相变涂料研究进展.docx

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相变涂料研究进展

摘要

相变涂料是一种新型建筑节能涂料，是将相变材料与传统涂料融合并且根据相变材料的相变潜热机理达到储热以及放热，将相变涂料运用到建筑中能产生很好的保温隔热，调温控温作用。

本论文对相变涂料的发展现状进行了概述，总结了相变涂料的基本形成结构，主要有成膜物质、溶剂和助剂、颜料等材料，分析了相变涂料的调温储热、流动和成膜性能的影响因素，以及对相变涂料在建筑、航天航空领域方面的应用进行了展望。

关键词：

相变涂料；相变微胶囊；储能保温；建筑节能

第一章绪论

相变涂料在人们日常生活中都有很广泛的应用，人们在生活中需要消耗大量的能源，这些能源消耗在总能源中占据几乎一半的比例，其中空调的能源损耗占比最大。

根据当前的现状，全球人口在不断增长，因此建筑高能耗也必将呈现增长的趋势，这样一来，人类对能源的需求量也越来越大，将相变涂料在建筑中予以应用，可以使室内温度维持恒温状态，保持室内温度在较长的时间段内与人体所需要的温度相一致，提高了人体舒适度，同时又能达到环保节能目的。

利用相变涂料的调温控温性能进行能量的储存与释放是一项新型的节能技术，在未来生活中，相变涂料一旦被人们普及使用，就会成为使用在建筑节能结构的最佳材料，现今相变涂料已经成为我国研发工作者的主要攻克目标[2]。

一般涂料中所采取的保温隔热材料如中空玻璃微球、发泡材料、保温板等均属于延缓温度变化的材料，不能使建筑物表面的温度在较长时间里保持不变。

而相变涂料具有很好的调温控温性能，可以有效地控制建筑物表面及内部温度，并使温度保持在很长的一段时间内恒定不变，通过温度在相变材料中的储存、释放的过程实现保温隔热、恒温的效果，同时对建筑物外观有一定的装饰和保护作用，可有效地达到节能环保的效果[3]，复合现今的发展热潮[4]。

1.1相变涂料的现状

在二十世纪六十年代国内外科学家们为了降低建筑高能耗，对相变储能材料进行了初步的研究。

相比之下，我国在七十年代末才对相变储能材料进行研究，与西方国家相比我国还处于较晚阶段[5]。

近十来年，西方的研究工作者才开始全面的研究相变储能材料，以及相变材料的循环使用、相变材料的组成、相变机理、相变材料的使用寿命和储能容量，进过深入的研究促进了相变材料在人们生活中的应用；我国目前已经把有机相变材料和复合相变材料的研究列为重点研究开发对象，后来航天航空、化工等领域都有了相变储能材料的一些应用，而这几年建筑物的采暖、空调得到了相变涂料的更多更广泛的应用，在未来将会主要研究目标。

相变涂料目前已经成为科学家们的研究重点，美国在二十世纪八十年代中期就已经对相变墙体进行了研究，即把相变材料加入建筑材料中，制备成一种具有相变储能调温功能的建筑物维护结构。

采用了相变墙体的建筑物相比普通墙体的建筑物而言，有很好的舒适度，还能起到节能环保的作用，实现了建筑发展节能化，经过调查研究发现，将相变材料应用到涂料中制备成具有优良性能的相变涂料，目前还处于研究的初步阶段。

例如，杨保平[6]等用相变微胶囊材料作为功能性填料，将相变微胶囊材料添加到涂料中，制备成为一种相变储能涂料，这种应用手段成为目前相变储能材料研究过程中的一项重要研究。

主要的制作方法是利用硬脂酸丁酯制作微胶囊材料，把微胶囊相变材料加入到酚醛防锈涂料中，从而制备出一种调温防锈蚀涂料，它的硬度、附着力、耐酸碱等性能都基本符合国家标准规定，通过测试发现，这种涂料的潜热为65.5J/g，相变温度为19.2℃，该相变涂料可以作为底漆涂在管线内或储罐壁外侧，从而起到很好的防锈蓄热调温作用。

Hawlader等[7]将固-液相变材料以微小的球状颗粒添加进涂料中，有效地避免了相变材料微胶囊存在的液相渗漏的问题，但它制备成本太高，工业也很复杂。

F.Pitie[8]等利用陶瓷包覆相变材料制备了相变保温储热涂料。

于建香[9]等利用聚甲基丙烯酸作为微胶囊基材对氯化钙进行包裹，研制了一种微胶囊相变材料并将其加入到涂料当中，制备成自动调温储热涂料。

经过测试发现，相变储能涂料拥有明显的保温以及调温储能等性能，将来在建筑等各个领域都能得到更好，更广泛的应用。

第二章相变涂料的组成

相变涂料主要是通过相变材料与传统涂料混合研制的新型储能涂料。

相变涂料的基本结构是由成膜物质、溶剂和助剂、颜料等材料。

2.1成膜物质

成膜物质别名又为树脂，是一种高分子化合物，成膜物质中还包含了一些不挥发的活性稀释剂，它是一种将相变涂料涂覆于物体表面然后便可以形成连续薄膜的物质，它又被称作为相变涂料中的连续相，也是相变涂料中最主要的组成部分，成膜物质的性质对于相变涂料的物理化学性能起着重要的作用。

成膜物质可以分为天然高分子成膜物质以及人工合成高分子成膜物质，主要分类情况如下图1所示。

[10]。

马建春[11]等人在选择相变涂料的成膜物质时，结合一些因素的影响，如热反射、防腐蚀、隔热等，最终他选择了高氯化聚乙烯和丙烯酸聚氨酯，其中丙烯酸聚氨酯是高档成膜物质，而后者是中档成膜物质。

郭萍[12]在相变涂料研究中利用苯丙乳液（又称为苯乙烯-丙烯酸酯乳液）当作相变涂料中的成膜物质。

其具有耐水、耐油、耐热、耐老化等以及其他多方面性能好等优点，具有很好的发展趋势。

沥青

生漆

虫胶

图1成膜物质的分类

2.2溶剂和助剂

溶剂的主要是使成膜物质以及颜料等其他物质合成粘稠状的液体。

它可以很好的提高相变涂料的性能，方便施工。

由于溶剂在使用过程中会会导致挥发等原因，但是溶剂是相变涂料综合性能的重要影响因素，溶剂对相变涂料诸多性能都具有较大的影响[13]。

助剂是相变涂料的一类重要组成成分，在相变涂料中加入助剂可以解决涂料的一些自身缺陷，同时还可以解决相变涂料在生产或者施工过程中所带来的问题，导致容易控制施工过程以及生产，可以杜绝浪费以及环境污染等问题，甚至有些特别的助剂还可以给相变涂料带来一些比较特殊的性能[14]。

人们日常需要的一些微量元素以及其它元素就像助剂在相变涂料中的使用一样，即使只是一些微量元素，但是又不可或缺的。

现在由于处于高速发展阶段，涂料的需求量以及品质意识也在逐渐增强，助剂的用量与其呈正比。

2.3颜料

颜料可以分为两种类型，一种是着色颜料，主要有钛白粉，铬黄等，另外一种就是体质颜料，又称之为填料，比如滑石粉，碳酸钙等。

颜料主要是辅助相变涂料的物质，作用即为调节相变涂料的颜色，颜料不能在成膜物质中溶解，涂料按照是否加入颜料分类来说，加入了颜料的涂料为有色漆，反之为清漆[16]。

颜料按它的用途可以分为体质颜料（填料）、防锈颜料和着色颜料。

具体如下表1。

丁浩[17]等人通过研究添加复合颜料制备相变涂料的涂膜对比率、黏度和紫外线照射对涂膜色差的影响测试分析，并与加入金红石型钛白粉的相变涂料一起比较，从测试中发现，复合颜料与金红石型钛白粉在遮盖能力和抗紫外老化性能等方面是一致的。

表1颜料分类

颜料

性能

体质颜料

增加涂层厚度，提高耐磨性和机械强度

着色颜料

提高涂层对耐日晒性，耐久性和耐气候变化等性能

防锈颜料

提高涂层防锈能力，延长寿命

第三章相变涂料性能的影响因素

相变涂料主要是通过添加在涂料中的相变材料进行吸热和放热，达到储能保温的目的，在建筑中应用相变涂料使建筑物具有良好的调温控温性能，如果室内温度超过了相变温度，相变涂料就会吸收室内环境的热能来达到降低温度并且还达到了储存能量的方法；反之，如果室内温度很低时，相变涂料就会释放热量从而提高并维持室内环境温度。

其中，相变涂料吸收或释放的热量越多，调温控温性能就越好。

而不同的制备方法会对相变涂料的性能产生一定的影响。

3.1影响调温控温性能的因素

在制备相变涂料时，不同的制备工艺会对相变涂料的性能产生一定的影响，主要影响涂料相变储能以及调温的原因有时间、微胶囊质量分数、涂层面积、相变材料含量、微胶囊芯壁比、涂层厚度等。

3.1.1涂层厚度

崔锦峰[18]对相变涂料性能的研究中分别制备了平均涂层厚度为0.5mm，0.7mm，1.0mm和1.2mm的样品，依此编号为g、h、i、j，把它们放在保温箱里，测得不同时间段各箱内温度变化曲线，发现在前25分钟左右的上升温度的趋势中，各个温度的区别没有太大；上升温度大概在30分钟以后，由于g、h箱内温度变化幅度逐步上升，i、j箱内温度在较低温度阶段的时候，也都是同样的情况。

i、j箱内温度更人体舒适温度更加接近约在25摄氏度，g、h箱内温度在比较下可能会更高一些。

此外，i、j箱内温度变化幅度不会太大，由此说明当涂层的厚度超过一定厚度时，它的调温性能就会比较稳定的。

所以从综合方面考虑，在涂料的涂层厚度在1mm时为最佳厚度。

喻树娟[5]研制了一组相同配方但是却在相变涂层的厚度不一样，检验其在相对的环境温度下涂层的控温曲线幅度，从试验中可以看出当温度从室内温度增加到60℃时，610μm相变涂层损耗时间在190s，874μm相变涂层损耗时间为290s，而982μm相变涂层在330s左右，所以，如果相变涂层越厚，要从室内温度上升到稳定温度所需要的时间就会越久，就是涂层控温的效果与环境温度呈正比趋势，并且在不同厚度相变涂层之间的温度就会产生较大的差异。

因此，涂层厚度与涂层控温性能的也成正比。

3.1.2涂层面积

喻树娟[5]通过研制了一组相同配方但是却在相变涂层的厚度不一样发现，在实验装置测定相对环境温度下涂层的控温曲线，从中可以看出不同面积涂层从室内温度增加至稳定温度时，在温度60℃的环境下，从室温上升到稳定温度5×2.5cm2涂层一共消耗了80s，5×5cm2涂层一共需要时间130s，而5×8.5cm2涂层则在260s左右，由此可见，相变涂层面积与室温升高至稳定温度所用时间呈正比，由于其他环境温度下也有一样的规律，说明涂层面积越大，它的控温效果也会越好。

在温度为60℃的环境条件下不同面积涂层的控温曲线差异较大，在150s时，5×2.5cm2涂层和5×8.5cm2涂层的温度相差在7.2℃，而在80℃和100℃下由于这两者最大温差在3.8℃左右，故从中可以发现，环境温度越高，涂层面积对涂层控温性能的影响也会很小。

3.1.3相变材料含量

喻树娟[5]研制了一组相同厚度不同相变材料含量的相变涂层，在一定的环境温度（80℃）下测出了涂层的控温曲线，对相变材料加入量与涂层控温之间的关系进行了分析。

在环境温度为40℃之前三者的升温趋势基本上是保持一致的，这表明相变涂料还没达到相变温度，相变材料几乎没有发挥作用，在环境温度为40℃之后相变材料含量对涂层表面温度的影响相对而言较为明显一些，增加相变材料加入量，可以使涂层的升温时间延长，并且相变材料的含量与最终的稳定温度呈反比趋势，所以可以得出结论，在不影响涂层机械性能的情况下，如果涂层中相变材料含量越高导致相变涂料的调温储热性能也会越好。

张翮[19]等人根据试验研究相变涂料的性能发现相变涂料的相变温度如果在26℃至27.5℃之间时，伴随着微胶囊加入量从10wt%上升到30wt%时，相变涂料的相变潜热就会从11.2J/g上升至51.4J/g，大约提高了3.6倍左右，从中可以发现，相变微胶囊的加入量对相变涂料的调温储热性能存在着一定的影响。

施烨挺[20]通过在试验中分别研制不同相变材料微胶囊加入量的涂层，研究了各涂层的调温储热性能。

把添加了相变材料微胶囊的涂层与没有添加相变材料微胶囊的涂层进行了比较，结果发现降温曲线均在相变材料的相变点大约在28℃附近发生了平台，而且相变材料微胶囊的加入量越高平台越宽。

此外，相变材料微胶囊掺量越多，从38℃降温降低到18℃所以需要的时间也会比较长。

由此可以得出结论，相变微胶囊材料的加入量对相变涂料的调温储热性能存在着一定的影响效果。

于建香[9]将微胶囊相变材料按照一定比例分别加入到每个涂料中并且混合均匀，如果相变涂料微胶囊加入量很大则相变潜热就越大。

当微胶囊相变材料的加入量在15%时，相变涂料的潜热也会增大，并且涂膜表面保存安好。

从中可以发现，微胶囊加入量对相变涂料调温储热性能也存在着一的的影响效果。

3.1.4微胶囊芯壁比

崔锦峰[18]等人在试验中得出微胶囊芯壁比会对相变涂料的调温储热性能产生较大的影响，将芯壁比为1.2:

1的微胶囊与涂料混合制备成的一种相变涂料可以在比较长的时间里将箱内温度调节在25℃（人体最佳舒适温度）左右，这时候相变涂料的调温储热性能最佳。

芯壁比越高，微胶囊与芯材的相变潜热也会很接近，并且相变涂料的调温储热能力也会越强。

但是芯壁比与包覆率呈反比趋势,而且微胶囊中可能会含有一定掺量的空壳壁材,导致其芯材实际加入量减少，从而使涂料的调温蓄热能力降低。

3.1.5干燥时间

于建香[9]通过测试发现涂层的放置时间增加，涂层的相变潜热可能会发生降低，10d之内相变涂料的相变焓降低了5.58%左右，伴随着放置时间的延长，相变涂料的相变温度没有产生太大的变化，从中可以发现微胶囊在涂料中的基本性能很稳定，没有太大的变化。

3.2影响流动和成膜性能的因素

在制备相变涂料时，必须要保证相变涂料的调温控温性能，同时还要兼顾相变涂料的流动和成膜性能，而不同的制备方法会对相变涂料的流动和成膜性能造成一定的影响，其影响因素主要包括相变材料含量、涂层厚度、干燥时间等。

3.2.1涂层厚度

刘成楼[22]通过试验发现涂层厚度过薄对相变涂料性能造成的不良影响会以多种方式表现出来，相变涂料的成膜性能与其涂层厚度直接相关，较薄涂层没有由相同涂料形成的厚涂层成膜性能好，流动性能相比也较差，因此，相变涂层的厚度与相变涂料的流动性之间有直接的影响关系。

3.2.2相变材料含量

张翮[19]等人通过性能研究发现相变涂料的流动和成膜性能也受微胶囊用量的影响。

当相变微胶囊含量超过15wt%时，涂层表面粗糙，力学性能严重下降。

因此在设计相变调温建筑涂料时必须兼顾相变潜热和成膜性能，本实验以15wt%的用量为宜，其相变潜热为15.7J/g。

席满意[21]在微胶囊添加量对涂层性能影响试验中发现，微胶囊的添加量与相变涂料的性能之间有一定的影响关系，随着微胶囊添加量增加，相变涂料的附着力产生下降，即成膜性下降。

微胶囊添加的过多，相变涂料的成膜性能就会变差，相变涂层难以成型。

于建香[19]通过相变涂料性能测试发现，在制备中随着微胶囊质量分数的提高，相变涂料的黏度变大，微胶囊与相变涂料之间的相容性也变得越来越差，涂层表面也渐渐变得不平整，涂层难以成膜，经过试验对比发现，当往涂料中添加质量分数为15%的微胶囊时，涂层表面薄厚不均匀的现象开始出现，甚至开始开裂，当往涂料中添加质量分数超过15%的微胶囊时，相变涂料的流动和成膜性能开始变差。

3.2.3干燥时间

张雯华[23]等人根据相变涂料性能测试发现，通过控制溶剂的挥发速度，使相变涂料一直维持低粘度液态的状态，时间越长对涂膜的流平越有利，通俗的说利用控制溶剂的挥发速度可以获得良好的流动性。

相对于涂料来说，如果溶剂的溶解参数不同，溶解力也不同，溶解力与涂料固含量、流平性、涂膜丰满度等都呈上升趋势，但是粘度会很低。

混合溶剂的溶解参数要和树脂匹配。

混合溶剂很大部分是由助溶剂、稀释剂和真溶剂等组成，并且在溶剂挥发时一定要维持挥发处于平衡状态，当溶剂挥发到最后时，真溶剂占比较大。

这样可以保证涂膜在干燥过程中粘度不会发生突变，还保持在平衡增长的状态，对相变涂料的流动性能是存在着一定的控制作用。

表1相变涂料性能的影响因素

影响因素

调温控温性能

流动和成膜性能

涂层厚度

相变涂层厚度越厚，室内温度到达恒定温度所需的时间越长，即控温效果越好，当涂层达到一定厚度时，其调温控温性能会处于相对恒定。

涂层厚度越厚，相变涂料的流动和成膜性能越好，涂层厚度越薄，相变涂料的流动和成膜性能越差。

涂层面积

相变涂层面积越大，从室温升高至稳定温度所用时间越长，其控温效果越好。

无

相变材料含量

相变材料含量增加能够延长涂层的升温时间，且相变材料含量越大最终的稳定温度越低，因此在不影响涂层机械性能的情况下涂层中相变材料含量越高对控制温度越有利。

微胶囊加入的过多，微胶囊与相变涂料的相容性越来越差，涂膜难以成型，故相变涂料的流动和成膜性能下降。

微胶囊芯壁比

芯壁比越高，微胶囊与芯材的相变潜热越接近，相变涂料的调温控温能力越强。

无

干燥时间

随着时间的增加，相变涂料相变潜热略有下降，但相变温度没有太大变化。

通过控制溶剂的挥发速度可获得适宜的流动性。

第四章相变涂料的应用

相变涂料以其优良的保温储能等性能，在建筑及航天航空等多个领域将得到广泛的应用。

4.1建筑领域

张璐丹[22]等人对其他条件都相同，但一间涂了相变涂料还有一间未涂相变涂料的两件房间进行了对比试验，通过测试发现涂过相变涂料的房间比没涂过相变涂料的房间的最高温度低6.8℃，最低温度高2.2℃；涂过相变涂料的房间比没涂过相变涂料的房间达到最高温度的时间晚了2.5h，最低温度的时间晚了约1.5h。

这表明相变涂料在建筑中的应用改善了房间的温度条件，提高了室内温度的舒适度。

再通过对比这两个房间的耗电量，发现刷了相变涂料的房间比没刷相变涂料的房间在一天运行耗电量最大的6个小时内节能约26%。

杨保平[6]等用相变微胶囊材料作为功能性填料，将相变微胶囊材料添加到涂料体中，成功制备了具有相变调温功能的涂料，这种应用手段成为相变材料一种重要的研究领域。

王艳等[23]结合可超临界流体与撞击流技术结合,提出了超临界撞击流技术。

以石蜡和玻璃微珠为包覆型材料的壁材和芯材制备了分散性好的相变涂料。

Axel[24]等利用陶瓷包覆相变材料制备了相变保温涂料。

将这些相变涂料涂覆于建筑物表面可以起到很好的保温储能节能作用。

4.2航天航空领域

由于外太空的温度环境与地球不同，它属于极冷或者极热的环境，因此对航天飞行器的材料要求特别高，而普通的涂料在太空这种温度环境无法适应，因此，需要研制出一种特殊材料来满足航天飞行器的这种高要求，相变涂料自身具有的一些优异性能在这种恶劣环境中可以得到很好的应用，我国进入二十一世纪以来，科学家们经过不断的研究，相变涂料已经进入了实际运用阶段。

目前，人们通过温控系统来调节航天飞行器的温度。

被动调温系统是指具有特定光学性能的温控涂料，它的优点是施工方便、重量轻，缺点是它的功能参数不能随环境的变化而改变。

主动调温系统的优点是它的调温功能可以随环境改变而改变，但是它的机械结构容易出故障，相比被动调温系统而言它显得更加笨重。

因此通过温控系统来调节航天飞行器的温度的方法的应用没有那么广泛。

而相变涂料则取之所长，弃之所短，不仅施工方便，重量轻，而且功能参数还能随环境的变化自动改变。

据美国国家航空和航天局下属的兰莱研究中心报道，相变涂料从漫射态转变到透明态，涂层对阳光的吸收率与发射率之比将减少约50%[25]。

随着科学技术的发展和经济建设及人民生活的需要,保温隔热技术的需要迅速提升,各种保温隔热材料相继开发并投入市场，而作为一种新的隔热保温材料相变涂料的开发及应用受到了普遍重视，它具有良好的保温储热性能，将其运用到人类生活中将起到节能环保的作用。

建筑上使用相变材料主要集中在内墙涂料领域，通过将具有蓄热功能的相变材料填充于涂料中，通过相变材料对室内温度的吸收和释放，从而使建筑物室内温度恒定在一个固定值。

但是现有相变保温涂料调温性能、蓄热性能还达不到要求，并且相变材料自身存在体积变化，容易出现相变材料泄露、相分离等问题，从而影响相变涂料的调温性能，因此相变涂料性能方面存在的欠缺还需进行进一步的研究与提升，才能在未来人类生活中得到更好更广泛的应用。

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