红外辐射涂料的现状及其发展方向
王 晓1 侯佩民1 徐元浩1 雷 剑2 靳 钊1
（1. 海洋化工研究院，山东青岛 266071 ；2. 青岛科技大学，山东青岛 266042）

0 引言
热传递主要有传导、对流及辐射3 种方式，其中热辐射一般是以电磁波的方式进行传递，波长在0.76~1 000 μm 之间的电磁波又称红外线（通常称为热辐射线）。红外辐射涂料（即热辐射涂料）是一种具有足够强度且红外发射率高的材料。红外辐射涂料技术的发展源于航天飞行器热障涂层材料技术。其原理是根据材料内部的分子振动引起偶极矩变化而产生红外辐射的变化。分子振动时，对称性越低，偶极矩变化越大，其红外辐射就越强［1-4］。红外辐射涂料的节能原理就是提高被加热表面的吸收率，增大辐射能传递比例。目前，该类高发射率红外辐射材料主要应用于军事、节能、环保、医疗、保健等领域［5-7］。

1 国外红外辐射涂料产品概况
红外辐射涂料的发展始于20 世纪70 年代，当时受石油危机的影响，日本开始大量研究具有节能效果的红外辐射涂料，在工业生产的低温干燥炉中应用，随着节能效率的提高，慢慢被推广到工业炉应用。但该类涂料的成本较高，应用与发展曾一度受到制约。国外红外辐射涂料的辐射功能填料主要是单一物质或多种物质的机械混合物，如CRC 公司的ET-4型红外辐射涂料，其辐射功能填料主要由锆英砂、二氧化硅、三氧化铝组成。该类涂料在工业窑炉上应用，一般可节能 10%~30%。该涂料具有良好的保护基体材料的性能，将其应用于耐火材料，可延长基体材料使用寿命 1~4 倍；应用于电热元件的金属基体上，可延长使用寿命1.5~1.7 倍，由于独特的黏结剂技术，使该类涂料的有效使用寿命可达10~15 a。而CRC1100、CRC1500 红外辐射涂料，辐射功能填料主要由氧化钴、氧化铬、氧化铁、氧化钼、二氧化硅等组成［8］，主要应用于石化行业中的石油加热炉上，可节能 2%~4%。
Harbert Beven 公司的Encoat 红外辐射涂料产品，以及美国Harbison-Walker Refractories 公司的Emisshield 系列高辐射涂料，其辐射功能填料主要由碳化硅加防老化剂组成，主要应用于生产面砖的隧道窑中，可节能5%~15%。日上公司的H.R.C. 红外辐射涂料的辐射功能填料主要是铬铁矿，是由专门的黏结剂调制而成。该类涂料主要应用于建陶行业的窑炉中，在600~1 300℃时辐射率可达90%，应用于窑炉中节能可达3%~20%。我国的陶瓷行业，如四川新中源陶瓷、佛山三水白坭新中源陶瓷、广州新明珠陶瓷等企业主要采用该公司的红外辐射涂料产品［9］。

2 我国红外辐射涂料研究概况
我国红外辐射涂料的研究主要以红外辐射涂料的功能性填料复配技术以及节能效果为主。从黏合剂上分，类是以无机物为黏合剂的具有热辐射功能的涂料。如中国专利CN 200710113479以钾水玻璃为基体黏合剂，通过纤维素增强配用金属氧化物、石墨、白炭黑等为热辐射填料，制备用于远红外取暖器上的红外辐射涂料。中国专利CN02827722.8 以黏土为黏合剂，利用钛铁矿为功能填料，制备涂料的热辐射系数在0.85~0.95 之间，应用于1 000℃或更高温度的工业炉中。中国专利CN200710118441.1 以无机物配合纤维棉为黏合剂，利用碳化硅、金属氧化物作为热辐射功能填料，制备的涂料具有较高的发射率，从而提高热的使用率，达到节能的效果。第二类是以有机物为黏合剂的具有热辐射功能的涂料。如中国专利CN 200710059888.6以有机乳液为基料，利用二氧化硅粉、红外辐射功能添加剂、硅酸盐复合粉体、天然矿物粉体为功能填料，制备了在低温条件下具有高效辐射功能的红外辐射涂料。中国专利CN 200910114432.4 以高分子材料为成膜物，利用专用的远红外颜料与金属氧化物为功能填料，制备了具有热反射和热辐射功能的涂料［10-14］。
欧阳德刚等人［15-20］对红外辐射涂料的研究较为全面。先是从红外辐射涂料粉体基料的原材料选择、载体黏结剂原材料的选择与制备等方面出发，探讨了红外辐射涂料的制备技术与方法。而后将自制的涂料，在强化辐射传热的试验室进行试验，将试验结果与热处理电炉及高温热处理炉上的工业性数据进行对比，定性地分析了红外辐射涂料应用在工业炉上的节能机制。根据涂料的特性提出了简便的涂料施工新工艺，制定了系统的试验研究方案。又从电介质晶体的光谱吸收出发，综合分析了各要素对其红外辐射特性的影响，提出了改善红外辐射涂料辐射性能的途径，为红外辐射涂料的理论研究和节能效果评价提供了理论依据。针对红外辐射涂料在工业炉的不同基体表面上应用时出现的涂层易脱落问题，研制了两种抗热震性优良的红外辐射涂料：一种选用氧化锰、氧化铁、氧化铜、氧化钴等为辐射粉料，以水玻璃、氧化铝微粉、氧化铬微粉等为黏结剂，锂辉石为热膨胀系数调节剂进行制备；另一种选用特殊的红外辐射粉料，以硅溶胶为黏结剂，制备既适用于金属基体又适用于耐火基材的高抗震性红外辐射涂料。
北京航空材料研究院王飞等人［21］针对高速飞行器气动热防护，研制了一种新型高热辐射率耐高温有机涂料，并对涂料的基体结构、热性能进行了分析。北京科技大学吴永红等人［22-23］从原理方面进行了研究，基于辐射传热原理，详细分析了红外辐射涂料在陶瓷辊道窑中应用的节能机理，并提出了提高热辐射性能的超细化方法。理论分析和实际应用都表明，通过此方法可以增加材料热辐射的透射深度，从而能够提高材料的发射率与吸收率。山东轻工业学院胡昌威等人［24-25］研究了高温高辐射涂料对窑炉火焰空间系统的传热影响，建立了电加热炉内的传热方程，模拟高温高辐射涂料对电加热炉炉内传热的影响。
张建贤等人［26］研制了一种具有高辐射率的耐高温涂料，主要用于铁路的红外轴温探测系统，提高系统红外热量辐射率。潘儒宗等人通过含Al 离子溶液对硅酸盐型红外辐射涂料黏合剂进行改性，以达到提高使用温度，降低高温脆性，提高附着力和耐水性的目的。程亚军等人［27］对高温红外辐射涂料工业化应用后的实际效果进行了系统性对比。李晖对高温辐射涂料在线材加热炉上的应用情况和使用效果进行了研究。

3 我国红外辐射涂料产品概况
目前，我国个别红外辐射涂料产品在中国石化、兰州炼油厂等国有大型企业得到了部分应用，但相对于广泛的行业需求，高性能的红外辐射涂料产品还是凤毛麟角，仍需大量依赖进口。
3.1 高温用红外辐射涂料产品
上海硅酸盐研究所研制的HK-81 远红外辐射涂料，主要利用氧化亚铁、二氧化钛、氧化锆和二氧化硅为热辐射功能填料，在1 400℃条件下，使用寿命可达2 a，已在中国石化公司、胜利炼油厂、大连石化公司使用，具有明显的节能效果和良好的经济效益。北京科技大学研制的以耐火粉体、烧结剂、复合增黑剂、悬浮剂及复合胶结剂等组成的高温红外辐射涂料，具有对耐火基材附着力强、发射率高、辐射寿命长、耐高温性能好、贮存期长等特点，已在冶金、陶瓷、化工等行业的数十家企业的高温炉窑上使用，平均节能达5%~10%。
山东淄博新材料研究所洪晓江等人［28］研制的中高温远红外涂料在新疆克拉玛依油田重整加氢炉内壁应用后，节能 20% 以上，炉外壳温度降低 20℃，并且涂层具有很好的抗热气流、抗冲刷作用，对纤维衬里有很好的保护作用，可使炉衬使用寿命延长1.5 倍。在山东铝厂等单位的中高温轧钢加热炉中使用，节能15%~20%。在中低温加热消毒干燥设备中使用，比原来的真空干燥法节电62%，干燥能力提高了2.5 倍。
3.2 常温用红外辐射涂料产品
江苏省建材研究院以红外辐射粉末材料与丙烯酸树脂、苯乙烯- 丙烯酸共聚树脂、聚氨酯、聚乙烯缩醛类树脂中的一种与稀释剂混合，制成常温红外辐射涂料，把建筑物的日照光线和红外线热量以红外辐射形式发射到空中，可以达到良好的隔热降温效果，节约能源。

4 我国红外辐射涂料研究存在的主要问题
4.1 高温抗热震性差
目前我国红外辐射涂料研究存在的主要问题是，使用较成熟的红外辐射涂料大多都应用于中低温度，在 1 000℃以上的中高温方面还没有得到很好的应用，其主要原因在于高温抗热震性未得到有效的解决。我国用于工业窑炉等设备上的红外辐射涂料的使用寿命一般不超过 3 a，而国外产品的有效使用寿命可达10~15 a 之久［29-31］。
4.2 高温黏合剂研究少
从文献资料上看，我国研究红外辐射涂料用高温黏合剂的报道不多，而黏合剂的使用寿命直接影响产品的使用年限。
4.3 推广不理想
红外辐射涂料具有明显的节能效果，还可保护基体材料，延长工业炉等设备的使用寿命。但前期投入大，成本高，因而推广不理想。降低成本，提高性能是红外辐射涂料研究面临的另一个主要问题。

5 展望
5.1 热辐射功能填料超细化、纳米化的研究［32］
开展超细化或纳米化热辐射功能填料的研究。纳米化可增大粒子之间的平均间距，破坏原来物质内部固有的各种化学键，减弱粒子之间的各种相互作用力，增大组成物质的基本微观粒子之间的平均间距，减少单位体积内的粒子数，提高热辐射的透射深度，终提高物体的发射率与吸收率。因此将已开发的功能填料进行纳米化处理，可能会为红外辐射涂料的发展提供一条新途径。
5.2 红外辐射涂料用高温黏合剂的研究
红外辐射涂料在 1 000℃以上高温没有得到很好的应用，一方面在于抗热震性未得到有效的解决；另一方面也是受到高温黏合剂发展的制约。目前有机黏合剂的耐高温极限约600℃，而通过复配后能达到1 300℃，因此加大对高温黏合剂的研究是提高高温红外辐射涂料研究水平的关键［32］。
5.3 红外辐射涂料节能机理研究
受到工业炉炉内传热复杂性的影响，对红外辐射涂料的节能机理研究与探讨迄今还未能取得一致。
综上所述，提高热红外辐射涂料的性能，降低涂料成本，探索节能机理，红外辐射涂料将会有更广阔的市场前景。