王世忠1,2,3 孙振平1,2
1. 同济大学材料科学与工程学院 上海 201804，2. 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室 上海 201804，3. 阿克苏诺贝尔漆油（上海）有限公司 上海 200040
摘 要：反射隔热质感涂料包含反射隔热砂壁质感涂料、反射隔热多彩涂料和反射隔热仿石涂料3种。在我国夏热冬暖和夏热冬冷地区，建筑外墙面应用反射隔热质感涂料具有较好的技术、经济、环境和社会效益。本文探讨了反射隔热质感涂料的作用原理、性能特点以及将反射隔热质感涂料应用于建筑外墙对建筑节能带来的益处，并分析了3种反射隔热质感涂料的发展现状以及应用中存在的问题。
关键词：反射隔热质感涂料；建筑节能；夏热冬暖地区；夏热冬冷地区
引言
我国自本世纪初开始倡导对新建建筑和部分既有建筑采取节能措施，但仍有400亿平方米的既有建筑是未采取任何节能措施的高能耗建筑。目前我国建筑能耗已经占到社会总能耗的1/3以上，推广建筑节能技术，降低建筑能耗，对我国经济、环境和社会发展具有重大意义。根据GB 50352—2019《民用建筑设计统一标准》，我国包含了严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区以及温和地区等5大气候区。而其中夏热冬冷地区和夏热冬暖地区夏季高温时间长，太阳辐射强烈，建筑能耗以空调制冷能耗为主，在这两个区域采用具有高太阳光反射比的反射隔热质感涂料，对于建筑节能具有更好的实用性和经济性[1]。
反射隔热质感涂料是一类新型的建筑装饰材料，它不但可以模仿天然石材的装饰效果，而且在我国夏热冬暖地区和夏热冬冷地区建筑外墙使用，可以帮助降低夏季制冷能耗。本文讨论反射隔热质感涂料的作用机理、种类与特点，以及影响反射隔热质感涂料性能的因素，分析反射隔热质感涂料研究和应用技术现状，希望对行业人士提供一定参考。
1 反射隔热质感涂料的作用机理
照射到建筑物表面的太阳光能量主要集中在可见光波段和近红外光波段，如果可以将这一波长范围的太阳光反射回大气中，则可以降低建筑物表面因吸收太阳光热量造成的温度上升幅度，进而降低建筑物制冷能耗。而反射隔热质感涂料正是通过在涂料中添加对可见光和近红外光具有高反射率的颜料、填料或骨料，使涂料涂膜可以最大程度地将照射到建筑物表面的太阳光能量反射出去，从而降低建筑物表面对太阳光热量的吸收，减少热量向室内的传递。
2 反射隔热质感涂料的分类及性能特点
2.1 分类及主要功能组分
反射隔热涂料按其实际应用中呈现的饰面效果，可以分为反射隔热平涂涂料和反射隔热质感涂料两大类。
本文重点讨论的反射隔热质感涂料，根据组成材料和饰面效果又可分为反射隔热砂壁质感涂料、反射隔热多彩涂料、反射隔热仿石涂料等3种。
反射隔热砂壁质感涂料通过在连续相中添加反射隔热钛白粉和冷颜料进行调色来实现涂料的反射隔热功能，以白砂为骨料使涂料涂膜呈现出石材质感效果。
反射隔热多彩涂料中不含骨料，涂料涂膜的石材纹理效果则是通过添加了反射隔热钛白粉和冷颜料调色制备的各种彩色色粒搭配来实现，同时与其配套的底涂涂料中也往往添加反射隔热钛白粉和冷颜料进行调色以获得更高的太阳光反射比。
反射隔热仿石涂料的主要成膜物质（连续相）中不添加反射隔热钛白粉，其反射隔热功能通过包裹了冷颜料经烧结而成的彩砂实现。利用包裹了冷颜料经烧结而成的彩砂，可以让涂膜既具有较好的反射隔热功能，又表现出一定的仿石效果。
2.2 性能特点
我国夏热冬暖地区和夏热冬冷地区，夏季需要采取制冷措施的时间长，而冬季采暖时间相对较短。相关研究数据表明，将温度降低1℃所需的制冷能耗是将温度升高1℃所需制热能耗的4倍。因此，我国夏热冬暖地区和夏热冬冷地区建筑能耗以夏季制冷能耗为主，在我国南方地区推广反射隔热质感涂料具有更明显的技术、经济、社会和环境效益[3]。反射隔热质感涂料涂膜具有高太阳光反射比，将其应用在建筑物表面时，夏季节能效果显著。在夏热冬暖地区，于建筑物外墙涂刷反射隔热质感涂料，可使墙体满足建筑节能设计中对墙体节能方面的要求，不再需要施作外墙保温系统。而在夏热冬冷地区，在外墙外保温系统的饰面层采用反射隔热质感涂料，则可以大幅减小保温层的厚度，尤其是对于采用无机保温材料的系统，可以极大地降低质量风险，提高保温系统的安全性。另一方面，反射隔热质感涂料厚重的质感和逼真的仿石效果，完全可以满足当代人对天然石材饰面返璞归真效果的美好追求。
由于缺乏相应的标准规范，我国推广应用反射隔热质感涂料的初期，人们对其节能效果存有一定疑虑。2015年住建部发布了行业标准JGJ/T 359—2015《建筑反射隔热涂料应用技术规程》，对我国夏热冬暖地区和夏热冬冷地区建筑外墙使用反射隔热涂料的等效热阻取值做了规定。该技术规程的发布为应用反射隔热涂料的节能计算提供了相关的参数依据。表1为外墙及屋面使用建筑反射隔热涂料的等效热阻（JGJ/T 359—2015 附录C），由表1可知，在夏热冬暖地区（南区），当建筑传热系数K值小于等于0.7时，依据反射隔热涂料污染修正后的太阳辐射吸收系数ρc的不同，等效热阻最高可以达到0.95，这一数值已经可以满足该区域对建筑外墙节能的要求。当等效热阻取值为0.48时，其节能效果相当于19mm厚的EPS板，这已经可以满足夏热冬暖地区绝大部分建筑的外墙节能要求。
表 1 外墙及屋面使用建筑反射隔热涂料的等效热阻（JGJ/T 359—2015 附录C）
3 影响反射隔热质感涂料性能的因素
影响反射隔热质感涂料性能的因素有很多，包括乳液、颜料和填料等，下面分别论述。
3.1 乳液
反射隔热质感涂料的主要成膜物质是乳液，乳液对于反射隔热质感涂料的流变性能、力学性能和耐候性能等都有重要的影响。纯丙乳液、硅丙乳液、醇酸树脂和氟碳乳液等都可以作为反射隔热质感涂料的主要成膜物质，但不同用途的涂料应选择符合相应要求的乳液。反射隔热质感涂料由于要长期经受日晒雨淋，其主要成膜物质必须选用耐候性能好的乳液。反射隔热质感涂料选择乳液一般应遵循两个原则：一是根据应用环境的特殊性选择合适的乳液，如建筑物外墙用反射隔热质感涂料通常应选用纯丙乳液、硅丙乳液等耐候性好的丙烯酸乳液作为主要成膜物质；二是根据聚合物中所含吸能基团选择乳液，反射隔热质感涂料中所用乳液应对可见光和近红外光的吸收率尽量低，也就是乳液中聚合物分子结构尽量少含C-O-C、C=O和-OH等吸能基团[4]。
3.2 颜料
早期的反射隔热质感涂料基本都是白色或者浅色，而当前人们对建筑外饰面的色彩及装饰效果有着更丰富的需求。特别在国内，建筑外墙极少采用白色涂料。在反射隔热质感涂料的发展过程中，冷颜料技术的进步起到至关重要的作用。冷颜料被定义为具有高太阳光反射比和耐温性、耐候性良好，并且自身化学稳定性非常优异的一类颜料。选用具有高太阳光反射比的冷颜料，可以配制出彩色的反射隔热质感涂料。
研究表明，大多数复合无机颜料都具有较高的太阳光反射比，可作为冷颜料用于制备彩色反射隔热质感涂料。复合无机颜料多由几种金属混合物如金属氢氧化物、硝酸盐甚至是金属氧化物经过高温（800℃以上）煅烧化合而成，该类颜料独特的结构及含有的过渡金属使得其在近红外波段有较强的热反射能力[5]。
3.3 填料
在制备反射隔热质感涂料时，由于深色颜料的添加和钛白粉用量的减少，涂料涂膜的太阳光反射比会有不同程度的下降。在选择用于彩色反射隔热质感涂料中的填料时，一方面需要考虑满足涂料的基本物理性能指标要求，另一方面需要选用具有较高太阳光反射比的功能型填料以获得更好的反射隔热性能。可用于反射隔热质感涂料的普通填料通常有滑石粉、云母粉以及重钙粉等；可用于反射隔热质感涂料的功能型填料通常有空心微珠、红外陶瓷粉、珠光云母粉、SiO2粉和Al2O3粉等。
颜料和填料的粒径对涂料的反射性能也有很大的影响，其粒径d与散射波长λ的关系见式（1）[6]：
4 反射隔热质感涂料的研究与应用技术现状
20世纪70年代，欧美国家开始研发反射隔热涂料[7]。因反射隔热涂料性能优异，使用便利，经济性好而被广泛应用于油气储罐、建筑物屋顶及外墙等。我国科研机构和少数龙头企业从上世纪90年代开始研发反射隔热涂料，经过20余年的实践，反射隔热涂料生产技术已比较成熟，产品质量也令人满意。
4.1 反射隔热砂壁质感涂料
反射隔热砂壁质感涂料以天然白砂为骨料，涂刷后外观可仿单色砂岩或仿砖等，如图1所示。通过在反射隔热砂壁质感涂料中添加反射隔热钛白粉和冷颜料，可提高涂膜的太阳光反射比。金红石型钛白粉的折射率高（＞80%，目前已知白色颜料中折射率最高），粒径分布理想，可见光遮盖力好，近红外光反射率高，是理想的反射隔热钛白粉。研究表明，当金红石型钛白粉的粒径分布在100~1200nm时，采用高速分散工艺（3500r/min，20min）对粉体浆料进行分散处理，所制备的反射隔热涂料涂膜的太阳光反射比最佳[8-9]。
对于反射隔热砂壁质感涂料来说，涂料中添加的骨料的粒径大小及分布也会对其反射隔热性能产生一定影响：骨料粒径较小，表面相对平整时，涂料涂膜的太阳光反射比较高；反之，若骨料粒径增大，表面粗糙度增加，则其太阳光反射比会明显降低。
图 1 反射隔热砂壁质感涂料外观
4.2 反射隔热多彩涂料
反射隔热多彩涂料是将采用高分子保护胶纤维素或聚乙烯醇配制的保护胶溶液加入基础色漆中进行内聚力加强，然后进行切割造粒，最后将凝聚后的彩色色粒加入到连续相乳胶清漆中混合均匀并适度增稠而制得[10]。通过调整色粒的颜色搭配，色粒大小的变化，以及色粒切割工艺和喷涂工艺的变化，反射隔热多彩涂料可以表现出各种花岗岩石材的逼真效果，如图2所示。钛白粉和冷颜料对反射隔热多彩涂料的反射隔热性能有着重要的影响。沈航[11]通过试验研究了在采用红外反射改性TiO2替代多彩涂料底涂料中普通TiO2时对多彩涂料底涂料反射隔热性能的影响。结果表明，改性TiO2在可见光波段的反射率与普通TiO2相同，但在近红外波段比普通TiO2的反射率提升2%~5%。同时，使用“炭黑+改性TiO2”体系和“铁铬黑+普通TiO2”体系对涂料反射隔热性能均有着显著的提升，但“铁铬黑+普通TiO2”体系的反射隔热性能更好。另一方面，反射隔热多彩涂料的色粒对涂料的反射隔热性能也有一定的影响。当采用高明度的白色底涂料时，不同色粒的加入均会使涂膜对可见光和近红外光的反射率下降，但是高明度、暖色调的色粒对反射率的影响小于深色粒。而当采用低明度的灰色底涂料时，钛白色粒的加入可以使涂膜对可见光及近红外光的反射率得到一定程度的提高。
图 2 反射隔热多彩涂料外观
4.3 反射隔热仿石涂料
反射隔热仿石涂料是以合成树脂乳液为基料，以不同级配和颜色彩砂为骨料，并加入各种功能性助剂而制成的涂料，如图3所示。反射隔热仿石涂料中不添加钛白粉，涂膜的反射隔热性能主要是由涂料中添加的反射隔热彩砂来实现。反射隔热彩砂是通过将冷颜料经过煅烧工艺包裹于人工砂表面制得，其反射性能同时受到冷颜料性能和煅烧工艺的影响。在现有的技术工艺条件下，能够用于煅烧砂的冷颜料品种和颜色极为有限，难以满足各种仿石效果对于色彩的需求，同时冷颜料在应用于煅烧砂表面包裹时其反射性能会有一定程度的降低。
图 3 反射隔热仿石涂料外观
5 反射隔热质感涂料在应用中存在的问题
反射隔热质感涂料实际应用中存在的问题之一是颜色和效果的局限性。根据美国干粉颜料制造商协会的定义和分类，冷颜料按照化学成分和晶体结构可分为14种，常见的3种类型是金红石型、尖晶石型和赤铁矿型。能用于反射隔热质感涂料的冷颜料数量有限，尤其对于反射隔热多彩涂料，任何色粒的加入都会使涂膜的整体反射率下降，限制了反射隔热质感涂料可以模仿的石材种类。
缺少合适的行业标准也是反射隔热质感涂料应用中存在的一大问题。目前反射隔热质感涂料主要执行住建部发布的JG/T 235—2014《建筑反射隔热涂料》标准，但该标准制定时主要考虑了单色反射隔热平涂涂料产品，其中的测试方法对于反射隔热质感涂料尤其是反射隔热多彩涂料来说并不是很适合。
目前，市场上出现的反射隔热质感涂料产品品种越来越多，亟需出台一部专门的国家或行业标准，以对反射隔热质感涂料产品进行规范和引导。
结语
在我国夏热冬暖和夏热冬冷地区，建筑能耗以夏季制冷为主，反射隔热质感涂料在这些区域具有良好的应用前景。
目前反射隔热质感涂料的发展受到颜料和填料技术的限制，而且生产成本一直居高不下。反射隔热质感涂料不仅要满足建筑节能指标的要求，也要满足复杂的花型效果要求。但目前的冷颜料种类和反射隔热钛白粉还无法满足所有的调色需求。而且其反射隔热性能也有限。冷颜料价格往往是普通颜料的数倍甚至数十倍，造成反射隔热质感涂料的成本相比于普通涂料成倍地增加，也一定程度上制约了反射隔热质感涂料在建筑节能和建筑装饰中的应用。相信通过广大技术人员的努力以及设计者、使用者对其节能、装饰方面独特效果的不断认识，反射隔热质感涂料一定能成为我国夏热冬暖和夏热冬冷地区的建筑外墙保温装饰材料的新宠。
参考文献
原文参见《混凝土世界》2021年01期
(0)
