金屬氧化物顏料對(duì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)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(jiǎn)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(chǎng)需求［2－5］.

Akbari等［6］研究表明，節(jié)能涂料對(duì)太陽(yáng)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(tái)，研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面光學(xué)性能對(duì)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(yáng)能反射率和長(zhǎng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能反射率及長(zhǎng)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(duì)其長(zhǎng)波發(fā)射率及太陽(yáng)能反射率的影響.目前，國(guó)內(nèi)外主要是通過(guò)大量選擇配比試驗(yàn)來(lái)確定涂料配制方案［10］，對(duì)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(shí)還不夠深入.因此，有必要對(duì)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(duì)涂料太陽(yáng)能反射率及長(zhǎng)波發(fā)射率的影響，并對(duì)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(yàn)

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(rùn)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(yàn)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(shí)加入適量成膜助劑，利用電動(dòng)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(duì)濕度（50±5）%）下干燥養(yǎng)護(hù)48h，干膜厚度為20μm 左右.

采用美國(guó)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(duì)所制備涂料進(jìn)行發(fā)射率、太陽(yáng)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(duì)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(yáng)光譜范圍內(nèi)高吸收率的顏料，由此導(dǎo)致涂料的太陽(yáng)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(shí)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(shí)，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(duì)可見光（380～780nm）有較強(qiáng)的吸收，因而呈現(xiàn)紅色，對(duì)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(lái)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(yáng)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(duì)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(cè)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(cè)試各色漿的長(zhǎng)波發(fā)射率，結(jié)果見表4.對(duì)比表3，4可知，金屬氧化物顏料對(duì)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(zhǎng)波發(fā)射率Table 4 Spectral emissivity of color paste

2.3 金屬氧化物顏料對(duì)涂料太陽(yáng)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(cè)試各色漿涂料在300～2500nm 光譜范圍內(nèi)的太陽(yáng)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(yáng)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(jì)算不同色漿摻量下涂料太陽(yáng)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(duì)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(shí)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?yàn)镽ir（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(shí)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?yàn)镽v（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(shí)，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(yáng)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(duì)涂料在800～1 200nm 光譜范圍內(nèi)的反射率無(wú)顯著降低作用，且添加鈦鉻黃色漿對(duì)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(yáng)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(yáng)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(duì)比Table 6 Comparison of black pigments reflectivity in visible light with that of near－infrared spectrums

對(duì)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(shí)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(duì)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(yáng)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(shí).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(duì)涂料在800～1 200nm 光譜范圍的反射率無(wú)顯著影響，對(duì)涂料在1 300～2 500nm光譜范圍的反射率降低程度影響很??；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.

［1］張永娟，沈中林，張雄.金屬顏料對(duì)保溫涂料發(fā)射性和反射性的影響［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，41（12）：1855－1860.ZHANG Yongjuan，SHEN Zhonglin，ZHONG Xiong.Influence of metal paint on emissivity and solar reflectance of insulation coating［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2013，41（12）：1855－1860.（in Chinese）

［2］陳振耀.有機(jī)硅改性丙烯酸酯樹脂涂料的性能研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2002，5（3）：293－297.CHEN Zhenyao.Study on the properties of silicone modified acrylate resin coating［J］.Journal of Building Materials，2002，5（3）：293－297.（in Chinese）

［3］LEVINSONA R，AKBARIA H，REILLY J C.Cooler tile－roofed buildings with near－infrared－reflective non－white coatings［J］.Building and Environment，2007，42：2591－2605.

［4］BRETZ S，AKBAR H J.Long－term performance of high albedo roof coatings［J］.Energy and Buildings，1997，25（2）：159－167.

［5］BERDAHL P，BRETZ S.Preliminary survey of the solar reflectance of cool roofing materials［J］.Energy and Buidings，1997，25（2）：149－158.

［6］AKBARI P，BRETZ S，KURN M.Peak power and cooling energy savings of high－albedo roofs［J］.Energy and Buildings，1997，25（2）：139－148.

［7］SHI Zhiyang，ZHANG Xiong.Analyzing the effect of the longwave emissivity and solar reflectance of building envelopes on energy－saving in buildings in various climates［J］.Solar Energy，2011，85（1）：28.

［8］CHENG V，GIVONI B.Effect of envelop color and thermal mass on indoor temperatures in hot humid climate［J］.Solar Energy，2005，78：528－534.

［9］CHEUNG C，F(xiàn)ULLER R，LUTHER M.Energy efficient envelop design for high rise apartments［J］.Energy and Buildings，2005，37（1）：37－48.

［10］程明，吉靜，常雨鑫.熱反射顏填料對(duì)建筑節(jié)能涂料的影響［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（1）：50－54.CHENG Ming，JI Jing，CHANG Yuxin.Study of solar heatreflective pigments in cool roof coatings［J］.Journal of Beijing University of Chemical Technology：Natural Science，2009，36（1）：50－54.（in Chinese）