性能的冷却涂层。简述了涂层的冷却原理和目标冷却条件。最后,总结了国内外冷却涂层的研究现状和存在的问题,并对冷却涂层的应用和发展趋势进行了简要的探讨。
建筑业、石油工业、交通运输业、武器工业等行业用于冷却和冷却设备的能源占全年能源消费总量的20%以上。在中国,这些装备消耗的能源越来越多:在军事上,高温不仅会严重影响军队的战斗力,还会扩大军事设施,如车辆、船舶的红外目标,容易被敌人发现;在船舶上,金属底舱内空气不易流通,室外高温持续照射,舱内闷热,仪器设备和人员工作环境恶劣。因此,降低或防止强光照射引起的温升,从而节约能源,改善生活和工作环境,是一个重要的研究课题。
降低温度的方法有隔热层、金属涂层、涂层冷却涂层等,其中涂层以其经济、使用方便、隔热效果好等优点越来越受到人们的青睐。所谓冷却涂层是近年来在民用领域迅速发展起来的一种特殊功能涂层。通过提高涂层表面的红外发射率和反射率,可以降低建筑物内的辐射温度,降低空调能耗,节约能源。
根据隔热涂料的隔热机理和隔热方法的不同,可分为阻隔型、反射型和辐射型三种。阻隔式隔热降温涂料是一种通过高阻传热来实现隔热降温的涂料。最广泛使用的是硅酸盐复合涂料,它有许多名称,如“复合镁铝硅酸盐保温涂料”、“稀土保温涂料”、“复合硅酸盐保温涂料”等,但都属于硅酸盐系列涂料。该涂料成本低,主要用作工业隔热涂料。目前,这种涂料正经历着从工业保温到建筑保温的转变。但由于其自身材料结构的缺陷,如干燥周期长、施工受季节和气候的影响,这种保温涂料很少用于外墙涂料。
选择性太阳热反射涂料是一种主要反射太阳光近红外部分的被动式制冷涂料。通过选择合适的基材、颜料、填料和生产工艺,制备出高反射率的涂料,反射阳光,达到降温的目的。利用其热反射原理,可降低被覆盖空间或物体的表面和内部温度,降低漆膜的太阳热老化效应,延长使用寿命,降低空调能耗,节能效果显著。该涂料已广泛应用于建筑、石油、交通、造船等领域,市场前景可观。
目前,国内外对太阳能热反射涂料的研究较多,但对具有阻隔、反射、辐射等多种性能的减温涂料的研究尚处于起步阶段,需要更多的研究人员进行研究。
热辐射是自然界中常见的现象。它的本质是电磁辐射。热辐射发射的波长大多在可见光和近红外波段(可见光区能量占整个波段的45%,紫外区能量占5%,近红外区能量占50%)。物体对入射能量的响应可分为三类:吸收、透射和反射。如果吸收率为ε,透射率为τ,反射率为ρ,则
因此,对于真实物体,只有当涂层的反射率p在某一波段增大,吸收的能量在某一波段最大限度地向外辐射时,才能减少涂层表面的能量积累,使涂层的温升不高。
大气有两个红外辐射窗口,分别在3-5μm和8-13.5μm之间,即大气对这两个区域的红外辐射吸收能力较弱,透射率一般在80%以上。为了使物体保持凉爽,我们必须把吸收的热量尽可能地辐射到外层空间。
(3) 采用合适的基体材料,将涂层吸收的辐射能全部转化为8-13.5μM波段的辐射能。在各种冷却涂层中,通过反射太阳辐射近红外波段的能量来降低温度是最常用的方法之一。用于军事领域的深色减温涂料(为了增加军舰的隐蔽性,现在要求使用半光或非光面漆,颜色变为深灰色甚至黑灰色。由于涂层在可见光区域的反射率有限,只能尽可能提高涂层在近红区的反射性能和热辐射性能,以达到最佳的减温效果。
冷却涂层的概念由来已久。由于历史环境、产品技术等因素的影响,华北油田等少数单位进行了小规模的研究和生产应用,且仅限于白色禁区,其降温和装饰效果并不十分理想。以下是冷却涂层的三个方面的发展。
刘先春以改性丙烯酸醇酸树脂为主要成膜材料,配以颜料、溶剂和助剂,制备了表面隔热涂料。该涂料具有优异的理化性能和较强的亮度,较高的太阳热反射率,能显著降低物体表面温度。以片状铝粉为颜料制备了一种综合性能优良的水基反射隔热涂料;天津建筑材料科学研究院通过大量实验和优化组合,采用硼硅酸盐中空玻璃珠制备的涂料,具有优良的太阳辐射反射能力;广州能源学院江青、李建红等用聚氨酯、二氧化钛、高色素炭黑等配制的海灰涂层,可反射35%以上的可见光和80%以上的近红外辐射。
R、 尼尔以马来酸二丁酯-醋酸乙烯酯共聚物为成膜材料,加入一种ceramicsi132珠光隔热剂,制成了具有优异隔热性能的水基隔热涂料;英国专利介绍了一种棕色热反射涂料,由成膜剂和近红外热反射颜料组成,近红外反射率为70%,太阳总反射率为45%,日本长岛特种涂料有限公司最近引进美国技术,开发出可制成多种颜色的太阳热反射涂料。该涂料由树脂、陶瓷空心珠和颜料组成。
中国专利cn1204672公开了一种反射式太阳热涂料,该涂料以改性丙烯酸醇树脂为主要成膜材料,与颜料、溶剂和助剂结合制成隔热涂料,其溶剂为重芳烃、溶剂油、二甲苯和乙醇中的一种或多种;中国专利cn1405248公开了一种碳烯酸树脂太阳热反射涂料。该涂料以丙烯酸树脂为成膜材料,配以辅助分散剂、太阳热反射复合颜料、溶剂和增塑剂。其耐候性好,室外生活可达8-10年,具有较高的太阳热反射率。溶剂为溶剂汽油或高沸点芳烃,中国专利cn1621459公开了一种由二氧化钒及其掺杂的粉末相变材料制成的太阳能热智能温控涂料。该涂料由聚合物成膜材料、分散剂、复合颜料、调色剂、溶剂和增塑剂组成。与传统的太阳热反射涂料不同,该涂料能在(v1Xmx)O2相变温度以上全波段反射红外光,因此太阳热反射系数较高,冷却效果较好。它能在以下整个波段发射红外光,红外光透过率高,保温效果好,实现智能温控。其中溶剂为溶剂汽油或高沸点芳香族溶剂;另外,中国专利cn1030142公开的白色隔热涂料配方具有一定的隔热降温效果,但二甲苯不利于环保。
我国对冷却涂层机理的研究尚处于实验室研究阶段。研究所以天津大学为主,主要研究储油罐用反光涂料的反射率测试装置。孙明华等人对储罐防腐反光涂料进行了研究。中科院广州能源研究所对海洋灰热反射涂层进行了初步研究,给出了海洋灰甲板热反射涂层传热分析及传热层冷却极限。本文论述了化学工业部青岛海洋研究所红外热反射涂料的作用机理,探讨了船体深灰色反射涂料的研究方法。
近日,浙江省能源研究院推出了一种新型涂料,既能保持冬季室内温度,又能抵御夏季外阳光的照射,使室内温度降低5℃以上。该涂料已在厦门、上海和江苏昆山的开发区进行了试验。在厦门柯达制造基地,平均温降达到7.46℃。其原理是采用隔热涂料,可将紫外线(短波)的反射率提高到85%~92%,降低建筑外壳吸收的热量,提高长波(辐射热)的发射率,达到降温的效果。
20世纪90年代,江苏省建筑材料研究设计院研制出红外辐射涂料,它是以混凝土为主要材料,将建筑物吸收的太阳光和红外热以一定波长的红外辐射形式辐射到空气中,从而达到隔热减温效果研究中国建筑科学院物理研究所与丹东市、常州市、苏州市联合研制的a As作为一种太阳反射涂料,隔热防火涂料可以反射屋顶60%-70%的太阳辐射热具有良好的隔热效果。某研究所几年前就取得了红外辐射冷却涂层的实验研究成果,研制的红外辐射冷却涂层的发射率在8-13.5μM以上为0.9,具有良好的冷却效果。
天津大学康翠英、海洋化学工业研究所郭念华、詹伟民等对太阳热反射涂料进行了研究。与传统的铝粉涂料和白色涂料相比,该涂料在夏季可降低表面温度4-10℃,降低内部液体温度15-19℃。一些太阳能热反射涂料已经生产和应用,其反射隔热效果显著。
美国太阳能集团公司(American Solar Energy Group Corporation)的研究人员声称,他们已经开发出一种Lo/mit-l1隔热涂料。其隔热效果为标准金属膜的85%-95%。可使室内温度降低5.5-l4.5℃,冬季可节省8%-12%,防止热辐射外泄,冬季可节省采暖费用的1%-2%。美国的一项调查显示,在佛罗里达州住宅建筑屋顶上应用高反射率热反射涂料,可减少2%-43%的能耗,大大降低居民使用空调的能耗;在德国巴斯夫应用超冷涂料,可使被涂物体表面温度降低5.5-14.5℃。
(1) 它们大多局限于反射或辐射,但对两者的结合及其优势的充分利用研究较少
(2) 关于反射冷却的研究很多,而辐射冷却主要用于高温炉的保温和节能,真正应用于大气环境外墙保温板裁板机的案例很少。
(7) 高效隔热的复合冷却涂层、优异的涂层力学性能和化学性能代表了未来冷却涂层的发展趋势,但目前这方面的研究还很少。
为了获得理想的冷却涂层,近年来,国外在强反射、无污染等方面做了很大的努力,冷却涂层将选择向功能化、超耐候性和环境友好性方向发展。
(1) 随着玻璃窗和幕墙在现代建筑中的应用,玻璃表面涂层应运而生,但目前,玻璃反射膜和吸收膜的制备工艺比较复杂。因此,有必要研究和开发新的、易于使用的热反射和辐射涂料。
(2) 具有良好冷却效果的涂层通常是两个或多个隔热机制共同作用的结果。因此,要大力开展光、热反射、吸收、辐射等基础理论的研究,充分发挥屏障、反射、辐射的协同作用,优势互补,研制出具有多种隔热机理的复合冷却涂层。
(4) 环境保护越来越受到世界各国的重视。冷却涂料的发展应遵循涂料发展的趋势,向水基化、环保化方向发展。
(5) 此外,相变过渡金属的储能和隔热特性也可用于开发冷却涂层。目前,该领域已有专利,但在建筑冷却领域的应用尚未见报道。但其发展趋势为冷却涂层的研究提供了一个值得尝试的方向。
(6) 目前,具有一定冷却能力的涂料大多为双层或多层涂料体系,但在涂装过程中很难保证面漆的平整度和厚度,因此开发单层涂料体系具有一定的经济价值。
(7) 为了满足环境保护的需要,有机溶剂在建筑涂料中的应用受到限制。各种耐候性、耐水性和力学性能优异的水基减温涂料的出现,将使其在建筑行业得到广泛的应用。
随着世界矿产资源的不断开发利用,有限的矿产资源的枯竭一直威胁着世界经济的发展。大力发展和应用节能新技术、新材料刻不容缓。