低熱傳導隔熱塗料

 

刊登日期:2016/11/5
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低熱傳導隔熱塗料
建築隔熱塗料除日光反射塗料外,低熱傳導塗料亦是重要技術之一。但低熱傳導建材多以塊材為主,包含無機孔隙材料、有機高分子發泡、氣凝膠等板材。要配置成塗料,多孔性/中空材料必須與樹脂結合,結合過程中易造成塞孔、分散等問題,造成熱傳導提高、粉化、物性不佳等缺點。最常見之低熱傳導塗料,是以中空玻璃球做為低熱傳導介質,中空球可避免樹脂進入孔隙內,減少熱傳導提升可能性。但這類低熱傳導塗料,熱傳導係數(k)不會低於 0.1 W/m·K;或是結合孔隙或中空陶瓷材料,k可下降到 0.06 W/m·K。最新的趨勢是以超低熱傳導氣凝膠配製成塗料,其k值更可下降至 0.03~0.05 W/m·K。
 
多孔性低熱傳導材料
固體材料熱傳導係數如表一,無機材料熱傳導係數(k)較高,如玻璃 1.4 W/m·K 高於有機材料聚苯乙烯 0.13 W/m·K。氣體則是有更低熱傳導係數,如空氣 0.025 W/m·K、二氧化碳 0.0162 W/m·K、CFCl3 0.008 W/m·K,氣體熱傳導係數可低於固體 10倍以上。因此結合氣體、固體的多孔性材料,將可大幅降低材料熱傳導,應用於隔熱、保溫等用途。

圖一為不同多孔性材料含量(密度)與熱傳導關係,固體含量下降(密度下降)會使得 ks下降,理論熱傳導係數應下降;但密度下降卻會造成 k r上升(k g維持定值),兩者相互影響下會形成一最佳密度與低熱傳導效果。如表二,常見多孔性材料之k值,一般而言,有機發泡熱傳導係數較低,尤其是 PU填充氟碳氣體(CFC),k可低至 0.026 W/m·K;無機材料本質熱傳導較高,因此無機多孔性材料如發泡玻璃(Foam Glass)、矽酸鈣(Calcium Silicate)熱傳導係數相對較高。圖二為多孔性低熱傳導材料市場,礦物材料雖熱傳導係數稍高,但難燃性優越,更符合多數建材法規,因此市場占有率可達 44%;其他有機發泡材料 PU、PS等則是因熱傳導低,可應用於非難燃建材。



圖一、多孔性材料之熱傳導性
 
低熱傳導塗料
塗層的阻熱性與其厚度、熱傳導係數有關。使用高熱傳材料必須增加厚度來達到相同效果,但這樣會造成成本增加、室內空間減少、建築設計限制等。業界一直追求的是超低熱傳導(k<0.03W/m·K)之塗料技術,但傳統多孔性低熱傳導材料多以塊材或片材來使用,要配製成塗料多孔性/中空材料必須與樹脂結合,結合過程中會造成塞孔、分散等問題,使得熱傳導提高,出現粉化、物性不佳等缺點。為解決此問題,必須以樹脂、溶劑、添加劑等調配低熱傳塗料配方,但樹脂熱傳導大約為 0.2 W/m·K,添加太多會造成熱傳導係數大幅上升,添加過少則可能無法形成連續塗膜,或是粉化、拉伸強度不足等問題。



圖三、氣凝膠含量與熱傳導係數、拉伸強度
 
2. 中空陶瓷塗料
陶瓷跟玻璃在無機材料都屬於低熱傳導,因此陶瓷材料製作成更高孔隙之孔隙材料,其k值會低於中空玻璃球。因此Comitea等人使用低成本、多孔隙高表面積(155 m2 /g)、孔隙尺寸 5.8 nm、粒徑 100nm之三氧化二鋁,以 Styrene Acrylate 為樹脂,粉體與樹脂重量比為 3.5:1,並添加分散劑、增稠劑等,配置成低熱傳導塗料,其熱傳導係數可低至 0.049 W/m·K(表四),相對於氣凝膠塗料約高 0.01 W/m·K,但成本相當具有競爭力。
 
3. 氣凝膠塗料
氣凝膠是目前發現熱傳導最低之材料,但氣凝膠密度低,分散不易,且氣凝膠開孔性材質一旦被樹脂塞住,或是在塗佈、攪拌過程中,因過大剪切力造成氣凝膠破裂,都會降低低熱傳導效果。因此…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:黃元昌、簡淑雲、徐雅怡 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」359期,更多資料請見下方附檔。


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