隔热保温粉末涂料在建筑铝型材喷涂工艺的应用

前言：

我国绿色建筑正在蓬勃发展，财政部、住房和城乡建设部联合发布了《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见》，首次以正式文件形式提出我国未来绿色建筑的发展目标，明确到2020年，我国绿色建筑占新建建筑比重超过30%。

据报导，目前在我国400多亿平方米既有建筑中，90%以上属于高耗能建筑。我国是个能源消费大国，又是一个能源短缺大国，建筑节能刻不容缓。在高耗能建筑中，门、窗的能耗占了近50%，所以，建筑节能的关键是门窗^[1]。如果将现有门窗节能提高到40%，则每年可节约煤炭1.56亿吨，节约费用249.6亿元，少向大气排放灰尘7000万吨。同时，减少大量有害气体排放，对缓解大气污染和保护生态环境具有重要意义。因此，采用新型隔热、保温门窗，并对现有建筑门窗进行节能改造，是我国能源形势的客观要求，也是保护环境，减少大气污染的重要举措。

一 建筑高能耗产生的原因

1.太阳光的影响

太阳既是天然的光源又是天然的热源，它每时每刻以巨大的光和热向四周辐射，太阳光要几经周折才能到达地球表面，透过大气直接到达地球表面的大阳辐射能称为直达辐射量S。这种直达辐射量实际上仅占太阳总辐射能的27%。直达辐射能S可用下式表示：

S=wf(a,b)∮(s.n)

式中：f(a,b)为大气透射状态

∮(s.n)为天空晴朗程度

据测算，我国太阳平均总辐射量为1.3卡/c㎡ ?min，亚热带地区的总辐射量为1.8-1.9卡/ c㎡ ?min。

图1显示入射太阳辐射的波普

太阳光谱能量分布：

可见，太阳辐射能50%以上是近红外辐射。这种辐射与建筑物室内的相互作用遵循两个原理：一是建筑门窗首先吸收辐射热，然后再以热量转移（热传导、热对流）的方式将热量传递到室内，而使室内温度上升；二是类似于“温室效应”，当辐射光直接通过门、窗进入室内时，由于玻璃是热的绝缘体，就会使得室温逐渐上升。为了维持室内的舒适度，就势必要开空调降温。

2.温差太大产生的影响

前面提到的是太阳能直接辐射导致室内温度升高是造成建筑物高能耗的一个原因，而太阳能间接影响是引起建筑物室内外温差大而造成建筑高能耗的另一个原因，主要表现就是冬冷、夏热。在北方寒冷的冬季，室外温度最低可达-50℃以下；而我国的夏季，尤其是南方高温持续时间长，气温高，最高可达40℃以上。由于我国传统建筑绝大部分没有采取隔热、保温措施，冬季取暖不仅消耗大量煤炭、天然气和电力，而且造成严重的大气污染。而夏季制冷则直接消耗电能，这就是我国建筑高能耗的根本问题所在。所以，建筑物的隔热保温，不仅适用于夏热冬暖地区、夏热冬冷地区，也适用于夏季阳光强烈地区等。

二.隔热保温是建筑节能的必选途径

绿色建筑，是指能够满足我国2006年发布的《绿色建筑评价标准》，即建筑物在全寿命周期内，最大限度的实现节能、节地、节水、节材并保护环境和减少污染。绿色建筑与一般建筑不同之处在于：绿色建筑将推行本地材料，建筑风格将随着气候、自然资源和地区文化的不同而呈现出不同的风貌。

门窗在建筑中是保温的薄弱环节，据介绍，建筑门、窗能耗约占建筑围护结构能耗的50%，是建筑总能耗的25%。而绿色建筑可实现建筑节能达50%~60%。两部委曾下发通知，利用三年左右时间，对全国规模以上门窗企业进行“节能性能”标识，只有获得此标识的门窗产品，方可用于绿色建筑和现有建筑的节能改造。

三.建筑铝型材门、窗用隔热保温粉末涂料的现状和未来发展

1.隔热保温基本原理

我们知道，物体内和物系之间只要存在温差，热量就会从高温处向低温处传递，简称传热。热量传递有三种方式：a.热传导（导热）b.热对流c.热辐射。从热量传递的方式可知，隔热保温基本原理有两条：（1）热反射；（2）热隔阻

（1）关于热反射：实际上是指太阳光的反射。前面提到，太阳以辐射形式向地球提供了大量的光和热。入射的太阳辐射能可达1kw/㎡,，而且太阳光辐射几乎50%以上是红外辐射（780~250纳米）。通常描述一个表面的反射性能数据是太阳光的反射值（TSR）^[2]。一般传统黑色涂层的TSR值约为5%，而白色涂层的TSR值约为75%。这就意味着黑色涂层吸收了大约95%入射辐射热，而白色涂层只吸收了约25%。显然白色涂层反射的太阳辐射热远大于黑色涂层。

（2）关于热隔阻：隔热的目的是为了保温，最大限度的减少热量与冷量的损失。因为对隔热保温材料而言要求传热速率越低越好。物质热导率的大小表示物质的导热能力。热导率在数值上等于温度梯度为1℃/m单位时间内通过单位导热面积的热量，即：

λ=  - Q/（A*dt/dx）

式中： λ—热导率（导热系数），W/（m·k）或W/（m·℃）；

Q—单位时间内传导的热量（导热速率），W；

A—导热面积，即垂直于热流方向的截面积，㎡；

dt/dx—沿x方向的温度梯度， K/m或℃/m。x方向为热流方向，即温度降低的方向，故dt/dx为负值。

不同物质的热导率数值范围见下表：

2.有机涂层的隔热保温

我国现有的铝型材用耐候性粉末涂料，主要是聚酯/TGIC和聚酯/HAA，高档的超耐候氟碳粉末涂料因价格等因素影响，应用的不多。就涂料花色品种来看，有高光系列、低光系列、木纹系列、砂纹系列和金属型系列居多。应该说上述这些粉末涂料的花色品种都有一定的隔热保温性能。如：浅色涂膜，尤其是白颜色的涂层，能反射绝大部分太阳辐射光；金属型粉末涂料几乎不吸收光能，但能反射可见光和红外光，而且还可以反射日光中60%以上的紫外光，具有一定的保温隔热效果。但是目前我国还没有专门用于隔热保温的功能型粉末涂料，随着我国经济的发展、科技的进步以及日益迅速的绿色建筑发展的需要，开发具有高质量、高性能的隔热、保温粉末涂料势在必行。用于铝型材、铝门窗、铝幕墙的隔热、保温粉末涂料应具备以下特点：

a.应具有优异的耐候性。由于在我国具有优异耐候性的氟碳粉末涂料，大量使用还受到一定的限制，所以，对现有耐候性聚酯粉末涂料进行改性显得尤为重要，而且已取得很大进展。一是在现有合成聚酯中，以间苯二甲酸代替对苯二甲酸，可使聚酯粉末涂料的耐候性（保光性、抗粉化性）比现有涂料可提高2倍^[3]。二是用现有聚酯用具有超耐候的氟树脂进行改性，也能大幅提升现有树脂的耐候性。

b.隔热保温性优，这是与普通粉末涂料的主要区别点。如何做到既隔热又保温，目前看来可采用以下几种方法：

(1)研发可发泡的粉末涂料

这种能发泡的粉末涂料发泡机理是：粉末涂料在120~140℃熔融流平，在160~200℃交联固化成膜，在粉末涂料处于熔融胶化过程中（120~180℃），组分中的发泡剂与助泡剂产生发泡效果，即在处于熔融状态的涂料中产生球形小气泡，气泡逐渐长大并保持球形。通过配方设计和成膜过程的控制，就可得到封闭的低泡沫密度的多面体结构。整个发泡过程伴随有聚酯与固化剂的交联反应和发泡剂的分解产生气体的过程，使涂料在胶化固化过程中膨胀发泡最后成型。这种发泡型粉末涂料具有优异的隔热、绝热、保温性能，导热系数最低可达0.02~0.024w/m.k，而空气为0.0244w/m.k。

(2)对现有粉末涂料进行改性并填加功能性隔热、保温材料

隔热、保温粉末涂料不仅在耐候性能上应有大幅提升，还要尽量满足多方面的需要。如：涂料的耐候性、阻燃性和抗菌性等。鉴于上海、北京、沈阳等地建筑物的大火教训，防火阻燃粉末涂料在铝型材、门窗、幕墙的应用显得尤为重要。所以，保温、隔热粉末涂料应具有不燃性。南方地区夏季闷热、潮湿，霉菌、细菌大量繁殖、生长。这类地区使用的粉末涂料也应具有抗菌防霉功能。粉末涂料用功能性的隔热、保温材料有：硅酸铝、硼酸、二氧化硅、二氧化锆、绢云母及石棉等，选择加入一定量这种隔热填料可有效反射太阳光中的可见光、红外光70%以上，并可屏蔽紫外光，能大幅提高涂料的隔热保温效果。各种填料的隔热效果依次是硼酸﹥二氧化硅﹥二氧化锆﹥石棉。

最近，国外开发一种能用于粉末涂料环保型现代杂合颜料^[2]，这种杂合颜料是以复合型无机颜料作为粒子，然后加入预分散的有机颜料附在核心粒子的表面上。作为一种由无机颜料组分和有机颜料组分共同处理得到的一种结合产物TICO；这种杂合颜料卓越性能表现在：具有较强的太阳光尤其是近红外光的反射力。

实验显示，采用这种颜料涂层，近红外反射的TSP值为44%，而普通涂层的TSP值仅为29%。在不改变色度的前提下，两种不同颜料类型的涂层表面最大温差可达8℃，这种新型颜料也能为有机涂层提供优良的隔热保温效果。

(3)粉末涂料纳米化

从现有纳米材料特性来看，纳米涂料可以呈现以下重要性能：提高涂料耐候性、耐脏污性和自洁能力，增强涂料的抗菌性和空气净化性，改善涂料机械性能和隔热保温性等。北京某研究机构研发的一种用于玻璃上的纳米透明涂层，使用前后温差可达3℃~8℃，夏天隔热、冬天保温，初步计算可节省电能20%~30%，还能有效阻隔95%以上的紫外线，而可见光的透过率却高达90%。

结语

国内建筑耗能情况令人堪忧，本文分析了建筑高能耗产生的原因，认为建材的隔热保温是建筑节能的必选途径。从隔热保温基本原理出发，提出了隔热保温粉末涂料的概念，并阐述了发泡粉末涂料、功能性隔热保温材料、粉末涂料纳米化等铝型材用隔热保温粉末涂料的可行性方案。“绿色建筑正提倡，隔热保温是方向”。我国即有建筑中，绝大多数属于高能耗建筑，不仅造成巨大的能源浪费，还造成环境严重污染。用粉末涂料涂装的铝型材、铝合金建筑门窗可极大降低铝合金制品的导热系数，尤其是采用具有隔热保温性能的粉末涂料装饰铝合金型材、门、窗、幕墙等，更能显著提高建筑物的节能、环保效果，其市场应用前景将十分广阔。