隔热保温涂料可有效提高设备及管道的节能效果，降低能源损耗，在石化行业具有良好的应用前景。文中系统介绍了反射型、辐射型及阻隔型隔热保温涂料的保温机理、性能及其存在的问题。特别是，针对隔热保温涂料耐腐蚀性能不足的问题，重点介绍了兼具防腐和保温双重功能的防腐保温一体化涂料。最后展望了隔热保温涂料未来的发展方向。

关键词：涂料; 隔热保温; 防腐; 石化管道

前言

在石化行业，每年因管道散热而损失的能量约占总能耗的三分之一，而石化管道的腐蚀也为其生产经营带来诸多安全隐患。因此，防腐和保温对于石化行业十分重要。

目前国内炼化企业通常使用传统多孔性的岩棉、硅酸铝卷毡等对设备和管道进行隔热保温，一般保温层的厚度可达100~200 mm，施工工序复杂，成本高昂;而且厚实的保温层还会掩盖了设备及管道的损坏情况，使得石化企业难以规避常规的生产风险及安全隐患。同时，弯头、三通、阀门等异形件的保温层结构复杂，接口较多，施工难度极大，这些部位经常处于裸露状态，是设备及管道隔热保温的薄弱环节。特别是，传统多孔性的隔热保温材料往往不具备防腐性，腐蚀因子能轻易附着并储存于其孔隙中，成为导热的媒介，不仅大幅降低了设备及管道的隔热保温效率，还会缩短整个保温系统的使用寿命。

近年发展起来的隔热保温涂料是一种从传热机理出发，有的放矢地降低热量在基材中传递的新型功能涂料。与传统的保温材料相比，隔热保温涂料保温效果优异，若干毫米的厚度就能达到传统保温层100~200 mm厚度的保温效果;因此，设备及管道的损坏情况也易于被检测，系统维护难度及维护成本也大幅下降。此外，涂料施工工艺简单，能够对弯头、三通、阀门等异形件实现全面覆盖，有效减少了管道的散热。特别是，通过对成膜材料的合理选择及配方优化，还可使涂层具有高耐渗、耐腐蚀的功能，有效避免腐蚀因子在涂层中渗透，大幅减缓设备及保温系统的腐蚀速率，提高其使用寿命。隔热保温涂料为石化行业节能减排、延长管道寿命提供了新策略。本文总结了隔热保温涂料的进展并展望其发展趋势。

1 隔热保温涂料

在隔热保温涂料领域，涂层的隔热保温性能主要是通过增大涂层的热辐射反射程度，增强涂层热辐射的发射率，减缓涂层的热传导等机理实现的。按隔热机理的不同，可分为反射型隔热涂料、辐射型隔热保温涂料和阻隔型隔热保温涂料三类。

1.1 反射型隔热涂料

反射型隔热涂料是通过在体系中添加对热辐射(太阳辐射、红外辐射等)有高反射率的颜填料，避免设备及建筑物对太阳辐射的吸收，达到隔热效果的涂料(图1)。

颜填料是保证反射型隔热涂料对太阳辐射有高反射率的关键。一般来说，涂层颜色越浅，其对太阳辐射的反射率越高。因此传统的反射型隔热涂料都以白色为主，它们一般使用白度较高的TiO2、ZnO作为颜料。该类涂料对太阳辐射的反射率可高达80%以上，部分涂料甚至可达95%。因此，在夏天，涂装了反射型隔热涂料的建筑物的外墙温度远小于普通建筑物，仅略高于环境温度，大幅降低了建筑的冷却负荷，明显节省了用电量。在石化行业，反射型隔热涂料在石油储罐的隔热上有广泛应用，它能有效防止储罐温度过高而带来的安全隐患，提高罐区的可用库容。

随着经济的发展，人们更倾向于色彩丰富的涂料。因此非浅色的反射型隔热涂料得到了广泛的研究。其主要的研究思路是针对太阳辐射能量主要集中于近红外区，制备出仅对红外辐射有高反射率的彩色颜填料，使得涂层吸收可见光而呈现出丰富色彩的同时，反射热量较高的红外辐射，从而达到隔热目的。目前，苝类、酞菁铜类及偶氮类的有机颜料，铬类、镉类、稀土类的无机颜料都具有较好的红外光反射能力。但有机颜料在耐紫外、耐热性方面往往不足，而铬类、镉类无机颜料则存在重金属污染的问题。只有稀土类无机颜料整体性能较好，但该类颜填料制备技术难度大，原材料成本高。因此，彩色的反射型隔热涂料尚需进一步研究。

在涂层耐久性能方面，由于反射型隔热涂料主要用于反射太阳辐射，因此目前该涂料的成膜树脂主要以丙烯酸树脂、含氟树脂等耐紫外老化性能优异的聚合物为主。丙烯酸树脂由于其分子结构中不含有苯环、双键等结构，具有优异的耐紫外老化性。而且烯类单体多种多样，涂料在保持良好耐候性的同时，它的性能也能依据单体而作出多样的调整，可适应不同环境中的使用。含氟树脂的C—F键的键能高达485.6 kJ/mol，分子结构稳定，而且在其分子链中，每个C—C键都被螺旋式三维排列的F原子紧紧地包围着。这种结构能保护其免受紫外线的侵害，耐候性能优异。而且C—F键还使得这类涂料涂膜表面坚硬、耐磨性好;表面能低、手感光滑、耐沾污性好、易于用水冲洗保洁;而且涂膜还具有防霉耐热等多种优点。

但反射型隔热涂料只是一种反射热辐射的材料，它不能阻碍其他2种传热方式对基材的传热。因此无法对高温传热介质(如高温输油管道、工业锅炉)保温，仅是一种应用于设施及建筑的外墙的隔热涂料。此外，一般的反射型隔热涂料耐腐蚀性能不佳，在重腐蚀环境，需要通过与重防腐涂层配套涂装来防止基材被腐蚀。显然，进一步提高涂料的耐腐蚀性能，实现涂层的防腐保温一体化具有良好的发展前景。

1.2 辐射型隔热保温涂料

辐射型隔热保温涂料是一种以发射热辐射的形式主动减少基材热传递的涂料。它是通过在涂料体系中添加能高效发射热辐射的颜填料，或将这些材料直接烧结成陶瓷涂层而实现的。当涂层吸收热量之后，它能将热量以一定波长的红外辐射发射回环境中，从而达到隔热降温的效果(图2)。

辐射型填料主要包括SiC、堇青石(主要成分为Mg2Al4Si5O18;可含有Na、K、Ca、Fe、Mn等元素)、过渡金属氧化物(如MnO2、Cr2O3、CoO、CuO)等材料，它们吸收热量后，通过分子振动、转动的能量，不断地使晶格、键团产生碰撞，将吸收的热量重新发射回环境中。与反射型隔热保温涂料相比，辐射型隔热保温涂料具有“主动式降温”的特点。即，在热传递过程中，反射型隔热保温涂料仅能减缓热量传递速度，当热量缓慢地通过涂层后，内部空间温度升高;此时，即使涂层外部温度降低，热能也只能困陷其中。而辐射型隔热保温涂层却能够将热量以热辐射的形式发射掉，从而促使室内与室外有同样的降温速率。而且该类填料的热稳定性较好，因此辐射型隔热保温涂料对温度适应性较强。它不仅能在常温环境用于建筑、石化储罐的隔热保温;还可以在高温环境对高温石化管道、锅炉等进行隔热保温。但根据影响材料辐射出射度相关的斯蒂芬-玻尔兹曼定律(Ste-fan-Boltzmann law)，辐射型填料的总辐射功率与绝对温度的四次方成正比。在常温环境中，填料的辐射功率较低，但在高温环境中，温度只要有较小的变化，就会引起物体的辐射功率发生较大变化。而且根据普朗克辐射定律(Planck's radiation law)，在涂层热稳定性允许的前提下，温度越高，该涂层热发射率越高，隔热保温效果越好。因此目前，辐射型隔热保温涂料在高温环境中有更广泛的应用。特别是，用于高温石化管道、锅炉等隔热保温时，由于涂层能将热量辐射回设施内部，因此它发挥隔热保温作用的同时，还对设施有“二次加热”的效果，进一步提高了能量的利用率。目前，大量的辐射型隔热保温涂料在高温中的辐射发射率已经达到了85%以上，部分过渡金属氧化物体系涂层(如Fe2O3-MnO2-CoO-CuO体系、NiO-Cr2O3-SiC体系)的辐射发射率甚至可达95%，隔热保温效果优异。而且涂层能有效提高高温设施的能源利用率，一般可达5%~10%，大大缩短了加热时间，减少了设施内温差，提高了产品的质量及生产效益。

此外，辐射型隔热保温涂层优异的隔热保温效果还能对基材起到很好的防护效果。高温设施经过辐射型隔热保温涂层的防护后，设施的服役温度大幅降低，其使用寿命可延长1~4倍;对于电热元件，其使用寿命可延长50%~70%，明显减少了维修周期，降低了维修费用。特别是，随着辐射型隔热保温涂层的完善，涂层耐久性能大幅提高，进一步提高涂层的防护效果，延长设施的使用寿命。如通过烧结包覆技术，将稀土硅酸盐包覆于SiC表面，能有效克服传统的SiC系涂层在高温下容易被氧化而导致红外发射率下降的问题。通过辐射型材料的成分复合化、稀土元素的掺杂或降低辐射型材料粒径至纳米级，涂层能形成更致密的结晶结构，涂层的抗热震性能得到明显提高，从而使得辐射型隔热保温涂层能够有效承受高强度的高温热冲击，防止涂层在服役过程因热膨胀系数不匹配而引致的开裂、脱落问题。

目前，辐射型隔热保温涂料主要以陶瓷涂料为主，涂料需要烧结成型，施工工艺复杂;而且陶瓷涂层是一种脆性材料，它的断裂功一般只有300 J/m2左右，因涂层脆性而引致涂层失效是其主要失效方式。更重要的是，温度对涂层有明显影响，在常温至400 ℃的环境，涂层辐射效率不足，隔热保温效果不佳;但当服役温度在1000℃以上时，涂层耐热性不足，结晶结构受影响，涂层辐射效率也大幅下降。因此，它在应用过程中依然具有一定的局限性。

1.3 阻隔型隔热保温涂料

阻隔型隔热保温涂料是一种以减少涂层内部热传导为主要目的的涂料，它是依据热量在空气中的传导速率远小于固体材料中的传导速率的原理，通过将密度小、气孔率高、导热系数低的功能填料(如空心玻璃微珠、膨胀珍珠粉、硅气凝胶等)掺加入涂层体系中，从而降低涂层的导热系数，达到隔热保温的目的的涂料(图3)。

当环境中的热量通过传导、辐射、对流的方式传递至基材表面后，基材表面至内部的热传递主要通过热传导实现。阻隔型隔热保温涂料通过在涂层体系中加入高气孔率的填料，迫使热量通过涂层气孔中的空气传导，从而大幅降低涂层的导热系数。如果阻隔型填料的气孔直径足够小(小至纳米级别)，其内部的空气分子不能对流，也不能像一般静止空气中那样进行热运动，这样的气孔实际上相当于真空状态，这种情况下的阻隔型填料的导热系数甚至能小于普通空气的导热系数(如硅气凝胶、纤维气凝胶等)。涂层体系中加入上述颜填料，涂层将具有优异的隔热保温性能。

显然，阻隔型隔热保温涂料的隔热机理适用于任何需隔热的环境。目前，它在常温至高温环境都有相应的应用。在石化行业，根据涂层服役环境温度的不同，一般可分为“低温”工况(常温至200℃)及高温工况(200~500℃)的隔热保温涂料。

“低温”工况下服役的阻隔型隔热保温涂料的设计比较简单，只要在合适的基体树脂中将阻隔型填料有效分散则能成功制备。目前，已经有大量阻隔型隔热保温涂料研制成功，并得到了相应的应用。在涂层保温性能方面，近年来新型的隔热填料的应用，大幅提高了涂层的保温性能，如硅气凝胶的导热系数明显小于其他传统空心隔热填料，甚至可低至0.013 W/(m·K);而空心TiO2、TiO2包覆空心玻璃微珠等空心反射型隔热保温填料的成功制备，也使得涂料综合了阻隔型与反射型2种隔热保温涂料的优点。“低温”工况的阻隔型隔热保温涂料的研究及应用已相对成熟，但如何进一步降低涂层的导热系数，如何提高涂层的综合性能，如何制备环保涂料等方向上还有研究发展空间。

对于高温工况，基体材料的耐热性能是一个关键的问题。无机的硅酸盐类涂料从20世纪80年代开始被推广应用，它是以水泥为基料，以膨胀珍珠岩为骨料的无机涂层。显然，虽然这种涂料除了耐热性能够满足高温工况要求外，它的附着力、耐腐蚀性能都远小于以有机材料为基料的涂料。相比之下，地聚物作为一种新型的高性能无机材料，拥有类似聚合物的键接结构，材料保持无机材料优异的耐热性的同时，其附着力及耐腐蚀性能都有了大幅的提高。以地聚物为基料，制备新型无机阻隔型防腐保温涂料具有良好的发展前景。而在有机材料为基料方面，有机硅树脂是一种典型的具有优异耐热性的有机材料，是目前制备高温工况隔热保温涂料的一个重要方向。一般情况下，它能在300~400 ℃下有良好的使用效果，但有机硅树脂往往与基材间的附着力较差，在更高温度的工况下，以有机硅树脂为基料的隔热保温涂料还需进一步被发展。

2 防腐隔热保温一体化涂料

反射型隔热涂料只是一种反射热辐射的材料，它不能阻碍其他2种传热方式对基材的传热，因此无法对高温传热介质直接隔热保温。辐射型隔热保温涂料在高温环境具有更高的隔热保温效率，但其他温度段隔热保温效果不佳，而且该类涂料在涂层性能及成膜方式上尚存在一定问题。相比之下，阻隔型隔热保温涂料在任意温度段都能发挥良好的隔热保温作用。该类涂料可根据不同工况，满足储罐、管道、锅炉等设施的保温要求，具有较好的发展前景。然而在石化行业，除了热量损失对炼化企业造成严重的经济损失及安全隐患之外，设备及管道的腐蚀问题也亟待解决。普通的反射型、辐射型、阻隔型隔热保温涂料的耐腐蚀性能往往不足，在炼化厂等恶劣腐蚀环境中，涂层的使用寿命不佳。因此在阻隔型隔热保温涂料的基础之上，进一步提高涂层的耐腐蚀性能，制备出防腐隔热保温一体化涂料具有较好的经济效益和发展价值。

目前，以丙烯酸树脂为基体树脂的阻隔型隔热保温涂料具有良好的耐紫外老化及耐候性能，一般只应用于建筑外壁的隔热保温。但在重腐蚀环境下，该类涂料还需要与重防腐涂料配套使用。而环氧树脂具有优异的耐腐蚀性能及附着力，以其为基体树脂的隔热保温涂料可应用于腐蚀恶劣的环境。但上述2类涂料的耐热性能往往不足，难以达到石化行业“低温”工况(常温至200℃)的要求。

因此，在上述研究基础上，针对石化行业的“低温”工况，华南理工大学制备了一种石化行业用的无溶剂防腐隔热保温一体化涂料TI-200。该涂料使用兼具耐热性及耐腐蚀性的缩水甘油胺型环氧树脂为基体树脂，将其与隔热性能优异的空心玻璃微珠及耐腐蚀性能优异的玻璃鳞片复配而成。结果表明，该涂层的导热系数可低至0.136W/(m·K);现场模拟实验证明，管内温度为180℃的石化管道，仅需涂刷4mm厚的TI-200，管外温度就能降至80℃，涂层具有良好的保温性能。而且该涂层能在200℃下长时间保持稳定，没有变色、开裂、起皮、脱落等现象(图4)。

此外，该涂料的VOCs仅有51.5g/L，并且涂层力学性能及耐腐蚀性能优异，能有效抵御酸、碱、盐等腐蚀，满足石化行业标准SH/T3022—2011《石油化工设备和管道涂料防腐蚀设计规范》对环氧中间漆的技术要求(表1)。

表1 TI-200的涂层性能

涂料针对传统耐高温有机硅涂料附着力、耐腐蚀性能不足及环氧树脂耐热性不足的问题，使用有机硅改性环氧树脂作为基体树脂，该树脂能结合有机硅树脂及环氧树脂的优点，具有良好的耐热性、耐腐蚀性及附着力。所得涂层可在200~400℃下稳定存在，且具有良好的涂层性能、耐腐蚀性能及保温性能。此外，涂层中复配了低温熔融玻璃粉。当温度过高时，低温熔融玻璃粉逐渐熔化并与环氧改性有机硅树脂的Si—O—Si主链相互作用，重新成膜，形成新的耐高温硅化层(图5)。

也就是说，涂层经过“二次成膜”过程，进一步保证了其在400 ℃以上的工况下的各方面性能(图6)。

最终涂层在500℃的高温中依然具有良好的耐久性，而且涂层导热系数低至0.138W/(m·K)。涂层性能满足标准HG/T3362—2003的要求(表2)，有效地解决了高温工况下石化管道的防腐与保温的问题。

表2 TI-500的涂层性能

3 结语

与传统保温材料相比，隔热保温涂料具有高效、简单、安全、价廉等特点，在石化行业具有良好的应用前景。

(1) 反射型隔热涂料对热辐射有高反射率，能有效避免建筑物吸收太阳辐射，已被广泛应用于建筑外墙的隔热保温。在石化储罐等重腐蚀环境中，反射型隔热涂料与重防腐涂料配套，能使涂层系统兼具防腐、隔热性能。但反射型隔热涂料只是一种反射热辐射的材料，它不能阻碍其他2种传热方式对基材的传热，因此无法对高温传热介质直接隔热保温。

(2) 辐射型隔热保温涂料以发射热辐射的形式主动减少基材表面的热传导，在高温环境具有更高的隔热保温效率，适用于高温石化管道、锅炉等设施的隔热保温。一般以陶瓷涂料为主的辐射型隔热保温涂料具有优异的热稳定性，在高温环境中，它对基材具有良好的防护效果。但其他温度段隔热保温效果不佳及陶瓷涂层易脆性开裂等问题限制了其应用。

(3) 阻隔型隔热保温涂料可直接阻隔基材表面的热传导，在任意温度段都能发挥良好的隔热保温作用。在石化行业，阻隔型隔热保温涂料可根据不同工况，满足储罐、管道、锅炉等设施的保温要求。

(4) 但目前的隔热保温涂料耐腐蚀性能不足，在重腐蚀环境中，涂层使用寿命不佳。在阻隔型隔热保温涂料的基础上开发的防腐保温一体化涂料不仅能有效减少热量损失，而且可大幅减缓基材腐蚀速率，具有较好的经济效益和发展价值。