摘要：介紹了反射涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。闡述了太陽能反射涂料的反射和輻射機理。討論了涂料的組成、原理及影響因素。展望了單向?qū)岣魺嵬苛显谑突て穬迏^(qū)的應(yīng)用趨勢及優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：太陽能反射涂料；反射；輻射；空心玻璃珠
0.引言
近20余年來，隨著建筑業(yè)、石油工業(yè)、運輸業(yè)、兵器工業(yè)等的迅速發(fā)展，能使被涂物在太陽光照射下產(chǎn)生降溫效果的涂料已引起廣泛關(guān)注，各類太陽能屏蔽涂料、熱反射涂料、太空隔熱涂料、節(jié)能保溫涂料、隔熱膠等不斷有研究報道或產(chǎn)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(dǎo)，改善工作環(huán)境，提高安全性。例如建筑業(yè)的外墻；石油工業(yè)的海上鉆井平臺、油罐、輸油管道；運輸業(yè)的汽車、火車、飛機表面；造船工業(yè)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(jié)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(nèi)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(chǎn)品化。特別是美國ASTM隔熱委員會C16還制定了C1483標(biāo)準（熱反射隔熱涂料），對熱反射涂料的各項技術(shù)指標(biāo)、測試方法作出了規(guī)定，標(biāo)志著“熱反射隔熱防腐涂料”已正式被美國接受并規(guī)定應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域，如鋼結(jié)構(gòu)、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(chǎn)單位，有代表性的幾家單位，如上海大通應(yīng)用化學(xué)所、晨光涂料、鎮(zhèn)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(yè)攜手高等院校及研究單位介入這一領(lǐng)域，在涂料機理研究、品種開發(fā)及工程應(yīng)用方面，取得了巨大進展，不少方面并不比國外同類產(chǎn)品差，具有與國外同步的研發(fā)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(dǎo)致的溫度升高。太陽能絕大部分處于可見光和近紅外區(qū)。按波長可分為3部分，在200~300nm的紫外線區(qū)的熱輻射能量僅占5%；在400~720nm的可見光區(qū)占45%；在720~2500nm的近紅外區(qū)占50%。可見，太陽輻射熱絕大部分處于400~1800nm范圍內(nèi)。在該波長范圍內(nèi)，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(fā)生吸收、透射、反射3種現(xiàn)象。吸收率α、反射率ρ、透射率τ之間有如下關(guān)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(zhì)，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(shù)［6.57×10-8W/（m2·K4）］，T為絕對溫度。綜上所述，為降低內(nèi)部溫度而使用的太陽熱反射涂層，應(yīng)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(biāo)熱反射率取決于顏料與樹脂折光指數(shù)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(jù)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(shè)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(huán)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(jù)涂膜的耐候性、自潔性要求選用
用于鋼制石油化工產(chǎn)品儲罐的太陽能反射涂料，其樹脂應(yīng)具有良好的耐候性、優(yōu)異的附著力及良好的自潔性。例如含氟樹脂，由于分子結(jié)構(gòu)中有特殊的結(jié)構(gòu)單元，其具有低的表面能和優(yōu)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(shù)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(shù)的差異。散射率m定義為顏料與樹脂折光指數(shù)的比值：m=np/nR。np為顏料的折光指數(shù)（常用顏料的折光指數(shù)為1.4~2.8），nR為樹脂的的折光指數(shù)（常用樹脂的折光指數(shù)為1.45~1.50，變化很小）。要達到高反射率，必須選用折光指數(shù)高的的顏料。
表1一些顏填料的折光指數(shù)
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(guān)鍵作用。顏料的最佳粒徑d與散射波長λ的關(guān)系如下：λ=d/K
其中，K=［0.9（M2+2）］/［nRл（M2-1）］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。
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(nèi)，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20~40μm為宜。
2.3.2配套體系
一般采用3層涂層結(jié)構(gòu)，即防腐蝕涂層、單向?qū)岣魺嵬繉印岱瓷渫繉拥膹?fù)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(yīng)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(jié)構(gòu)中成膜物質(zhì)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(jié)構(gòu)可以大大提高涂層的空隙率，從而降低涂層的熱導(dǎo)率。空心玻璃珠呈圓形或者近似圓形，表面為光滑堅硬、結(jié)構(gòu)致密的玻璃體，對各種液體介質(zhì)幾乎不吸收，能夠很好地反射光、熱等入射波。空心玻璃微珠內(nèi)部為空心，密度低，導(dǎo)熱系數(shù)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(zhàn)略儲備工作，預(yù)計總投資約1000億元，準備用15年的時間儲備石油6600萬t。武漢市80萬t乙烯工程也正在準備建設(shè)。2006年建設(shè)部發(fā)布的《鋼質(zhì)石油儲罐防腐蝕工程技術(shù)規(guī)范》中明確規(guī)定：存儲易揮發(fā)油品（包括低黏度原油、中間餾分油及輕質(zhì)產(chǎn)品油）的儲罐外壁宜采用耐候性熱反射隔熱防腐蝕復(fù)合涂層。可見太陽能反射涂料用量是巨大的，前景極其廣闊。大多石油化工品儲罐材質(zhì)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(chǎn)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(nèi)介質(zhì)，特別是液化氣球罐，罐內(nèi)的液化氣吸收一定熱量后逐漸開始汽化、蒸發(fā)，使罐內(nèi)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(fā)單向?qū)岣魺嵬苛虾苡星熬埃瑔蜗驅(qū)岣魺嵬苛峡墒鼓繕?biāo)物外壁向涂層外傳遞熱量（目標(biāo)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?qū)嵝允雇繉泳哂姓騻鬟f熱量和反向阻隔熱量傳遞的特點，使目標(biāo)物在白天照射下隔熱降溫，夜間散發(fā)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(shù)的轉(zhuǎn)變，也是今后隔熱保溫材料的主要發(fā)展方向之一。絕熱涂料通過應(yīng)用球形中空材料在涂層中形成的真空腔體層，構(gòu)筑有效的熱屏障，不僅自身絕熱系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)部空間溫度，是建筑節(jié)能的有效措施之一，具有較高的節(jié)能經(jīng)濟效益和社會效益。
