建筑用彩色超疏水輻射降溫涂層的制備與性能研究

陸春華，陶爽，房正剛，倪亞茹

（南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京211816）

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計， 目前降溫能耗約占總能耗的15%，常用的降溫手段如空調(diào)等，由于需要使用氟利昂作為傳熱介質(zhì)，會帶來大量的溫室氣體排放，因此，人們急需一種低能耗、低排放的降溫手段來緩解當(dāng)前問題。

光譜選擇性輻射降溫是近期人們所關(guān)注的一類顛覆性降溫技術(shù)手段， 它是一種自發(fā)進(jìn)行的降溫方式，具有零能耗、零排放等優(yōu)點(diǎn)，其核心工作原理在于物體表面持續(xù)不斷地向外釋放紅外輻射能量。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

制備建筑用裝飾性輻射降溫涂層所用材料包括硅微粉、云母、稀土硅酸鹽與鉬酸鹽，其中硅微粉與云母為市售粉體， 稀土硅酸鹽與鉬酸鹽通過溶膠凝膠法制備。 所使用的紅、綠、藍(lán)三種顏色的功能顏料分別為喹吖啶酮、酞菁綠和酞菁藍(lán)，均為市售粉體。高透明樹脂使用的是TPX，為市售樹脂。

1.2 功能顏料疏水改性

量取30 ml 乙醇與10 ml 氨水混合，稱取0.3 g顏料加入，超聲分散10 min 制得懸濁液。 然后量取2 ml 原硅酸四乙酯與0.6 ml 全氟辛基三乙氧基硅烷，在50 ℃下逐滴加入懸濁液中，攪拌反應(yīng)6 h 后得到疏水改性功能顏料。

1.3 彩色超疏水輻射降溫涂層制備方法

首先，稱取2.5 g TPX 樹脂，加50 ml 三氯乙烯溶劑，在60 ℃下攪拌加熱1 h 至溶解。 其次，按比例稱取粉體2 g，與TPX/三氯乙烯樹脂溶液球磨混合8 h，得到輻射降溫功能涂料。 接著， 采用機(jī)械涂布的方法，將輻射降溫功能涂料涂布于鋁片上，并在室溫下自然固化以獲得穩(wěn)定的輻射降溫涂層。 最后， 量取1 ml 所制備的疏水改性顏料，噴涂于輻射降溫涂層表面得到具有不同顏色的超疏水輻射降溫涂層。

1.4 性能表征方法

采用紫外-可見光-近紅外分光光度計測試樣品的漫反射光譜，對比樣品為BaSO4，掃描速度中等，抽樣間隔為2.0 nm，測量波長范圍是0.30～2.50 μm。

通過傅里葉變換紅外光譜儀測試樣品的反射光譜，測量波長范圍是2.50~20.00 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 輻射降溫涂層光譜性能分析

圖1 和圖2 分別為輻射降溫涂層在紫外-可見-近紅外波段的反射率與在中遠(yuǎn)紅外波段的發(fā)射率。 由于輻射降溫涂層整體結(jié)構(gòu)不透明，因此材料反射率與吸收率之和為1， 根據(jù)基爾霍夫定律，物體的吸收率與發(fā)射率相等，因此可通過表征材料的反射率從而計算出發(fā)射率。

由圖1 可知，三種顏色的輻射降溫涂層在太陽光波段均具有窄帶的吸收，同時在近紅外波段都具有高反射， 因此可以將對輻射降溫的影響降至最低。 由圖2 可知，三種顏色的涂層在大氣窗口范圍均具有選擇性發(fā)射性能。 因此，所制備涂層均具有在輻射降溫方面的應(yīng)用潛力。

圖1 輻射降溫涂層在太陽光波段的反射率

圖2 輻射降溫涂層與在中遠(yuǎn)紅外波段的發(fā)射率

2.2 輻射降溫涂層理論降溫效果計算

輻射降溫涂層的降溫效果可通過能量平衡公式進(jìn)行計算，如式（1）所示：

式中，Pnet為降溫凈功率密度，Pr為涂層向外發(fā)射的功率密度，Pa為物體吸收大氣輻射的功率密度，Psun為物體吸收太陽輻射的功率密度，Pnon為傳導(dǎo)對流換熱功率密度。 各項(xiàng)的計算公式如式（2~5）所示：

式中：er為涂層發(fā)射率，ea為大氣發(fā)射率，t（λ）為大氣輻射率，IAM1.5為美國國家標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜，q 為傳導(dǎo)-對流換熱系數(shù)，B 為黑體輻射功率密度，Tr和Ta分別為物體的溫度和環(huán)境溫度[1-2]。

根據(jù)式（1~5）可以計算不同溫度下材料的降溫凈功率，可以發(fā)現(xiàn)隨著輻射降溫涂層本身溫度的降低，其向外輻射的凈功率也在降低，當(dāng)其降溫凈功率降低至0 時， 輻射降溫涂層達(dá)到降溫的穩(wěn)定值，此時輻射降溫涂層的溫度與環(huán)境溫度的差值便是輻射降溫涂層可以達(dá)到的降溫溫差。 在計算中，定義環(huán)境溫度為室溫298.15 K，傳導(dǎo)-對流換熱系數(shù)為6.9，計算結(jié)果如圖3 所示，由圖3 可知，三種顏色的輻射降溫涂層均具有一定的低于環(huán)境的降溫效果。 其中，紅色輻射降溫涂層具有最佳的降溫效果，最大達(dá)到了12 ℃；而藍(lán)色與綠色輻射降溫涂層的降溫效果偏弱，主要在于藍(lán)色與綠色輻射降溫涂層吸收的可見光能量要高于紅色。

圖3 彩色輻射降溫涂層的理論降溫性能

2.3 涂層色度表征

使用CIE 色度空間Lab 參數(shù)對涂層進(jìn)行色度參數(shù)表征，同時計算其與白色涂層的色差值，結(jié)果如表1 所示。 當(dāng)色差值超過3.5 時，可認(rèn)為兩種物體具有明顯的色差，因此，三色涂層與原始的白色涂層的色差值都超過3.5，具有明顯的色度值。

表1 三色涂層與白色涂層的Lab 參數(shù)及色差值

2.4 涂層疏水性表征

在顏料的疏水化改性過程中， 原硅酸四乙酯在堿性條件下會發(fā)生水解，形成帶有四個羥基的硅醇，同時氟硅烷分子中的烷氧基也會發(fā)生水解， 在硅醇的作用下接枝到顏料顆粒的表面， 從而使得顏料獲得超疏水性能。當(dāng)水滴滴落至涂層表面時，其無法潤濕涂層表面，而是形成球形水珠滾落到涂層外部，說明輻射降溫涂層已具備較好的超疏水性能。

3 結(jié)論

（1）為滿足建筑節(jié)能和裝飾性等多種要求，在原白色系輻射降溫涂層材料的基礎(chǔ)上， 通過選用具有可見銳吸收光譜特性的功能顏料進(jìn)一步組裝復(fù)合，獲得一類新型的彩色輻射降溫涂層材料。理論分析結(jié)果表明，紅、黃、藍(lán)三種顏色的輻射降溫涂層在室溫下都具有低于環(huán)境的降溫效果。

（2）為降低表面污染和水吸附對輻射降溫涂層的降溫性能影響，采用氟硅烷對顏料顆粒進(jìn)行疏水改性，獲得了彩色超疏水自潔凈輻射降溫涂層。該類新興輻射降溫涂層材料可用做建筑外墻、 吊頂以及屋面等，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。