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      太陽能反射涂料的研究與展望

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      -->>太陽能反射涂料的研究與展望

      0 引言
      近20 余年來,隨著建筑業、石油工業、運輸業、兵器工業等的迅速發展,能使被涂物在太陽光照射下產生降溫效果的涂料已引起廣泛關注,各類太陽能屏蔽涂料、熱反射涂料、太空隔熱涂料、節能保溫涂料、隔熱膠等不斷有研究報道或產品問世,以降低暴露在太陽輻射下裝備的表面溫度,阻止熱傳導,改善工作環境,提高安全性。例如建筑業的外墻;石油工業的海上鉆井平臺、油罐、輸油管道;運輸業的汽車、火車、飛機表面;造船工業的船殼、甲板等均用到太陽能反射涂料。近20 余年來,國外有代表性的太陽能反射涂料,如美國盾牌節能涂料、新加坡高科(HIT)涂料、美國太陽能集團公司研制的LO/MIT-1 型隔熱漆等,可使被涂物內部溫度大大降低,同時兼有較好的防蝕、阻燃、防水功能,安全無毒,已廣泛用于美國、日本、馬來西亞和新加坡等國的油氣儲罐、建筑屋頂,取得較好效果。日本、意大利等國家均投人巨資進行降溫涂料或降溫材料的研究,并開始產品化。特別是美國ASTM 隔熱委員會C16 還制定了C1483 標準(熱反射隔熱涂料),對熱反射涂料的各項技術指標、測試方法作出了規定,標志著“熱反射隔熱防腐涂料”已正式被美國接受并規定應用于相關領域,如鋼結構、建筑外墻等。從1992 年開始,我國可使太陽光照射下被涂物降溫的各類涂料層出不窮。至今約有40 余家研究及生產單位,有代表性的幾家單位,如上海大通應用化學所、晨光涂料、鎮江遠方防腐工程公司、青島海洋化工研究院、上海廣毅涂料有限公司等,雖起步較晚,但由于不少企業攜手高等院校及研究單位介入這一領域,在涂料機理研究、品種開發及工程應用方面,取得了巨大進展,不少方面并不比國外同類產品差,具有與國外同步的研發水平。
       
      1 太陽能反射涂料的基本原理
      太陽熱反射涂料的基本原理是通過涂膜的反射作用將日光中的紅外輻射反射到外部空間,從而避免物體自身因吸收輻射導致的溫度升高。太陽能絕大部分處于可見光和近紅外區。按波長可分為3 部分,在200~300 nm 的紫外線區的熱輻射能量僅占5%;在400~720 nm 的可見光區占45%;在720~2 500 nm 的近紅外區占50%?梢,太陽輻射熱絕大部分處于400~1 800 nm 范圍內。在該波長范圍內,反射率越高,隔熱效果越好。
      1.1 反射機理
      入射在涂層上的太陽電磁波將發生吸收、透射、反射3 種現象。吸收率α、反射率ρ、透射率τ 之間有如下關系:
      α+ ρ + τ=1 (1)
      因涂層中存在顏填料,太陽熱反射涂料一般為紅外不透明物質,其透射率τ 近似為0。由此,式(1)可簡化為式(2):
      α=1-ρ (2)
      由式(2)分析可知:只有提高涂層的反射率ρ,才可以使涂層表面對能量的吸收減少。
      1.2 一般物體的輻射度
      一般物體的輻射度表達式為

      M為總輻射度,ε 為輻射率,δ 為斯蒂芬- 波爾茲曼常數[6.57×10-8 W/(m2·K4)],T 為絕對溫度。綜上所述,為降低內部溫度而使用的太陽熱反射涂層,應滿足對可見光和近紅外光的高反射。
       
      2 熱反射涂料的影響因素
      熱反射涂層的主要指標熱反射率取決于顏料與樹脂折光指數的比值、涂層厚度、顏料粒徑和純度以及涂料的PVC(顏料體積濃度)。
      2.1 樹脂的選用
      2.1.1 根據反射率和吸收率選用
      用于太陽熱反射涂層的樹脂,對可見光、近紅外光吸收越少越好,要求樹脂的透明度高,透光率在80% 以上,太陽能的吸收率低,有些基團吸熱,因此在設計合成樹脂時盡量使樹脂中少含C-O-C、C=O、O-H 等基團。涂料常用的樹脂,如丙烯酸樹脂、有機硅樹脂、醇酸樹脂、含氟樹脂、環氧樹脂、氯化橡膠等,都可以用作太陽熱反射涂料的基料。
      2.1.2 根據涂膜的耐候性、自潔性要求選用
      用于鋼制石油化工產品儲罐的太陽能反射涂料,其樹脂應具有良好的耐候性、優異的附著力及良好的自潔性。例如含氟樹脂,由于分子結構中有特殊的結構單元,其具有低的表面能和優異的耐候性,使其涂料在戶外的使用中避免灰塵的粘附和紫外線的侵害,長期保持漆膜表面的清潔及太陽能反射功能。
      2.2 顏料的選用
      2.2.1 顏料折光指數的影響
      顏料對可見光和近紅外輻射的散射能力取決于折光指數的差異。散射率m定義為顏料與樹脂折光指數的比值:m=np/nR。np 為顏料的折光指數(常用顏料的折光指數為1.4~2.8),nR 為樹脂的的折光指數(常用樹脂的折光指數為1.45~1.50,變化很。。要達到高反射率,必須選用折光指數高的的顏料。
      一些顏填料的折光指數
      2.2.2 顏料粒徑對散射率的影響
      一旦選定顏料后,顏料的粒徑對涂層的熱反射起著關鍵作用。顏料的最佳粒徑d 與散射波長λ 的關系如下:λ=d/K

      M為散射率,nR 為樹脂的的折光指數,K 是由M和 nR 決定的常數。由上式可見,反射波長的紅外輻射將需要較大粒徑的顏填料。應根據需要反射的波長來選用合適粒徑的顏填料,見表2。
      不同顏色、粒徑的太陽反射率
      2.2.3 顏料純度對反射率的影響
      以氧化鋅為例,來說明顏填料純度對涂層反射率的影響,見表3。
      氧化鋅純度對涂層反射率的影響
      2.2.4 顏料體積濃度(PVC)的影響
      研究表明:涂層反射率隨顏基比的增加而有所增大,但不是很明顯,所以要在滿足綜合性能的要求下,確定最佳的顏基比。
      2.3 涂層厚度及配套體系的影響
      2.3.1 涂層厚度
      在一定涂層厚度范圍內,涂層的反射率隨其厚度增加而提高,但是厚度達到一定值時,光線并不能透過涂層照射到底材,此時再增加涂層厚度,對涂層的反射率影響不大。一般涂層厚度以20~40 μm 為宜。
      2.3.2 配套體系
      一般采用3 層涂層結構,即防腐蝕涂層、單向導熱隔熱涂層、熱反射涂層的復合涂層體系。
      2.4 功能性填料的影響
      近年來,空心玻璃珠作為一種新型涂料用填料獲得廣泛的應用。它可以賦予涂層特殊性能:①能夠提高涂料的絕熱性能和賦予涂膜更好的增白遮蔽效果,能夠反射80%~90% 的日光輻射熱能,可防止涂膜結構中成膜物質的降解,延長使用壽命;②具有高效的填充性,能夠減少涂料中基料的使用;③能夠增強涂料的流平性、平滑性,明顯改善涂膜硬度、抗刮傷等機械性能;④使涂膜具有更好的防污染、防腐蝕和耐黃變性能;⑤微珠的空心結構可以大大提高涂層的空隙率,從而降低涂層的熱導率。
      空心玻璃珠呈圓形或者近似圓形,表面為光滑堅硬、結構致密的玻璃體,對各種液體介質幾乎不吸收,能夠很好地反射光、熱等入射波?招牟A⒅閮炔繛榭招,密度低,導熱系數小,隔熱性能也很好。這些性能,使之非常適合于作為反射型絕熱涂料的反射性填料。
       
      3 太陽能反射涂料展望
      目前,我國石油消費量快速增長,2006 年石油消費量為3.4 億t,2007 年的消費量達到3.6 億t,每年消費量的增幅在8% 以上,增長迅速。2004 年我國正式啟動石油戰略儲備工作,預計總投資約1 000 億元,準備用15 年的時間儲備石油6 600 萬t。武漢市80 萬t 乙烯工程也正在準備建設。2006 年建設部發布的《鋼質石油儲罐防腐蝕工程技術規范》中明確規定:存儲易揮發油品(包括低黏度原油、中間餾分油及輕質產品油)的儲罐外壁宜采用耐候性熱反射隔熱防腐蝕復合涂層?梢娞柲芊瓷渫苛嫌昧渴蔷薮蟮,前景極其廣闊。大多石油化工品儲罐材質是鋼制的,部分太陽輻
      射能穿透涂層進入罐壁后就被罐壁吸收,所產生的熱能和涂層傳過來的熱能使罐壁蓄熱增加,溫度升高,并將熱能傳遞給罐內介質,特別是液化氣球罐,罐內的液化氣吸收一定熱量后逐漸開始汽化、蒸發,使罐內的壓力增大,從而給容器安全帶來極大的隱患。由此,筆者認為開發單向導熱隔熱涂料很有前景,單向導熱隔熱涂料可使目標物外壁向涂層外傳遞熱量(目標物外壁——防腐層、隔熱層、反射層)及反方向隔絕熱量的傳遞。隔熱層的單向導熱性使涂層具有正向傳遞熱量和反向阻隔熱量傳遞的特點,使目標物在白天照射下隔熱降溫,夜間散發熱量降溫,具有更好的
      隔熱降溫作用。由厚層隔熱保溫向薄層隔熱保溫技術的轉變,也是今后隔熱保溫材料的主要發展方向之一。絕熱涂料通過應用球形中空材料在涂層中形成的真空腔體層,構筑有效的熱屏障,不僅自身絕熱系數大,導熱系數低,而且反射率高,可減少建筑物對太陽輻射的吸收,降低被覆蓋表面和內部空間溫度,是建筑節能的有效措施之一,具有較高的節能經濟效益和社會效益。
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