专利名称：辐射冷却的表面涂料的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有辐射冷却特性的表面涂料，特别地，本发明涉及该涂料在建筑物外表面的应用，以减少这些建筑物的热负荷。
背景技术：
辐射冷却是指这样的过程，即凭借该过程，物体将以辐射的方式发射藉正常对流和传导过程而吸收的热能。
黑体辐射物理学指出，物体发射辐射的波长取决于它的温度。对于大地温度，发射发生在红外(IR)波段，发射峰位于约11.4μm。另一方面，入射的太阳辐射对应于6000K的黑体温度，并集中于紫外，可见和近红外波段。
并不是地球发射的所有辐射都通过太空。该辐射相当大的一部分被地球大气所吸收和重新发射到地球表面，特别是被称作“温室气体”的水蒸气，二氧化碳和臭氧所吸收。
图1显示的是作为波长的函数的大气吸收。代表各种吸收峰的物质标记在水平轴上。在大气比较透明的8-13μm区域，存在低吸收“大气窗口”。对于1-5μm波段内的某些波长，存在类似的窗口。在这些波长内的地球表面辐射很可能通过这些大气窗口到达太空，而不是被大气所吸收并返回地球表面。
对于具有高大气吸收的波长，大气中将存在大量的辐射，因为辐射被大气吸收并重新发射回地球。相反地，对于对应于这些大气窗口的波长，大气中将存在很少的辐射，因为在这些窗口允许地球发射的大部分辐射通过大气到达太空。
“选择性表面”是这样的表面，其利用大气窗口以对应于这些大气窗口的波长优先发射热能，在选择性表面中可以被其吸收的入射辐射降低了，选择性表面允许以这些波长之外的非吸收性辐射的方式迅速地将该辐射转移至太空。
发明内容
本发明在于一种用作建筑物外表之辐射冷却表面涂料的可固化制剂，其特征在于在入射太阳辐射波长下的低吸收及在降低了的入射辐射波长下的高辐射发射率。
本发明基于这样的发现，即通过在包含日光反射颜料的涂料中加入和分散气体或真空填充的微球而得到的涂料。所采用的微球优选为二氧化硅类型，最优具有二氧化硅-氧化铝壳层。事实证明，根据本发明的混入有效数量这种微球的涂料能够在涂覆结构的内部实现低的环境温度。
这种涂料中所采用的微球可以是气体例如CO2或N2填充的，也可以是真空填充的。
优选该涂料不仅不吸收太阳辐射，而且反射而不是透射这些波长的太阳辐射。优选该涂层的日光反射率大于80％，更优选大于84％。
优选该涂料的特征在于，其在热辐射波长下的辐射发射率(ε)大于85％，更优选大于90％，最优选大于95％。
该涂料的日光吸收作用与辐射发射作用的组合，使其能够从内部的空域(air space)吸收热能，并以热辐射的形式再辐射该能量，进而实现该空域的净辐射冷却。
当本发明的涂层施用于钢板表面，且所述钢板表面暴露于Air Mass 1.5日光光谱的太阳辐射和20-28℃的环境温度下时，该制剂对钢板下的空域具有净辐射冷却作用。
优选本发明的制剂是可固化的，并可利用大面积喷涂方法施于现有的建筑物。
现将参照附图，以非限定性实施例的方式描述本发明的优选实施方案，在所述附图中图1是大气吸收对波长的曲线图；图2是根据本发明的涂料对常规屋顶系统的对比试验的结果；及图3到图5是本发明进一步对比试验的结果。
具体实施例方式
制备本发明的制剂如下。对于总计600升的混合物，给出各组分的数量，且仅用于说明的目的。尽管给出了精确的数量，但是这些数量可以广泛地改变，甚至一些数量可以降低到零，这些均包含在本发明的范围之内。
610g的螯合(sequestrating)和润湿剂，优选多聚磷酸盐及610g的分散剂加入到混合鼓中的91升水中，并以2000rpm混合10分钟，或者直到各成分完全分散为止。向该混合物中加入日光反射涂料如金红石级二氧化钛(TiO2)(38千克)，72千克为固化制剂提供抗水性的填料如CaCO3或MgCO3，及72千克悬浮剂例如MgSiO3，BaSO4或SiO2，其也是金属上的抗摩擦和腐蚀剂。然后将该混合物以大约2000rpm分散1小时。实际的混合时间取决于颗粒的尺寸。优选将该混合物持续混合到7级赫格曼规格(Hegman setting)，在赫格曼细度规(Hegman Grind Gauge)上的测量结果为约15微米。
然后加入约228升粘合剂如苯乙烯丙烯酸衍生物，丙烯酸树脂，均聚物或PVA，并以1500rpm混合15分钟。
然后加入约3.8升消泡剂，优选非硅基的消泡剂，并以1500rpm混合10分钟。
加入1.9升氨水或其它合适的碱，调节pH值到适合加入增稠剂的范围。以1100rpm混合氨水10分钟。
下一步加入聚结剂(coalesceing agent)，例如任何的三甲基戊二醇如Isonol(4.8升)，并以1100rpm混合15分钟。
加入丙二醇或其它合适的二醇，作为进一步的聚结剂调节固化时间，并以1100rpm混合5-10分钟。
加入400g无毒的广普杀生物剂，并以1100rpm混合5-10分钟。该杀生物剂可包括单一的杀真菌剂，杀菌剂，杀虫剂和杀藻剂，并优选不含重金属。
然后加入预先溶于10升水中的增稠剂，该增稠剂优选为氧化纤维素类增稠剂(630克)，并在主混合物中以1100rpm混合10-15分钟。混合物因为加入该组分而增稠。利用4#福特杯(Ford Cup)测量粘度，并调节粘度直到在允许的测量温度下获得35秒的通过时间(run through time)。
加入增塑剂(10升)，优选邻苯二甲酸酯，并以1100rpm混合10分钟。
最后的混合步骤是加入微球组分，在该实例中，将70-90千克的微球组分在减小至200-300rmp的速度下混合约30分钟，以避免损坏微球。微球直径为约45-150μm(优选平均50μm)，且具有0.3-1μm厚的二氧化硅-氧化铝壳层结构，并填充了CO2。这些微球形成精细的轻质粉末，据信，其至少可以在大气窗口的波长中增强涂料的发射率。尽管在该实例使用的是CO2填充的微球，但是这些微球也可以是以4Torr压力真空填充的，或者是用其它气体如N2填充的。
上述除微球之外成分选自那些可得到的成分，如此选择的原因是它们的低太阳光吸收和高热发射率性质，以及它们适于用作屋顶涂料的性质，例如阻燃，防腐，杀生物等性质。油漆及可表面固化涂料制备领域的技术人员应当理解，对于具体的应用，可以调整这些成分的比例。例如，在上述的制剂中采用了较小量的白色颜料(TiO2)，其在合适的场合可以增加。
为了使优点突出，可以使用含有较大微球浓度如140千克/600升的涂料组合物。还可以使用更高的浓度如150千克/600升。
优选组合物含有至少40％的固体，更优选至少60％的固体，最优选至少70％的固体。
所得的混合物可以密封保存以备使用。该组合物可涂布于任何外表面，但优选涂布于具有清楚天空视野的屋顶，以保证最大的辐射冷却。大面积的涂布，例如大零售商店屋顶的涂布，最好是利用喷涂法进行，例如使用具有碳化钨尖端的GracoTM无风喷枪。
该涂料可以涂成单一的厚层，但更典型的是涂成一系列的薄层。可涂成单一涂料层的厚度取决于制剂的粘度和表面的平整度。倾斜的，起伏的或粗糙的表面需要涂布更薄的涂层，以保证横跨表面的所有涂层具有均匀的厚度。
如果涂层太厚，涂层可能充当建筑物的覆盖物，妨碍热量从内部空域向辐射发射涂层的传输，导致较高的内部温度。因而优选的涂层的厚度小于10mm。
光学测量发现，按上面的实例制备的涂层具有0.15的半球太阳吸收率，且由所测得的屋顶热损失系数估算的热发射率大于0.9。然而，所观测到的材料辐射能力和IR光谱显示，其在8-13μm大气窗口中存在选择性辐射能力。
在本发明的组合物与常规的屋顶材料体系之间进行对比试验。在第一个试验中，采用四个大约330mm×330mm×760mm且一端开口的钢箱。将钢箱倒置(即开口端向下)，使钢箱底部变成顶部，用于试验。每个箱子的侧壁都衬有速度R＝1.5的绝热垫衬。两个箱子的外表面是裸钢，且其中的一个箱子顶部的下方衬有与侧壁相同的绝缘衬垫。第三个箱子是由灰白色的Colorbond钢构成，余下的钢箱的顶部的外侧涂有约0.7mm厚如上制备的本发明的组合物。
把试验箱子放置在室外，使每个箱子都具有清楚的天空视野。进行为期10天的每小时一次的内部温度读数。同时记录室外的环境温度。结果图示于图2中，其中利用本申请人的商标InsulshieldTM标注本发明的组合物。从结果可以明显看出，在保持试验钢箱内部空间低温的性能方面，本发明的涂料明显优于现有的屋顶材料体系，并且是始终保持内部空间温度低于环境温度的唯一制品。
应当指出，试验周期主要包括无云的白天和夜间，及在更多阴天的情况下，本发明的涂料的性能降低。然而，即使在这些情况下，本发明的涂料的性能仍然优于现有技术的材料的性能。
在进一步的试验中，用本发明的制剂涂布未绝缘的钢盒，使之固化，然后在晴空和23℃的环境温度下，经受水平入射为1062Wm-2的太阳辐射。远离钢盒顶部的总辐射能包括894Wm-2的反射太阳能和188Wm-2的再辐射热量(IR)。因而，1082Wm-2的总能量输出大于入射的太阳能。这暗示涂布的顶部可以从钢盒内的空域中吸收热能并将该热能输出到大气中。
对于顶部之下具有绝缘层的相似的钢盒来说，净能量输出为1064Wm-2，这小于未绝缘的情形，但仍然足以实现小的净冷却作用，即使在强入射太阳辐射情况下。
在晴朗的夜间，辐射冷却持续进行，但没有太阳热负荷。在下午11点，与20℃的环境温度相比，未绝缘的钢盒内的温度为16.4℃；在上午2点，与18.8℃的环境温度相比，钢盒内的温度为15.7℃。在绝缘的情况下，钢盒内的温度比环境温度略高。
从未涂覆的钢顶下的屋顶温度(56℃)与按照本发明涂布的类似的钢顶下的温度(33℃)的比较可以看出，当屋顶结构上涂布本发明的涂料时，由于涂料的高太阳反射性，所以可以减少进入内部空域的太阳热负荷。因为屋顶的太阳加热非常小，所以屋顶能够改为从屋顶下面的内部空域吸收热量。涂料的高IR发射率性质允许所吸收的热量有效地从屋顶辐射出去，进而实现空域的净冷却效果。
而且，因为空域内可能存在显著的温度梯度，屋顶下的温度比基面的温度高达几度，所以这种辐射冷却作用可以持续到基面温度显著地低于环境温度。
在第二个系列试验中，从2000年12月到2001年4月进行现场试验，以评价涂料在活动教室环境中的性能。活动教室在澳大利亚广泛使用，并且以过热而著称，特别是在夏季。
本发明的涂层主要是为商业和工业的金属屋顶建筑物而设计的，这些建筑物通常具有比外墙壁表面积大得多的屋顶面积。活动教室提供了呈现一种“最糟糕的情形”，由于以下原因可以在其中进行涂料试验低的屋顶/侧壁比例，与超市或大型零售店不同；顶下绝缘，这可以延迟内部热量到达涂层，进而与环境温度的变化相比产生时间延迟；约每人3m2的较高的占用率，其大约为标准超市密度的两倍；打开窗户和吊扇准许高速的外部空气交换，从而增加了涂层保持内部温度恒定地低于环境温度的难度。
尽管有这些挑战，该涂料还是能够很好地工作。在试验的有人居住期间(2001年2月到4月)，涂覆房间的最大日温度保持为当时环境温度的84％或更低。在没人居住期间，涂覆房间的最高温度为当时环境温度的81％或更低，且随着不同天气情况而变化。
温度记录仪的位置临近教师黑板的一定高度，以正确地记录室内有人占据部分的温度。图5和图6示出了实验所用的两个房间的观测结果，其中一个房间顶涂了本发明的组合物(另一个没有涂覆的房间包括一个小型的窗式空调，并且在使用时没有控制。然而，该空调在教室的末端，远离温度传感器，实际上，对应于该房间的图显示，其对所测量的温度没有明显的影响。因此，本文中不包括该房间的图)。这些房间有遮光的侧壁，但其顶部不受任何遮蔽因素的影响。
下面各图中所示的结果取自试验内的三个时期图32000年12月下旬-最暖和的时期，图42001年4月中旬-最冷的时期，及图52001年2月到4月-有人居住并显示每日最高温度的时期。
虽然有许多环境因素超出了试验的控制，这些因素包括多云天气，空气交换因素及房间人数，但是涂料在整个时期还是产生了极好的结果。
如图3所示，在12月的最热的一天，中午12点的环境温度达到38℃，且未涂覆房间的最高温度在下午3点达到41℃。然而，涂覆的房间在中午的温度比环境温度低8℃，在下午3点的温度比环境温度低4℃，且比其它房间的温度低7℃。
总体上可以看出，在多数天中，当环境温度达到其峰值时，涂覆房间通常比环境温度低约6～7℃。尽管涂覆房间内的温度在数个小时之后达到峰值，经常在大约下午4～6点，但是房间内的温度很少达到最大的环境温度。
从图3还可以看出的事实是，涂覆房间通常是在环境温度降到涂覆房间的温度时开始冷却。如上面所提及的，涂覆房间的冷却时间延迟主要归因于屋顶下的绝缘，其捕获通过空气交换而进入建筑物的热量或者由内部热源包括人产生的热量。
从图4中可以明显地看出，涂覆房间保持了更平稳的温度流。尽管它大大地冷于其它房间和环境空气，但是它不变得如夜里那么冷。在每天的最热时间，经常在约中午到下午2点，涂覆房间比其它房间和环境冷约4～7℃。4月17日是一个恰当的例子。在上午10:00，涂覆房间仍然只有18℃，而环境温度则是23℃。当环境温度在中午12点达到28℃时，涂覆房间仍为舒适的22℃。涂覆房间最终在日间不再使用之后的很长时间即下午6点左右才达到25.5℃。
在下午晚些时候，随着环境温度的下降，绝缘材料捕获现已关闭的房间内的热量，并阻止房间以与环境相同的速度冷却。
没有绝缘材料的涂覆建筑物几乎以与外部大气相同的速度冷却。这使得可以设计更经济和环境有效的建筑物。
图5表明，对于84％的有人居住期间，涂覆房间处于或低于最大的环境温度，并且几乎总是刚好低于其它房间的温度。涂覆房间的温度微高于环境的日子是最冷的日子，当时天空多云，其原因是涂料主要在晴空下工作。这是理想的—在较冷或多云的天气里，通常希望保持更多的内部热量。
本申请人发现，本发明的辐射冷却涂料在用于没有顶板下绝缘衬垫的屋顶时最有效。据信，绝缘衬垫在阻止所吸收的太阳辐射进入的同时，也因为降低热能从内部空域到涂层的传输而阻碍辐射冷却机制，当热能传输到涂层时可以被重新辐射到大气中。
本发明的涂料为处理太阳热负荷的常规方法提供一种有用的选择。然而，它们的适用性很大程度上取决于它们应用环境。该涂料最适于夏季冷却成本大于冬季加热成本的建筑物。尽管迄今为止的实验显示，该涂料最好用于没有顶下绝缘的屋顶，但是经济状况可能表明，出于冬季加热的考虑，最好使用绝缘材料。
已经发现，在阴天情况下，辐射冷却作用降低，而且据信，这可能是因为大气中水蒸汽含量的增加关闭了大气窗口。这在辐射冷却可以降低刚好低于环境温度的内部空域温度的夜晚尤其重要。因此，该涂料更适于无云支配的环境，特别是晴朗的夜晚。
本发明的优点包括可以更少地依赖空调来保持空域内的低温，进而降低能耗。这对使用本发明的局部系统是有益的，并且具有更广泛的环境利益，包括减少温室气体的产生。
本发明的制剂可以包含额外的组分如杀生物剂，阻燃剂，抗腐蚀剂等，或者作为选择，为了这些性质也可以选取前述的组分。
尽管已经描述了本发明的具体实施方案，但是本领域的技术人员显而易见的是，本发明可以包含其它的具体形式而不脱离其基本特征。因此，无论从哪一点来看，本发明的实施方案和实施例均应视为说明性的而不是限制性的，且那些对本领域的技术人员来说显而易见的所有修改均包含在本发明的范围内。还应该理解，除非出现相反暗示，否则本文中所参照的任何现有技术均不构成该现有技术是本发明所涉及的现有技术领域的技术人员所公知的常识的认可。
权利要求
1.一种令表面具有辐射冷却性质的表面涂料，其包括日光反射颜料和有效量的微球。
2.根据权利要求1的表面涂料，其中该微球是二氧化硅微球。
3.根据权利要求2的表面涂料，其中该微球具有二氧化硅-氧化铝壳层结构。
4.根据权利要求1的表面涂料，其中该微球直径基本上为45～150μm。
5.根据权利要求4的表面涂料，其中该微球的平均直径为约50μm。
6.根据权利要求3的表面涂料，其中该微球的壳层厚度基本上为0.3～1μm。
7.根据权利要求1的表面涂料，其中每600升涂料基本上包含60～150千克的微球。
8.根据权利要求7的表面涂料，其中每600升涂料基本上包含60～140千克的微球。
9.根据权利要求7的表面涂料，其中每600升涂料基本上包含60～70千克的微球。
10.一种相对于环境温度降低建筑物内温度的方法，该方法包括在建筑物的顶部涂布包含日光反射颜料及有效量微球的涂料的步骤。
11.一种顶部完全暴露于天空的建筑物，其中所述顶部具有包含日光反射颜料及有效量微球的表面涂层。
12.本文中所实际描述的表面涂料。
全文摘要
本发明通过向含有日光反射颜料的组合物中添加微球而提供一种表面涂料，该表面涂料具有低的太阳吸收，且在红外区以对应于大气窗口的波长优先发射。
文档编号C09D5/00GK1518582SQ02812601
公开日2004年8月4日 申请日期2002年6月3日 优先权日2001年6月7日
发明者康拉德·S·沃杰蒂西亚克, 康拉德 S 沃杰蒂西亚克 申请人:莱曼·帕西菲克·索拉有限公司, 莱曼 帕西菲克 索拉有限公司