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            反射隔熱涂料中填料應用的物理學定性討論

            作者:廊坊森卓化工有限公司 來源:本站 發表時間:2020-08-04 09:30:32 查看:
            反射隔熱涂料中填料應用的物理學定性討論

            導讀:著重討論了顏填料在反射隔熱涂料中的作用,從物理學角度解釋反射隔熱涂料如何降低建筑能耗,闡明反射隔熱涂料配方開發應從提高涂料的太陽反射比和半球發射率方面著手,并給出了反射隔熱涂料中涂和面涂的建議配方。

             
            1 國標介紹
            國家層面先后頒布了GB/T 25261—2010《建筑用反射隔熱涂料》和JG/T 235—2008《建筑反射隔熱涂料》等標準。標準的名稱不盡相同,頒布單位也各不一樣,有發改委的有住建部的;標準中涂料技術指標參照也各不相同,比如有的參照了普通外墻的耐候性標準,有的參照了外墻彈性涂料標準,要求測試常溫彈性、低溫彈性以及老化后彈性。但是最核心的兩個指標還是關于太陽反射比和半球發射率,目前對這兩個指標的要求都是大于0.8。而對于涂料的導熱系數不作為強制檢測指標,只作為推薦測試指標。導熱系數當然越低越好,但是它在反射隔熱涂料中發揮的作用遠不及前面兩個指標。建筑涂料基本包括4類成分:樹脂基料、顏填料、各種助劑、水和助溶劑等。提高太陽反射比和半球發射率,能夠發揮反射隔熱效果的主要還是顏填料,其他成分幾乎沒有影響。所以本文著重討論顏填料在反射隔熱涂料中的作用。反射隔熱涂料有比較低的導熱系數,因此從涂料的表面到最底層的溫度梯度是比較大的,而且同質量比例的空心玻璃微球吸油量相當大,也需要成膜物質具有一定的彈性來抵消由此引起的涂料顏填料體積比PVC的增高。因此建議涂料企業盡量使用彈性乳液,按照彈性涂料的標準做常規的測試。
             
            各種國際氣候會議的召開,中國政府對溫室氣體限量排放的承諾,國內媒體的反復報道,節能減排成為我們耳熟能詳的詞匯。為了響應政府的號召,降低單位GDP的能耗,使得國民經濟從粗放型增長向集約型增長過渡,社會的各個層面都動員起來,提出各自領域節能減排方案。作為占社會總能耗的1/3的建筑領域,為此一直做著不懈的努力。各種新型節能建筑材料像雨后春筍一樣不斷涌現,比如建筑外窗用雙層玻璃、隔墻用加氣混凝土磚等等,而墻面上節能材料目前最有效的當屬外墻外保溫系統。傳統的聚苯板外保溫或者是現場噴涂發泡聚氨酯保溫層,除了施工麻煩外,還有消防安全隱患問題,因此不像前幾年那樣流行;巖棉材料保溫效果好,透氣性不錯,防火性能也佳,但是其昂貴的造價、易透水性以及現場切割時巖棉纖維對施工人員的職業傷害,都讓這個產品的大面積推廣受到抵制。而且從筆者目前對市場的了解,發現聚苯顆粒外保溫又開始回流到建筑工地上。從保溫的角度看,這不是一個好的方法,是一種淘汰的技術,是一種無奈的倒退。
            現在很多房地產開發商為了能夠設計圖紙通過審核、施工得到許可,在滿足政府強制性節能要求的同時,希望建筑保溫成本增加較少,施工簡便,又能夠達到要求,于是反射隔熱涂料便成了最佳的選擇。按照常識理解,150 μm干膜的反射隔熱涂料要想達到4 cm厚發泡聚苯板同樣的保溫效果是不可能的。但是考慮到夏天的太陽輻射最強,夏天的建筑能耗最大,涂料在建筑的最外層可以有效地反射夏季太陽的輻射。中國幅員遼闊,南北地區夏季的溫差不大,冬天的溫差卻比較懸殊,因此反射隔熱涂料在南方地區、在夏天是可以發揮出非常積極的作用的。本文著重從理論上解釋為什么反射隔熱涂料可以降低建筑能耗,以及如何開發出高效率的反射隔熱涂料。
             

             
            2 太陽反射比
            現在的關鍵問題就是如何提高建筑涂料的太陽反射比和半球發射率,先來談談太陽反射比。太陽是一個巨大的火球,準確地講是一個不停地在發生熱核反應的火球,兩個氫原子聚合成氦原子同時釋放出巨大的能量。太陽表面的溫度高達6 000 ℃,幾乎釋放出全波段的電磁波。人類能夠直觀感受到的就是可見光,圖1為太陽輻射能隨波長的分布圖。特定波段下方的面積代表該波段電磁波在太陽輻射中所占的比例。從圖1可以了解到,波長從0.76 μm到400μm的紅外線波段占太陽能量的比重最大,接近50%,可見光占40%左右,而波長小于0.4 μm的紫外線只有不到10%。在此,先引入兩個概念:(1)吸收比:被物體吸收的能量與入射的能量之比稱為該物體的吸收比,用a表示;(2)反射比:反射的能量與入射的能量之比稱為該物體的反射比,用r表示。理論上講a+r=1,因為需要滿足能量守恒。因此如果能夠把太陽中的紅外線和可見光盡可能多地反射到空氣中,即提高反射比a,涂料往建筑物中傳導的熱量就減少,即r=1-a。
            太陽輻射能隨波長的分布曲線
            從3個常識來闡述如何提高反射隔熱涂料的太陽反射比:
            第一,夏天穿著白色或者淺色的衣服要比穿著黑色或者深色的衣服涼快。我們之所以能夠感受到物體的顏色,是因為物體把自然光中和自身顏色一致的可見光反射出去,而把其余顏色的可見光吸收了。如果物體把全部的可見光都反射了,我們看到物體就是白色的,如果把全部可見光都吸收了,我們看到的物體就是黑色的?梢哉f深色的涂料具有較高的吸收比,或者說有較低的反射比。因此反射涂料必須是淺色的(外墻涂料純白色的較少),否則就沒有意義。
            第二,天空的顏色是藍色的。因為太陽光在經過大氣層的時候,由于可見光中的藍光紫光波長和空氣中的氮氣分子和氧氣分子的粒徑接近,因此在透過大氣層的時候藍光紫光被氮分子和氧分子散射了。天空的藍色只是在低空才能看見,隨著高度的增加,由于空氣越來越稀薄,大氣分子的數量急劇減少,分子散射出的光輝逐漸減弱,天空的亮度越來越暗,到20 000 m以上的高度,散射作用幾乎看不出來,天空就成黑色的了。因此可以得出結論,尺寸和電磁波波長接近的障礙物對于該波長附近的電磁波有最大的散射反射作用。如果涂料中有粒徑和紅外線波長比較接近的顏填料,涂料的太陽反射比自然也可以得到提高。
            第三,玻璃房有溫室效應。所謂溫室效應,即玻璃可以透過輻射較短的可見光,而玻璃房內物體被可見光加熱后,向外發射紅外線的時候,卻被玻璃阻擋,于是玻璃房內的溫度會越來越高。因此從物質材料的特點而言,玻璃會具有較高的紅外阻擋效應。反射隔熱的顏填料包括鈦白粉、鐵紅、鉻黃等各種顏料,以及碳酸鈣、高嶺土、滑石粉和硫酸鋇等普通填料,也包括空心玻璃微珠和實心陶瓷微珠等功能性填料。鈦白粉作為基本的白色顏料是必不可少,一方面白色可以反射所有的可見光,對于紅外線也有一定的反射性。鈦白粉作為主要的遮蓋力顏料,可以防止可見光穿透涂層。在各種顏色當中,除了白色外,黃色系和藍色系等明度較高的色系具有較高的太陽反射比,而紅色系和灰黑色系有較低的太陽反射比。在普通的體質填料中,硫酸鋇具有最好的反射比,其次是高嶺土、重鈣等;同種類的體質填料中,粒徑越小、白度越高的填料有較高的太陽反射比?招牟A⑶蛴捎谄洳AР馁|,有較好的紅外阻隔效應,玻璃對于太陽光也有較強的反射作用,加之其空心結構用在涂料中有較好的降低導熱系數的作用。實心陶瓷微球由于其規則的正球形狀,且粒徑范圍剛好覆蓋了近紅外電磁波,能夠較好地散射入射的電磁波,對于提高太陽反射比也有一定的作用。以上都可以作為反射隔熱涂料中的顏填料,關鍵在于如何配比。

            3 半球發射率
            國標中是這么定義半球發射率的:熱輻射體在半球方向上的輻射出射度與處于相同溫度的全輻射體(黑體)的輻射出射度之比值。相比較太陽反射比,半球發射率的定義較為深奧。
            先介紹幾條物理學知識:
            第一,所有溫度在絕對零度(-273 ℃)以上的物體都會往外發射電磁波。微觀解釋可以理解為絕對溫度是物體分子熱運動的表現,有分子熱運動就有電磁波的發射?梢杂袔兹f攝氏度高溫的物體,但是沒有絕對零度以下的物體。任何物體都在不停往外發射電磁波而失去能量,同時也在接受其他物體發射的電磁波而獲得能量,最終會達到一個動態平衡,于是物體的溫度不再發生變化。
            第二,所謂黑體是指物體能夠吸收外來的全部電磁輻射,并且不會有任何的反射與透射。換句話說,黑體對于任何波長的電磁波的吸收系數為1。但黑體不見得就是黑色的,即使它不反射任何的電磁波,但是它可以發射電磁波,不反射電磁波和不發射電磁波完全是兩個概念。如果這些電磁波是可見光,就會被人眼所察覺,在室溫下,黑體放出的基本為紅外線。但當溫度超過500 ℃后,黑體開始放出可見光,根據溫度的升高過程,分別變為紅色、橙色、黃色、藍色。當黑體發射出全部可見光波段電磁波的時候,就變為白色。太陽的輻射分布曲線就接近6 000 K的黑體輻射曲線。
            第三,輻射能Q是物體以輻射形式發射的電磁波能量,單位為焦耳(J)。輻射功率P是單位時間內發射的輻射能,單位為瓦特(W)。輻射出射度E是輻射體單位面積在單位時間內向半球空間發射的輻射能,單位為瓦每平方米(W/m2)。輻射出射度是一個有單位的物理學數值,但是孤立地看這個數值沒有意義,必須引入一個能夠客觀反映物體輻射能力強弱的參數——半球發射率。
            第四,黑體的半球發射率為1。在一定溫度下的黑體必然是熱平衡的物體,而黑體又能夠吸收全部入射電磁波,為保持該溫度或者說保持能量守恒狀態,黑體必然把吸收電磁波獲得的能量全部以發射電磁波的形式釋放出去。因此也可以認為黑體是同溫度條件下發射電磁波能力最強的物體。衡量物體半球發射率的高低,或者是往外發射能量能力的強弱,就以該條件下,物體在半球方向上的輻射出射度與處于相同溫度的黑體的輻射出射度之比值,即國標中對半球發射率的定義。黑體的半球發射率是自身輻射度的比值,它的半球發射率當然是1。
            介紹了這么多的物理學知識,再回到反射隔熱涂料上來。我們的目標就是反射隔熱涂料單位面積單位時間的輻射能量Q最大,即輻射出射度E最大。根據斯特藩-玻爾茲曼定律以及基爾霍夫輻射定律可以推導出如下公式(1):

            式中,E——物體單位面積的能量輻射功率,即輻射出射度;
            ε——物體的發射率;
            Eb——該溫度下的黑體的輻射出射度;
            σ——斯特藩-玻爾茲曼常數;
            T——絕對溫度(T=t+273)。
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