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本文介紹了隔熱涂料的隔熱原理和類型，綜述了近年來隔熱涂料的研發(fā)和應用情況，最后對隔熱涂料的未來發(fā)展趨勢進行了展望。

01. 前 言

物質間或物質內(nèi)的熱量傳遞可表現(xiàn)為三種基本方式：熱傳導、對流傳熱和（或）輻射傳熱。生活中遇到的導熱問題基本包括這三種方式，不同情況下的熱量傳遞方式主次不同，形式各異。

熱傳導是以物質的分子、原子或電子的移動或（和）振動的方式傳遞熱量，其中，流體中的熱傳導與物質分子的動量傳遞相似。對流傳熱以流體微粒的宏觀運動的形式進行熱量傳遞，因此，它僅存在于具有動量傳遞特質的流體中。

輻射傳熱是通過電磁波的形式進行熱量傳遞，因此無需媒介。通過對源頭熱量的產(chǎn)生、中間過程熱量的傳遞和（或）末端熱量的接收過程進行控制，可減少物質間或物質內(nèi)的熱量傳遞。用于實際生產(chǎn)和生活的源頭熱量是固定的，因此，通過將帶有熱量的源頭物質和末端接收多余熱量的物質進行過程隔熱，隔熱作用于熱量傳輸過程或能量接收物質表面，可減少空間物質之間的熱量傳遞，成為能源、國防、民生等方面的重要課題。

通過太陽光輻射傳遞熱量作用于物體的方式可使物體產(chǎn)生熱量。將隔熱涂層涂在物體表面，可減少熱量的傳遞，阻礙物體的溫度升高，實現(xiàn)隔熱。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和能源、資源的消耗，隔熱涂料作為新型功能性涂料迅猛發(fā)展起來。它具有能源節(jié)約、資源節(jié)省、成本低廉、施工方便等特點，已廣泛應用于石油及化學工業(yè)、建筑業(yè)和交通運輸?shù)阮I域，以減少人為熱量的產(chǎn)生和散發(fā)，控制全球溫度繼續(xù)升高。日本的《涂料年鑒2017》數(shù)據(jù)結果顯示，日本2004年使用隔熱涂料1549.3t，2015年使用隔熱涂料13114.9t，十年用量增長8倍多。

現(xiàn)代建筑的屋頂和幕墻廣泛使用大面積的玻璃材料代替以前的水泥混凝土結構，以加強建筑的美學外觀并確保足夠的室內(nèi)采光。人們在享受玻璃屋頂和幕墻帶來的美好體驗時，卻面臨著嚴重的室內(nèi)溫度升高問題，使得美好體驗價值大打折扣。這是由于玻璃的傳熱系數(shù)較高，在炎熱的夏天，太陽輻射透過玻璃后將能量貯存在室內(nèi)有限的空間中，導致室內(nèi)溫度急劇升高。

同樣，空間狹小的密閉汽車在炎熱夏日通過玻璃（接受太陽輻射的主要組成）傳遞太陽熱量，使車內(nèi)溫度高達60度以上，且缺少新鮮空氣，造成不斷有尚處在發(fā)育階段的兒童在密閉的“悶罐車”里發(fā)生“熱射病”至死。

如何通過減少透過玻璃屋頂和幕墻的太陽輻射量，以減少室內(nèi)的溫度升高，是玻璃屋頂和幕墻在應用過程中急需解決的問題。相關數(shù)據(jù)顯示，將溫度降低1℃所需能耗是將溫度升高1℃所需能耗的4倍。還有數(shù)據(jù)表明，如果環(huán)境溫度平均升高1℃，就會使空調(diào)能耗增加5%-8%。因此，在不改變現(xiàn)有建筑結構的情況下，提高玻璃本身的隔熱效果可有效減少電力能源的消耗。

在玻璃隔熱方面，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量研發(fā)工作。在日本，隔熱涂料目前已被用于建筑玻璃的隔熱降耗。在不影響采光的前提下，表面涂有隔熱涂料膜的普通玻璃最多允許32%的紅外線和5%的紫外線透過，可使室溫降低2~5℃。將隔熱涂料應用于建筑外墻，可有效減少其對太陽輻射的吸收，從而降低建筑物的表面溫度，最終減少室內(nèi)外熱量的傳導，達到隔熱目的。具體表現(xiàn)為：一方面可以保持房屋內(nèi)溫度，節(jié)約能耗；另一方面可以提高保溫系統(tǒng)的壽命，減少因太陽輻射引起的表面溫度過高而造成材料的加速老化。

在工業(yè)罐體方面，隔熱涂料可以達到降低罐體溫度、減小罐內(nèi)壓強、增加安全性、增強效能、節(jié)約能源及節(jié)約水資源的目的。露天儲油罐表面溫度升高會使儲罐內(nèi)油品蒸發(fā)加劇，造成油量損失，同時罐內(nèi)壓強增大，甚至會引發(fā)爆炸。目前，采用噴淋水的方法對儲罐進行表面降溫，既浪費水資源，隔熱效果又不明顯。有數(shù)據(jù)表明，將隔熱涂料涂覆在罐體表面后，可使其降溫10~20℃，罐體內(nèi)部可降溫5~10℃，液化氣罐不會發(fā)生超溫、超壓現(xiàn)象。隔熱涂料不需要額外的能量和水便能夠有效降低油罐表面溫度，阻隔罐內(nèi)外的熱量傳遞，實現(xiàn)資源節(jié)約和罐體降溫。

02. 隔熱涂料分類

根據(jù)上述三種隔熱機理，可將隔熱涂料分為阻隔型隔熱涂料、輻射型隔熱涂料和反射型隔熱涂料。

2.1 阻隔型隔熱涂料

根據(jù)阻止熱量產(chǎn)生、傳遞和接收三種中的熱傳導（即熱傳遞）的機理，開發(fā)阻隔型絕熱涂料。一般地，多孔結構涂料膜的堆砌密度小，導熱系數(shù)（λ）小于0.06W/(m·K)，絕熱性能優(yōu)異。然而，這種多孔涂料具有吸水率高、干燥周期長、干燥過程易受環(huán)境和氣候影響等缺點。

硅酸鹽類復合型涂料具有填料成本較低、生產(chǎn)方便、設備簡單、保溫效果好等優(yōu)點，因而，是目前對防腐要求不太高的建筑墻體、高溫管道應用中使用最廣泛的選擇。

阻隔型隔熱涂料的隔熱性能通常與其涂覆厚度成正比，因而，在基材表面需要形成一定厚度的涂層，以達到隔熱的目的，這卻使施工和涂層干燥變得困難。

2.2 輻射型隔熱涂料

地表近層大氣中的水蒸氣、CO2和O3在8~13.5μm的紅外波段內(nèi)對熱輻射的散射和吸收能力很弱，使得大氣對此波段（“大氣窗口”）的輻射有很高的透過性。輻射型隔熱涂料在大氣窗口內(nèi)有較高的熱輻射發(fā)射率，將其涂覆到物體表面后，可使物體表面的熱量以紅外輻射的形式發(fā)射到大氣中，從而實現(xiàn)對物體降溫的目的。

這類涂料能夠實現(xiàn)在室內(nèi)和室外以相同速率降溫，目前僅應用于冶金和煉鋼行業(yè)及制作紅外輻射窗簾布等方面。

2.3 反射型隔熱涂料

地球表面太陽能的分布如圖1所示。

由圖1可知，地球表面太陽光的能量主要集中在波長為0.4~1.8μm的可見光和近紅外光區(qū)，占太陽輻射能量的90%以上。反射型隔熱涂層將照射到其表面的可見光和近紅外光反射回大氣層中，通常熱反射率能達到85%以上，有效阻隔太陽能量向物體內(nèi)部傳遞，顯著減少太陽輻射到物體表面的累積熱，從而實現(xiàn)降溫。

03. 應用

隔熱涂料應用價值大，具有非常廣闊的應用空間。

3.1 建筑涂料方面

隨著環(huán)保意識的日漸增強，涂料生產(chǎn)公司選擇開發(fā)節(jié)能環(huán)保型材料并積極引導大眾消費。研究表明，將純丙乳液和助劑均勻穩(wěn)定分散在水中，然后，通過添加SiO2氣凝膠和滑石粉等制備SiO2氣凝膠隔熱涂料的漿料，最后，將其涂覆在普通馬口鐵基底上，以獲得隔熱涂層。所得涂層表面光滑平整、附著力強、硬度好、耐水和耐熱性能較好、隔熱性能優(yōu)異，完全滿足隔熱涂料的基本需要，將成為未來隔熱涂料的發(fā)展代表，必定會擁有較為廣闊市場和應用前景。

通過選擇性能優(yōu)異的冷顏料或者復合無機顏料、具有耐紫外光線和耐久性更好的純丙乳液和苯丙乳液樹脂和常見填料等，制得具有優(yōu)異熱反射性能和裝飾性能、良好的耐久性和耐沾污性能的彩色熱反射隔熱涂料。與目前大多數(shù)白色或淺色的熱反射隔熱外墻涂料相比，彩色反射隔熱涂料滿足了現(xiàn)代建筑對不同色彩的需求，同時具有優(yōu)異的熱反射性能和隔熱性能，具有廣闊的應用前景。

紅外反射隔熱涂料是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸δ芡苛稀＝┠?，社會對其的應用需求迅速增長。根據(jù)我國《節(jié)約能源法》規(guī)定，研發(fā)的紅外反射隔熱涂料具有裝飾和隔熱的雙重功能，相應的產(chǎn)品標準已經(jīng)出臺，如：JC/T 1040-2007《建筑外表面用熱反射隔熱涂料》、GB/T 25261-2010《建筑用反射隔熱涂料》和JG/T 235-2014《建筑反射隔熱涂料》。通過理論計算和分析，與普通涂層相比，使用反射隔熱涂層可提高節(jié)能效率15.9%，節(jié)能效果明顯。紅外反射隔熱涂料已被用于諸多領域，如石油化工、糧食儲備和建筑工程屋面及墻面等。實際應用有明顯效果，如圖2所示。

3.2 工業(yè)涂料方面

目前，工業(yè)涂料的保溫層和防護層較厚、接縫較多，給施工帶來很大不便；防護層密封性差，雨水和腐蝕性氣體容易滲透。廉衛(wèi)珍[13]采用透明性優(yōu)良的復配小分子樹脂，采取有利于反射隔熱的顏填料設計涂料配方，研制出了新型防腐隔熱涂料，可以有效解決以上問題，最終可以達到生態(tài)環(huán)保、節(jié)能減排的目標；按照GB/T 4272-2008《設備及管道絕熱技術通則》、GB/T 8175-2008《設備及管道絕熱設計導則》和GB/T 8174-2008《設備及管道絕熱效果的測試與評價》的規(guī)定，通過模擬實驗，研究了其力學性能、耐熱性能、防腐性能和隔熱性能，并對涂層進行了相應性能測試，結果表明，此涂層具有良好的防腐和隔熱性能，完全可以滿足石化行業(yè)對隔熱材料的要求。

3.3 玻璃方面

典型節(jié)能玻璃對光的透過率曲線如圖3所示。

由圖可知，在幾種典型節(jié)能玻璃中，普通玻璃的熱工性能較差，絕大部分的近紅外線能透過玻璃；LOW－E玻璃主要通過反射中、遠紅外線來達到隔熱的目的，但可見光透過率損失較多；貼膜玻璃對近紅外線具有較弱的阻隔能力（某些貼膜玻璃具有良好的近紅外線阻隔能力）；涂膜玻璃可以有效阻隔近紅外線的透射，同時可見光透射率較高，不足的是，絕大多數(shù)涂膜玻璃對近紅外線的阻隔是通過吸收來實現(xiàn)的；理想的節(jié)能玻璃應是幾乎隔絕近紅外線，而對可見光透射比沒有影響。

近年來，透明隔熱涂料在涂覆玻璃方面發(fā)展快速。在汽車玻璃方面，涂料經(jīng)噴涂、刮涂和干燥后形成透明性良好的膜，為解決汽車玻璃、特別是擋風玻璃隔熱提供了新途徑。顧廣新等利用納米氧化銻錫(ATO)、納米TiO2、有機硅樹脂、硅溶膠等制備出具有高硬度、高耐候性的有機-無機雜化樹脂薄膜，同時，制備了納米TiO2和納米ATO的異丙醇漿料，并與有機-無機雜化樹脂進行復配，制得紫外和近紅外阻隔性能優(yōu)異、隔熱節(jié)能效果良好的透明隔熱涂料，并在汽車玻璃方面成功應用。

建筑玻璃領域也是透明隔熱涂料很重要的發(fā)展方向。通過高速攪拌或超聲將隔熱漿料和透明樹脂混合均勻，并加入一定量的穩(wěn)定劑、流平劑等助劑，使透明隔熱涂料能夠穩(wěn)定儲存；將透明隔熱涂料通過刷涂或噴涂等工藝涂在潔凈玻璃表面，并利用其自身的流平性均勻流平在玻璃表面。此涂層在室溫下即可干燥，無需烘干。

大面積推廣使用建筑玻璃透明隔熱涂料不僅能夠有效降低建筑能耗，為國家節(jié)約大量能源，而且通過降低能源消耗，間接保護了我們居住的家園，具有巨大的經(jīng)濟和社會效益。另外，建筑玻璃透明隔熱涂料涉及納米加工應用技術，利用此技術可以對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行升級，進而提高我國相關行業(yè)的國際競爭力，以期在新世紀納米技術的研發(fā)大潮中有自己的一席之地。

04. 未來發(fā)展方向

近些年，在國家節(jié)能減排的號召下，國內(nèi)已有不少企業(yè)在研發(fā)透明隔熱涂料，這種涂料不僅具有一般隔熱涂料的隔熱保溫、節(jié)能性能，而且還具有透明、美觀、環(huán)保、健康的特點，在我國未來隔熱涂料領域具有巨大的發(fā)展空間。

目前，隔熱涂料大多是按照一種隔熱機理進行研發(fā)，隔熱效果局限性很大。未來可以將隔熱涂料的阻隔、輻射和反射隔熱機理中的兩種或三種進行結合，協(xié)同發(fā)揮作用，以使隔熱效果更加完美，并且兼顧防腐、防水等特點。此外，還可以采用多樣化的配套方案和合理的施工方法，使制得的隔熱涂層具有優(yōu)異的性能。

隨著新技術、新材料的發(fā)展，在不斷改善隔熱涂料性能的同時，要考慮到制備及使用環(huán)保涂料。可從以下幾個方面充分考慮：

• 在涂料類型方面，重點發(fā)展無溶劑、高固體、水性和光固化隔熱涂料；
  
• 在隔熱材料方面，重點采用紅外反射顏料、納米材料如SiO2氣凝膠、納米ATO、空心玻璃微珠、納米半導體等；
  
• 在樹脂方面，重點選擇具有高強度、高耐候性和高透光性的樹脂體系，如：有機硅樹脂和聚氨酯樹脂。

除此之外，隔熱涂料性能沒有一種統(tǒng)一的測試方法，基本是以模擬實驗測試為主，參考局限性大，測試結果易遭質疑。因此需要建立一套科學有效的測試標準，推進隔熱涂料快速穩(wěn)定發(fā)展。