分析保温涂料及技术的发展方向

大师

简介： 概述了硅酸盐类保温涂料发展现状和存在的主要问题，介绍了几种新型保温涂料及技术，对保温涂料发展方向进行了分析。
关键字：保温涂料 隔热涂料 硅酸盐

1  前言
    保温(隔热、绝热)涂料综合了涂料及保温材料的双重特点，干燥后形成有一定强度及弹性的保温层。与传统保温材料(制品)相比，其优点在于：(1)导热系数低，保温效果显著；(2)可与基层全面黏结，整体性强，特别适用于其它保温材料难以解决的异型设备保温；(3)质轻、层薄，建筑内保温用相对提高了住宅的使用面积；(4)阻燃性好，环保性强；(5)施工相对简单，可采用人工涂抹的方式进行；(6)材料生产工艺简单，能耗低。   
    有关专家指出，随着当今涂料技术的发展，保温涂料技术日臻成熟，完全由涂刷保温涂料代替做保温层的办法已经开始进入实用阶段，将改变传统的保温保冷方式。  

2  保温涂料研究现状
    复合硅酸盐保温涂料是当前应用最广泛的保温涂料。
    这类保温涂料最初以松解过的海泡石作为主要原料，以水玻璃为主要黏结剂。后来除海泡石外，还加入大量的膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、漂珠、粉煤灰、硅藻土、石棉、玻璃棉、矿棉、硅酸铝纤维等；所用黏结剂也由单一的水玻璃发展为石膏(常温)、水泥(常温)、高铝水泥(中温)、硅溶胶(高温)等复合使用。此外，还通过加入各种外加剂来改善涂料性能，如流动性、硬化性、憎水性、耐高温性、反射性等。经过机械打浆、发泡、搅拌等工艺制成膏状保温涂料(参考配方见表1-)。
      
          表1复合硅酸盐保温涂料参考生产配方
原材料   无机纤维 轻质骨料 增稠剂 助剂 黏结剂    水
用量/kg  30～100   70~120  5～10  适量  6～15 600～750
   
    我国有上百家研究单位和企业进行过复合硅酸盐保温涂料的研究工作，大部分研究工作相互独立进行，因而所用配方、生产工艺、施工方法及产品性能也各式各样。近20年来，发表的该类论文有上百篇，申请该类专利的也有50多项。国家质量技术监督局于1-998年5月发布了硅酸盐复合绝热涂料国家标准(GB/T 17371-1998)，这就为复合硅酸盐保温涂料的生产和应用提供了一个可供参照的技术标准。
    受历史和社会经济条件等因素的影响，成本较低的复合硅酸盐保温涂料在我国发展很快，达到世界先进水平，但其主要用作工业保温涂料，如高温管道保温，或者锅炉、窑炉等的外壳保温。
    随着人民生活水准的提高和我国对于建筑物保温节能工作的政策性指导，保温涂料将会更多地用于建筑物内墙的保温隔热。近年来，复合硅酸盐保温涂料用于建筑内保温得到了逐步的认可和较大面积的使用，但仍存在着尚待解决的问题和自身材料结构带来的缺陷。主要表现为：(1)干燥周期长，施工受季节和气候影响大；(2)抗冲击能力弱；(3)干燥收缩大，吸湿率大；(4)对墙体的黏结强度偏低，施工不当易造成大面积空鼓现象；(5)装饰性有待于进一步改善，等等。因此，应充分利用我国在这方面所取得的技术优势，花大力气提高此类涂料的综合性能，使之用于建筑隔热保温。

3         国内外最新研究动态

热传递是通过对流、辐射及分子振动热传导三种途径来实现的。对于保温涂料而言，(固体)热传导主要由保温涂料中的固体部分来完成；热对流则主要由保温涂料中的空气来完成；热辐射的传递不需要任何介质。因此要获得良好的隔热保温效果，一是要在保持足够机械强度的同时，材料的体积密度要极端的小；二是要将空气的对流减弱到极限；三是要通过近于无穷多的界面和通过材料的改性使热辐射经反射、散射和吸收而降到最低。
    为了获得性能更好的保温涂料，国内外工作者进行了大量的研究，主要根据上述隔热机理，对主要原材料的品种和性能作了很大的改进。
3.1无机隔热反射墙体涂料
    国内外涂料及涂层技术发展很快，并不断更新换代，无机建筑涂料，特别是无机隔热反射建筑涂料是发展方向之一。
    目前德国KEIM矿牌涂料是最具代表性的全无机硅酸盐涂料。该涂料涂刷后能渗入墙体基面0.5~2mm深，与墙体的矿物质基地发生化合作用，能形成一层抗碱防酸的硅石，使涂层与墙体牢固地结合。加上该涂料与墙体同属于矿物基质，有相近的热胀冷缩系数，可避免涂层龟裂与剥落，耐候性好，使用寿命可达10～15年。该涂料防火阻燃、防尘自洁、无菌类及苔藓滋长、无挥发物、无毒环保、永不褪色、适用范围广。


3.2  薄层隔热反射涂料
    选择耐候性好、韧性好、耐温较高、成膜性好的基料，加入轻质、孔隙率高、热绝缘系数大的绝及反射率高、表面光洁的热反射填料，并辅以合适的分散剂、阻燃剂、流平剂、成膜助剂等，研制成的薄层隔热反射涂料的热反射率可达85％以上，可用于成品油罐及低温容器的隔热保温，还可与多孔材料复合构成低辐射传热结构。因其防水好、韧性好，可集防水、保温、外护于一体，简化施工工艺，降低成本。  
3.3  水性反射隔热涂料
    反射隔热涂料是在铝基反光隔热涂料的基础上发展而来的，通过选择合适的树脂、金属或金属氧化物颜填料及生产工艺，制得高反射率的涂层，反射太阳热以达到隔热的目的。由于金属薄片在溶剂型涂料中能够较长时间稳定存在，而在水性体系中则不能，因此大多数反射隔热涂料为溶剂体系。但水性化是涂料的发展趋势和必然归宿，因此将金属薄片进行特殊处理或不采用金属薄片的水性反射隔热涂料已成为国内外隔热涂料研究的热点之一。   
    R．Neil采用马来酸二丁酯-乙酸乙烯共聚物为成膜物质，通过加入一种CeramicSil32珠光隔热剂制得了隔热性能优良的水性隔热涂料。张敏采用鳞片状铝粉为颜料制得了一种综合性能优良的水性反光隔热罩面涂料，经实体测定，当气温高达35~37℃时，涂层内部可降温11~13℃。
3.4  辐射隔热涂料
    通过辐射的形式把建筑物吸收的日照光线和热量以一定的波长反射到空气中，从而达到良好隔热降温效果的涂料称为辐射隔热涂料。此类涂料的关键技术是制备具有高热发射率的涂料组分。研究表明，多种金属氧化物如Fe203、Mn02、C0203、CuO等掺杂形成的具有反型尖晶石结构的物质具有热发射率高的特点，因而广泛用作隔热节能涂料的填料。
    沃群鸣详细研究了红外辐射的原理，并通过在硅酸盐结晶相中加入A1203、Ti02等金属氧化物细粉作为填料而研制出的红外辐射涂料辐射5-15μm波段内的红外线的能力在85％以上

大师

3.5  真空绝热保温涂料

真空状态能使分子振动热传导和对流传导两种方式完全消失，因此采用真空状填料制备性能优良的保温涂料成为当前研究的另一个热点
    美国的ASTEC陶瓷绝热涂料是利用太空科技的产品。美国著名的Christian实验室将10cm厚的泡沫绝热系统(R20等级)直接和0.38mm厚的陶瓷涂料进行了比较，结果证实陶瓷涂料的绝热性能高于R20等级。在建筑物室内使用ASTEC涂料，施以薄层即可有效地增强隔热保温效果。秋天可使室内温度提高2.8-4.4℃，夏天可使室内降低同样的温度，从而将节省可观的水电费用。由于该涂料自身寿命长，将之施于建筑物防水层上可以减少屋面维修和置换费用并可解决屋面的渗漏问题。此外，ASTEC涂料含有高科技的防蚀成分，既可排除对金属表面已有的侵蚀，又可防止对金属表面的进一步侵蚀。
    北京维纳公司推出德国盾牌陶瓷隔热涂料新品，该涂料打着"绿色环保"的旗号，凭借其特有的隔热、防腐等性能悄然登陆中国市场，将在中国申奥成功带来的巨大商机中有所斩获。这种德国盾牌陶瓷隔热涂料(THERMO-SHIELD)是由极微小的真空陶瓷微珠和与其相适应的环保乳液组成的水性涂料。它与墙体、金属、木质品等基体有着较强的附着力，直接在基体表面涂抹0.3mm左右，即可达到隔热保温的目的。美国豪斯实验室对民用建筑使用效果的测试结果表明，夏天空调能耗至少节省64％其核心技术是真空陶瓷微珠，由于它的特殊结构，因此具有很强的延展性，可有效避免因基体吸水后热胀冷缩产生裂缝以及因强阳光照射引起基体内张力变化而产生裂缝。经测试，上百万真空陶瓷微珠在波长500-2500nm波长范围内对阳光的反射率平均达到86％。可变化的透气性也是这种新兴涂料的重要特点。由于微珠陶瓷球体的间距随空气湿度加大而增加，整个体系的间距随之增大，反之湿度小于50％时，它对水蒸气则具有密封性。这种涂料过去仅限于在航天产品上使用。近年来，发达国家先后将其应用到了民用建筑和工业设施。其在化工行业的液体贮罐、罐车隔热以及各种生产设备的表面防腐等方面具有市场潜力。业内人士认为，该涂料既是盾，更是矛，将刺激中国高科技、高品质涂料市场的发展。
3.6  纳米孔超级绝热技术在保温领域的应用
    早在1992年美国学者Hunt,A.J．等在国际材料工程大会上就提出了超级绝热材料(Supper lnsulator)的概念。近几年，国外超级绝热保温材料发展明显加快，已成为有关绝热保温技术国际研讨会上关注的重点之一。"纳米孔超级绝热材料"的概念在我国的提出只是近两年的事情。
    20世纪40年代，美国MONSTANTO公司的Samuel Kisder将纳米孔结构模型首先在气凝胶材料上变成现实，成功制造了纳米。孔型的硅气凝胶。在20世纪70年代初期，MONSANTO公司把这种硅气凝胶制成粉状材料，一直以Santocd A及Santocel C的品牌用于绝热浇注料。后来，为了节约生产成本，又采用了焚烧工艺生产类似的硅气凝胶。
    初期的纳米孔绝热产品一直是以粉状材料供货，直到20世纪50年代才有美国TOHNS-MANVILLE公司将此材料与石棉纤维、有机树脂等混合制成名为Min-K的块状材料，应用于航天及核能等领域。
    近几年来，保温材料行业界对纳米孔绝热产品越来越关注，Kistler工艺也在不断的改进和完善，产品成本也有了明显的下降，应用范围也有了很大的发展。尽管如此，目前价格因素仍然是限制其大规模应用的主要障碍。因此，降低生产成本，是今后研发工作的主要方向之一。到目前为止，纳米孔绝热材料的最高使用温度在1050℃左右，因此，开发使用温度高于1050℃的纳米孔绝热材料也是今后的科研任务之一。

纳米孔超级绝热材料是建立在低密度和超级细孔(小于50nm)结构基础上的，从理论上说其导热系数可趋近于0。因此，采用纳米孔原料获得比静止空气导热系数(0.023 W/m·K)更小的涂膜是完全可能的。这既是机遇，也是挑战。

4  保温涂料主要发展方向

(1)现有产品及技术的改进提高。提高产品性能，扩大品种规格，降低成本，以满足不同用户的需要。如复合硅酸盐保温涂料应向快速固化、憎水、提高黏结强度、降低密度、负温施工、降低成本和用于建筑节能等方向发展。
    (2)研制生产复合型多功能保温涂料。一种保温效果良好的涂料往往是两种或多种隔热机理同时起作用的结果。各种保温涂料各有其优点，因此可考虑将它们综合起来，充分发挥各自的特点，进行优势互补，研制出性能优良的复合型保温涂料。不同使用条件对保温涂料会有一些特殊的要求，研制耐高温、保冷、防水、防火、防腐蚀、抗氧化、抗辐射、减振等多种功能结合的涂层，将更具吸引力和竞争力。
    (3)大力发展建筑保温涂料及相关技术。国外建筑节能用绝热材料占绝热材料总量的比重大，如美国从1987年以来建筑用绝热材料占所有绝热材料的81％左右。我国能源消耗中，建筑能耗大约占全国能源消耗总量的1/4，而建筑用绝热材料仅占总量的11％左右，可见建筑节能潜力很大。有关部门已作出一系列规定，并有了相关的标准规范，不少城市开展了节能住宅推广工作，有力地促进了建筑节能技术的发展
    (4)积极开发新型保温涂料及相关技术。如低辐射传热涂料，高效薄层隔热防腐一体化涂料，真空绝热涂料等的研制。含有纳米或亚纳米微孔结构的涂膜及采用纳米材料制得的涂膜将是下一阶段保温涂料发展的热点之一。作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，纳米技术的发展为保温涂料的研究提供了前所未有的机遇和可能性。
    (5)注重环保，利用"三废"开发保温涂料。环保越来越引起世界各国的重视，保温涂料的研制应沿循涂料发展的潮流，向水性、环保的方向发展，避免使用有关环保法规中禁用的有害物质。不少厂家的"三废"已成为阻碍企业发展的重要问题，而"三废"中有不少可以利用的成分，完全可以用来开发保温涂料，部分或全部代替某种原材料，可降低成本，改善环境。

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最稳定的还是eps板，以后石墨Eps板将代替XPS板。

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