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                              技術法規
                           分析保溫涂料及技術的發展方向
                            
                           



                          摘要: 概述了硅酸鹽類保溫涂料發展現狀和存在的主要問題,介紹了幾種新型保溫涂料及技術,對保溫涂料發展方向進行了分析。 


                          關鍵詞: 保溫涂料 隔熱涂料 硅酸鹽

                          1  前言

                              保溫(隔熱、絕熱)涂料綜合了涂料及保溫材料的雙重特點,干燥后形成有一定強度及彈性的保溫層。與傳統保溫材料(制品)相比,其優點在于:(1)導熱系數低,保溫效果顯著;(2)可與基層全面黏結,整體性強,特別適用于其它保溫材料難以解決的異型設備保溫;(3)質輕、層薄,建筑內保溫用相對提高了住宅的使用面積;(4)阻燃性好,環保性強;(5)施工相對簡單,可采用人工涂抹的方式進行;(6)材料生產工藝簡單,能耗低。   


                              有關專家指出,隨著當今涂料技術的發展,保溫涂料技術日臻成熟,完全由涂刷保溫涂料代替做保溫層的辦法已經開始進入實用階段,將改變傳統的保溫保冷方式。  
                          2  保溫涂料研究現狀
                              復合硅酸鹽保溫涂料是當前應用最廣泛的保溫涂料。
                             這類保溫涂料最初以松解過的海泡石作為主要原料,以水玻璃為主要黏結劑。后來除海泡石外,還加入大量的膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、漂珠、粉煤灰、硅藻土、石棉、玻璃棉、礦棉、硅酸鋁纖維等;所用黏結劑也由單一的水玻璃發展為石膏(常溫)、水泥(常溫)、高鋁水泥(中溫)、硅溶膠(高溫)等復合使用。此外,還通過加入各種外加劑來改善涂料性能,如流動性、硬化性、憎水性、耐高溫性、反射性等。經過機械打漿、發泡、攪拌等工藝制成膏狀保溫涂料(參考配方見表1-)。J_[1]


                              表1復合硅酸鹽保溫涂料參考生產配方

                               原材料   無機纖維 輕質骨料 增稠劑 助劑 黏結劑    水
                               我國有上百家研究單位和企業進行過復合硅酸鹽保溫涂料的研究工作,大部分研究工作相互獨立進行,因而所用配方、生產工藝、施工方法及產品性能也各式各樣。近20年來,發表的該類論文有上百篇,申請該類專利的也有50多項。國家質量技術監督局于1-998年5月發布了硅酸鹽復合絕熱涂料國家標準(GB/T 17371-1998),這就為復合硅酸鹽保溫涂料的生產和應用提供了一個可供參照的技術標準。
                               受歷史和社會經濟條件等因素的影響,成本較低的復合硅酸鹽保溫涂料在我國發展很快,達到世界先進水平,但其主要用作工業保溫涂料,如高溫管道保溫,或者鍋爐、窯爐等的外殼保溫。


                                隨著人民生活水準的提高和我國對于建筑物保溫節能工作的政策性指導,保溫涂料將會更多地用于建筑物內墻的保溫隔熱。近年來,復合硅酸鹽保溫涂料用于建筑內保溫得到了逐步的認可和較大面積的使用,但仍存在著尚待解決的問題和自身材料結構帶來的缺陷。主要表現為:(1)干燥周期長,施工受季節和氣候影響大;(2)抗沖擊能力弱;(3)干燥收縮大,吸濕率大;(4)對墻體的黏結強度偏低,施工不當易造成大面積空鼓現象;(5)裝飾性有待于進一步改善,等等。因此,應充分利用我國在這方面所取得的技術優勢,花大力氣提高此類涂料的綜合性能,使之用于建筑隔熱保溫    國內外最新研究動態

                                熱傳遞是通過對流、輻射及分子振動熱傳導三種途徑來實現的。對于保溫涂料而言,(固體)熱傳導主要由保溫涂料中的固體部分來完成;熱對流則主要由保溫涂料中的空氣來完成;熱輻射的傳遞不需要任何介質。因此要獲得良好的隔熱保溫效果,一是要在保持足夠機械強度的同時,材料的體積密度要極端的;二是要將空氣的對流減弱到極限;三是要通過近于無窮多的界面和通過材料的改性使熱輻射經反射、散射和吸收而降到最低。
                                為了獲得性能更好的保溫涂料,國內外工作者進行了大量的研究,主要根據上述隔熱機理,對主要原材料的品種和性能作了很大的改進。
                           3.1無機隔熱反射墻體涂料


                                國內外涂料及涂層技術發展很快,并不斷更新換代,無機建筑涂料,特別是無機隔熱反射建筑涂料是發展方向之一。
                               目前德國KEIM礦牌涂料是最具代表性的全無機硅酸鹽涂料。該涂料涂刷后能滲入墻體基面0.5~2mm深,與墻體的礦物質基地發生化合作用,能形成一層抗堿防酸的硅石,使涂層與墻體牢固地結合。加上該涂料與墻體同屬于礦物基質,有相近的熱脹冷縮系數,可避免涂層龜裂與剝落,耐候性好,使用壽命可達10~15年。該涂料防火阻燃、防塵自潔、無菌類及苔蘚滋長、無揮發物、無毒環保、永不褪色、適用范圍廣。

                          3.2  薄層隔熱反射涂料
                              選擇耐候性好、韌性好、耐溫較高、成膜性好的基料,加入輕質、孔隙率高、熱絕緣系數大的絕及反射率高、表面光潔的熱反射填料,并輔以合適的分散劑、阻燃劑、流平劑、成膜助劑等,研制成的薄層隔熱反射涂料的熱反射率可達85%以上,可用于成品油罐及低溫容器的隔熱保溫,還可與多孔材料復合構成低輻射傳熱結構。因其防水好、韌性好,可集防水、保溫、外護于一體,簡化施工工藝,降低成本。  

                          3.3  水性反射隔熱涂料


                                反射隔熱涂料是在鋁基反光隔熱涂料的基礎上發展而來的,通過選擇合適的樹脂、金屬或金屬氧化物顏填料及生產工藝,制得高反射率的涂層,反射太陽熱以達到隔熱的目的。由于金屬薄片在溶劑型涂料中能夠較長時間穩定存在,而在水性體系中則不能,因此大多數反射隔熱涂料為溶劑體系。但水性化是涂料的發展趨勢和必然歸宿,因此將金屬薄片進行特殊處理或不采用金屬薄片的水性反射隔熱涂料已成為國內外隔熱涂料研究的熱點之一。   


                                l采用馬來酸二丁酯-乙酸乙烯共聚物為成膜物質,通過加入一種CeramicSil32珠光隔熱劑制得了隔熱性能優良的水性隔熱涂料。張敏采用鱗片狀鋁粉為顏料制得了一種綜合性能優良的水性反光隔熱罩面涂料,經實體測定,當氣溫高達35~37℃時,涂層內部可降溫11~13℃。
                           3.4  輻射隔熱涂料
                          | m&UR:dc     通過輻射的形式把建筑物吸收的日照光線和熱量以一定的波長反射到空氣中,從而達到良好隔熱降溫效果的涂料稱為輻射隔熱涂料。此類涂料的關鍵技術是制備具有高熱發射率的涂料組分。研究表明,多種金屬氧化物如Fe203、Mn02、C0203、CuO等摻雜形成的具有反型尖晶石結構的物質具有熱發射率高的特點,因而廣泛用作隔熱節能涂料的填料。
                          沃群鳴詳細研究了紅外輻射的原理,并通過在硅酸鹽結晶相中加入A1203、Ti02等金屬氧化物細粉作為填料而研制出的紅外輻射涂料輻射5-15μm波段內的紅外線的能力在85%以上


                           3.5  真空絕熱保溫涂料



                                真空狀態能使分子振動熱傳導和對流傳導兩種方式完全消失,因此采用真空狀填料制備性能優良的保溫涂料成為當前研究的另一個熱點    美國的ASTEC陶瓷絕熱涂料是利用太空科技的產品。美國著名的Christian實驗室將10cm厚的泡沫絕熱系統(R20等級)直接和0.38mm厚的陶瓷涂料進行了比較,結果證實陶瓷涂料的絕熱性能高于R20等級。在建筑物室內使用ASTEC涂料,施以薄層即可有效地增強隔熱保溫效果。秋天可使室內溫度提高2.8-4.4℃,夏天可使室內降低同樣的溫度,從而將節省可觀的水電費用。由于該涂料自身壽命長,將之施于建筑物防水層上可以減少屋面維修和置換費用并可解決屋面的滲漏問題。此外,ASTEC涂料含有高科技的防蝕成分,既可排除對金屬表面已有的侵蝕,又可防止對金屬表面的進一步侵蝕。 
                               北京維納公司推出德國盾牌陶瓷隔熱涂料新品,該涂料打著"綠色環保"的旗號,憑借其特有的隔熱、防腐等性能悄然登陸中國市場,將在中國申奧成功帶來的巨大商機中有所斬獲。這種德國盾牌陶瓷隔熱涂料(THERMO-SHIELD)是由極微小的真空陶瓷微珠和與其相適應的環保乳液組成的水性涂料。它與墻體、金屬、木質品等基體有著較強的附著力,直接在基體表面涂抹0.3mm左右,即可達到隔熱保溫的目的。美國豪斯實驗室對民用建筑使用效果的測試結果表明,夏天空調能耗至少節省64%其核心技術是真空陶瓷微珠,由于它的特殊結構,因此具有很強的延展性,可有效避免因基體吸水后熱脹冷縮產生裂縫以及因強陽光照射引起基體內張力變化而產生裂縫。經測試,上百萬真空陶瓷微珠在波長500-2500nm波長范圍內對陽光的反射率平均達到86%?勺兓耐笟庑砸彩沁@種新興涂料的重要特點。由于微珠陶瓷球體的間距隨空氣濕度加大而增加,整個體系的間距隨之增大,反之濕度小于50%時,它對水蒸氣則具有密封性。這種涂料過去僅限于在航天產品上使用。近年來,發達國家先后將其應用到了民用建筑和工業設施。其在化工行業的液體貯罐、罐車隔熱以及各種生產設備的表面防腐等方面具有市場潛力。業內人士認為,該涂料既是盾,更是矛,將刺激中國高科技、高品質涂料市場的發展。
                           3.6  納米孔超級絕熱技術在保溫領域的應用
                          早在1992年美國學者Hunt,A.J.等在國際材料工程大會上就提出了超級絕熱材料(Supper lnsulator)的概念。近幾年,國外超級絕熱保溫材料發展明顯加快,已成為有關絕熱保溫技術國際研討會上關注的重點之一。"納米孔超級絕熱材料"的概念在我國的提出只是近兩年的事情。



                                20世紀40年代,美國MONSTANTO公司的Samuel Kisder將納米孔結構模型首先在氣凝膠材料上變成現實,成功制造了納米?仔偷墓铓饽z。在20世紀70年代初期,MONSANTO公司把這種硅氣凝膠制成粉狀材料,一直以Santocd A及Santocel C的品牌用于絕熱澆注料。后來,為了節約生產成本,又采用了焚燒工藝生產類似的硅氣凝膠。


                           

                               初期的納米孔絕熱產品一直是以粉狀材料供貨,直到20世紀50年代才有美國TOHNS-MANVILLE公司將此材料與石棉纖維、有機樹脂等混合制成名為Min-K的塊狀材料,應用于航天及核能等領域。
                                近幾年來,保溫材料行業界對納米孔絕熱產品越來越關注,Kistler工藝也在不斷的改進和完善,產品成本也有了明顯的下降,應用范圍也有了很大的發展。盡管如此,目前價格因素仍然是限制其大規模應用的主要障礙。因此,降低生產成本,是今后研發工作的主要方向之一。到目前為止,納米孔絕熱材料的最高使用溫度在1050℃左右,因此,開發使用溫度高于1050℃的納米孔絕熱材料也是今后的科研任務之一。

                                納米孔超級絕熱材料是建立在低密度和超級細孔(小于50nm)結構基礎上的,從理論上說其導熱系數可趨近于0。因此,采用納米孔原料獲得比靜止空氣導熱系數(0.023 W/m·K)更小的涂膜是完全可能的。這既是機遇,也是挑戰。

                          4  保溫涂料主要發展方向

                          (1)現有產品及技術的改進提高。提高產品性能,擴大品種規格,降低成本,以滿足不同用戶的需要。如復合硅酸鹽保溫涂料應向快速固化、憎水、提高黏結強度、降低密度、負溫施工、降低成本和用于建筑節能等方向發展。



                              (2)研制生產復合型多功能保溫涂料。一種保溫效果良好的涂料往往是兩種或多種隔熱機理同時起作用的結果。各種保溫涂料各有其優點,因此可考慮將它們綜合起來,充分發揮各自的特點,進行優勢互補,研制出性能優良的復合型保溫涂料。不同使用條件對保溫涂料會有一些特殊的要求,研制耐高溫、保冷、防水、防火、防腐蝕、抗氧化、抗輻射、減振等多種功能結合的涂層,將更具吸引力和競爭力。


                             (3)大力發展建筑保溫涂料及相關技術。國外建筑節能用絕熱材料占絕熱材料總量的比重大,如美國從1987年以來建筑用絕熱材料占所有絕熱材料的81%左右。我國能源消耗中,建筑能耗大約占全國能源消耗總量的1/4,而建筑用絕熱材料僅占總量的11%左右,可見建筑節能潛力很大。有關部門已作出一系列規定,并有了相關的標準規范,不少城市開展了節能住宅推廣工作,有力地促進了建筑節能技術的發展

                              (4)積極開發新型保溫涂料及相關技術。如低輻射傳熱涂料,高效薄層隔熱防腐一體化涂料,真空絕熱涂料等的研制。含有納米或亞納米微孔結構的涂膜及采用納米材料制得的涂膜將是下一階段保溫涂料發展的熱點之一。作為一種最具有市場應用潛力的新興科學技術,納米技術的發展為保溫涂料的研究提供了前所未有的機遇和可能性。
                              (5)注重環保,利用"三廢"開發保溫涂料。環保越來越引起世界各國的重視,保溫涂料的研制應沿循涂料發展的潮流,向水性、環保的方向發展,避免使用有關環保法規中禁用的有害物質。不少廠家的"三廢"已成為阻礙企業發展的重要問題,而"三廢"中有不少可以利用的成分,完全可以用來開發保溫涂料,部分或全部代替某種原材料,可降低成本,改善環境。

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