金屬氧化物顏料對隔熱涂料發(fā)射率和反射率的影響

何 燕，張 雄，管 建

（1.同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804；2.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000）

傳統(tǒng)的建筑隔熱體系，如聚苯乙烯板玻纖網(wǎng)格布聚合物砂漿體系和現(xiàn)澆混凝土模板內(nèi)置保溫體系等，存在施工繁瑣、成本高、保溫層過厚、易脫落開裂以及防火隱患等不足［1］.因此，有必要研究開發(fā)薄層、高性能、施工簡便的外墻保溫節(jié)能涂料，以滿足建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫體系的市場需求［2－5］.

Akbari等［6］研究表明，節(jié)能涂料對太陽光具有很高的反射率，能延緩熱能向物體內(nèi)部傳導(dǎo)，進(jìn)而影響周圍環(huán)境溫度，降低制冷設(shè)備能耗.Shi等［7］運(yùn)用Energy Plus 4.0作為建筑能耗模擬平臺，研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面光學(xué)性能對建筑全年空調(diào)能耗的影響，研究表明在熱帶和亞熱帶地區(qū)，隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面太陽能反射率和長波發(fā)射率的增大，建筑空調(diào)能耗有較大幅度的降低.Cheng等［8］研究表明，利用彩色屋頂冷材料，可將屋頂太陽能反射率從0.08提高至0.30～0.50，可降低用電能耗15%～30%.Cheung等［9］研究香港的高層建筑高效節(jié)能維護(hù)結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明降低30%太陽能吸收率，全年可節(jié)省12%空調(diào)制冷能耗.

如何因地制宜地根據(jù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面所需的太陽能反射率及長波發(fā)射率配制相應(yīng)的節(jié)能涂料，還需要研究涂料組分對其長波發(fā)射率及太陽能反射率的影響.目前，國內(nèi)外主要是通過大量選擇配比試驗來確定涂料配制方案［10］，對顏填料本身光學(xué)性質(zhì)特征的研究及其反射原理的認(rèn)識還不夠深入.因此，有必要對顏填料自身屬性進(jìn)行詳細(xì)分析，為涂料配制工作提供理論依據(jù).本文主要研究了金屬氧化物顏料對涂料太陽能反射率及長波發(fā)射率的影響，并對各顏料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，為配制高發(fā)射率、高反射率節(jié)能涂料奠定理論基礎(chǔ).

1 試驗

1.1 原材料

基料：苯丙乳液（苯乙烯－丙烯酸酯共聚乳液，SAE），其性能參數(shù)見表1；金屬氧化物顏料：鉻鐵黑、氧化鐵黑、銅鉻黑、氧化鐵紅、氧化鐵黃及鈦鉻黃等，均為工業(yè)品；另選用特定分散劑、潤濕劑、消泡劑、助溶劑及增稠劑等共同配制涂料.

表1 苯丙乳液性能參數(shù)Table 1 Property parameters of styrene acrylic emulsion

1.2 試驗方案

分別稱取不同種類的金屬氧化物顏料，加入苯丙乳液中，同時加入適量成膜助劑，利用電動攪拌器充分?jǐn)嚢柚令伭暇鶆蚍稚⒂谌橐褐校瞥刹煌N類的色漿涂料將其涂布于水泥基板上制成100mm×100mm×5mm的濕膜，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（（23±2）℃，相對濕度（50±5）%）下干燥養(yǎng)護(hù)48h，干膜厚度為20μm 左右.

采用美國Devices ＆Services Company生產(chǎn)的AE1型輻射率儀、Shimadzu UV 3600型紫外－可見光譜儀和EQUINOXSS／HYPERION 2000紅外光譜儀對所制備涂料進(jìn)行發(fā)射率、太陽能反射率以及紅外吸收光譜分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬氧化物顏料光學(xué)性質(zhì)分析

對金屬氧化物顏料在涂料中反射、吸收的可見光和近紅外光進(jìn)行分析，結(jié)果見表2.由表2 可知，氧化鐵黑有很寬的光譜吸收特性，是一種380～2 500nm全太陽光譜范圍內(nèi)高吸收率的顏料，由此導(dǎo)致涂料的太陽能反射率大幅下降.鉻鐵黑涂料在紫外波段和可見光波段可實現(xiàn)0.95，0.94的高吸收率；在近紅外波段吸收率下降到0.45，反射率為0.38.鉻鐵黑是鉻綠（Cr2O3）和赤鐵礦（Fe2O3）經(jīng)高溫固相反應(yīng)生成的混相金屬氧化物，其晶體結(jié)構(gòu)仍保持鉻綠的晶體結(jié)構(gòu)，僅少量Cr3＋被Fe3＋替代.鐵紅在近紅外波段的吸收率只有0.33，但在近紅外波段的透射率為0.24，因此鐵紅應(yīng)用于涂料時，近紅外波段的反射率將受到基層及涂料中其他配合顏料的影響.鐵紅對可見光（380～780nm）有較強(qiáng)的吸收，因而呈現(xiàn)紅色，對近紅外吸收較低.鐵黃在近紅外波段的吸收率為0.13，小于鐵紅在近紅外波段的吸收比.但透射率很高，為0.54.所以若用鐵黃來配制高近紅外反射率的顏料（如金紅石鈦白粉），或應(yīng)用于高反射率的基層（如白色或金屬基層），可以獲得較高太陽能反射率效果.

表2 金屬氧化物顏料的光學(xué)性能Table 2 Optical properties of colorants with metallic oxide

2.2 金屬氧化物顏料對涂料發(fā)射率的影響

分別在水泥基板發(fā)射率為0.05和0.95的標(biāo)準(zhǔn)背景下測試苯丙乳液干膜發(fā)射率，結(jié)果見表3.采用苯丙乳液作為基料，分別配制鉻鐵黑、氧化鐵黑、銅鉻黑、氧化鐵紅、氧化鐵黃和鈦鉻黃色漿，其中色漿中金屬氧化物顏料固含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）均為60%.分別測試各色漿的長波發(fā)射率，結(jié)果見表4.對比表3，4可知，金屬氧化物顏料對苯丙乳液基料的發(fā)射率影響很小，可用于配制高發(fā)射率涂料.

表3 苯丙乳液干膜發(fā)射率Table 3 Spectral emissivity of dried emulsion film

表4 色漿長波發(fā)射率Table 4 Spectral emissivity of color paste

2.3 金屬氧化物顏料對涂料太陽能反射率的影響

利用銅鉻黑、氧化鐵黑、鉻鐵黑、鐵黃、鈦鉻黃及鐵紅分別配制色漿涂料，其中的色漿摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為2%，5%，10%，15%及20%，測試各色漿涂料在300～2500nm 光譜范圍內(nèi)的太陽能分光反射率，結(jié)果見圖1.

黑色顏料作為涂料配色非常重要的品種，在涂料中的主要作用是降低顏色的明度.由圖1（a）～（c）可知，3種黑色金屬氧化物色漿涂料中銅鉻黑和氧化鐵黑吸收特性相似，在380～2 500nm 全太陽能光譜范圍均具有均勻的吸收特性；鉻鐵黑色漿涂料僅在380～780nm 可見光波段具有較強(qiáng)的吸收特性，但與其他助劑綜合作用后，在780～2 500nm 近紅外波段表現(xiàn)出較好的反射特性.

計算不同色漿摻量下涂料太陽能總反射率Rt，380～780nm可見光反射率Rv及780～2 500nm 的近紅外反射率Rir，結(jié)果見表5.

將摻量為15%的銅鉻黑、氧化鐵黑和鉻鐵黑色漿涂料的可見光反射率Rv（15%）和近紅外反射率Rir（15%）分別與摻量為5%的炭黑色漿的可見光反射率Rv（5%）和近紅外反射率Rir（5%）進(jìn)行對比，結(jié)果見表6.

由表6可見，由于炭黑的可見光遮蓋能力遠(yuǎn)大于其他黑色顏料，摻5%炭黑色漿涂料的可見光反射率為摻15%銅鉻黑色漿涂料的1.12 倍，為摻15%氧化鐵黑色漿涂料的1.11倍.由表6還可見，銅鉻黑和氧化鐵黑色漿涂料在近紅外波段的吸收比較大，在實現(xiàn)近似可見光反射率的條件下，銅鉻黑與炭黑色漿涂料基本相當(dāng).這是因為Rir（5%）∶Rir（15%）＝0.97，銅鉻黑色漿涂料在與炭黑色漿涂料明度近似的情況下，其近紅外反射能力與炭黑色漿涂料近似，而氧化鐵黑色漿涂料的近紅外反射能力也幾乎與炭黑色漿涂料近似.而鉻鐵黑色漿涂料在實現(xiàn)近似可見光反射率的條件下，近紅外反射能力較強(qiáng)，這是因為Rv（5%）∶Rv（15%）＝0.92，而Rir（5%）∶Rir（15%）＝0.26，當(dāng)鉻鐵黑色漿涂料的明度與炭黑色漿涂料近似時，其近紅外反射大約是炭黑色漿涂料的4倍.因此鉻鐵黑色漿涂料在其他助劑的綜合作用下，其近紅外反射能力較強(qiáng)，比較適用于配制高太陽能反射率的深色涂料.

分析圖1（e）～（f）可知，鐵黃和鈦鉻黃色漿均可顯著增加涂料在380～550nm 光譜范圍內(nèi)的吸收率，但在550～700nm 光譜范圍內(nèi)仍具備較高反射率，因而兩者均表現(xiàn)出黃色.但添加鐵黃色漿可降低涂料在780～1 300nm 光譜范圍內(nèi)的反射率，且隨鐵黃色漿摻量的增加，涂料的反射率下降程度增加，且鐵黃色漿也可降低涂料在1 300～2 500nm 光譜范圍內(nèi)的反射率，但影響程度較小.與鐵黃色漿不同的是，添加鈦鉻黃色漿，對涂料在800～1 200nm 光譜范圍內(nèi)的反射率無顯著降低作用，且添加鈦鉻黃色漿對涂料在1 300～2 500nm 光譜范圍內(nèi)反射率的降低影響很小.

圖1 不同色漿摻量涂料的太陽能分光反射率Fig.1 Solar spectral reflectance of coatings in various color paste contents

表5 不同色漿摻量下涂料的太陽能反射率Table 5 Solar spectral reflectance in various ranges of coatings in various color paste contents

續(xù)表

表6 黑色顏料可見光與近紅外光反射能力對比Table 6 Comparison of black pigments reflectivity in visible light with that of near－infrared spectrums

對比摻5%鐵黃色漿涂料與摻15%鈦鉻黃色漿涂料可見光波段太陽能分光反射率，結(jié)果見圖2.

圖2 黃色金屬氧化物色漿涂料太陽能分光反射率比較Fig.2 Solar spectral reflectance comparative analysis of yellow metallic oxide coating

由圖2可見，摻5%鐵黃色漿涂料與摻15%鈦鉻黃色漿涂料在380～600nm 可見光波段的分光反射率曲線幾乎重合，在600～780nm 光譜范圍內(nèi)鈦鉻黃色漿涂料反射率略高于鐵黃色漿涂料，因而鈦鉻黃比鐵黃更偏紅相；兩者在780～1 200nm 近紅外光譜范圍內(nèi)差別較大，此波段鈦鉻黃色漿涂料的反射率顯著高于鐵黃，在1 200～2 500nm 光譜范圍內(nèi)兩者反射率趨于重合.由于近紅外波段中的780～1 300nm 光譜范圍反射率是提高涂料近紅外反射能力的關(guān)鍵，因此鈦鉻黃色漿涂料的熱反射能力優(yōu)于鐵黃色漿涂料.由表5可知，摻5%鐵黃色漿涂料的近紅外反射率為0.762 4，而摻15%鈦鉻黃色漿的涂料在相近的可見光反射率條件下，其近紅外反射率達(dá)到0.871 5，與白色涂料基本相當(dāng)，且鈦鉻黃色漿涂料的近紅外反射率基本不隨色漿摻量的增加而變化，因此鈦鉻黃是一種更優(yōu)異的熱反射黃色顏料.

分析圖1（d），（e）可發(fā)現(xiàn)，在1 000～2 500nm光譜范圍內(nèi)，色漿摻量相同的鐵紅和鐵黃色漿涂料的反射率曲線基本重合，但在800～1 000nm 光譜范圍內(nèi)，鐵紅色漿涂料較鐵黃色漿涂料具有更強(qiáng)的吸收能力.

3 結(jié)論

（1）氧化鐵黑在300～2 500nm 全太陽光譜范圍內(nèi)具有高吸收率；鉻鐵黑在紫外波段和可見光波段可實現(xiàn)0.95，0.94的高吸收率，在近紅外波段吸收率下降至0.45，反射率為0.38；鐵紅在近紅外波段的吸收率只有0.33，但在近紅外波段的透射率為0.24；鐵黃在近紅外波段的吸收率小于鐵紅，為0.13，但其透射率很高，為0.54.

（2）金屬氧化物顏料對水性乳液基料的發(fā)射率影響很小，可用于配制高發(fā)射率涂料.苯丙乳液在可見光光譜和近紅外光譜范圍均具備很小的吸收率，分散于其中的顏料可充分反射可見光及近紅外光，適用于配制高太陽能反射率的乳膠漆.

（3）銅鉻黑涂料和氧化鐵黑涂料在近紅外波段的吸收比較大；鉻鐵黑涂料近紅外反射能力較強(qiáng)，在明度與炭黑涂料近似時.其近紅外反射率大約是炭黑涂料的4倍；鐵黃和鈦鉻黃均可顯著增加涂料在380～550nm 光譜范圍的吸收比，但在550～700nm光譜范圍仍具備較高反射率；與添加鐵黃色漿不同的是，添加鈦鉻黃色漿，對涂料在800～1 200nm 光譜范圍的反射率無顯著影響，對涂料在1 300～2 500nm光譜范圍的反射率降低程度影響很小；色漿摻量為15%的鈦鉻黃涂料近紅外反射率達(dá)到0.871 5；在1 000～2 500nm 光譜范圍，色漿摻量相同的鐵紅涂料和鐵黃涂料的反射率曲線基本重合，但在800～1 000nm 光譜范圍，鐵紅涂料較鐵黃涂料具有更強(qiáng)的吸收能力.

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