深藍(lán)色建筑節(jié)能涂層的制備及性能研究

楊 光，鄧安仲

深藍(lán)色建筑節(jié)能涂層的制備及性能研究

楊 光，鄧安仲

（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401331）

為降低夏熱冬冷地區(qū)建筑降耗，以片狀鈷藍(lán)為顏料，改性納米硅溶膠/苯丙復(fù)合乳液為基料，制備了深藍(lán)色建筑節(jié)能涂層并探究片狀鈷藍(lán)的摻量對涂層性能的影響。采用X射線衍射儀、紫外/可見光/近紅外分光光度計(jì)、紅外輻射率測量儀、精密色差儀和掃描電子顯微鏡對鈷藍(lán)和建筑節(jié)能涂層性能進(jìn)行表征，自制隔熱裝置測量涂層隔熱性能。結(jié)果表明：鈷藍(lán)的近紅外平均反射率為49.64%；當(dāng)鈷藍(lán)摻量為15%時(shí)，涂層近紅外平均反射率最大，為21.47%，此時(shí)，涂層在8～14mm波段的法向發(fā)射率高達(dá)0.96，涂層試板背面平衡溫度比空白石棉水泥板低7.5℃，隔熱性能較好。

建筑節(jié)能；鈷藍(lán)；反射率；法向發(fā)射率；CIE色度值

0 引言

傳統(tǒng)的建筑節(jié)能材料如保溫砂漿、隔熱門窗等，存在施工繁瑣和價(jià)格較高等缺陷[1-3]，限制了其節(jié)能效果的發(fā)揮。建筑節(jié)能涂料是一種通過近紅外波段高反射和中紅外波段高發(fā)射來達(dá)到節(jié)能降溫效果的功能涂料[4]。Santamouris[5]等認(rèn)為，節(jié)能涂料的近紅外反射率較高，可以反射部分太陽熱，進(jìn)而降低室內(nèi)溫度，起到節(jié)能降耗的作用。為此，應(yīng)用施工簡便、價(jià)格合理的建筑節(jié)能涂料來緩解能源緊張顯得十分必要。

近年來關(guān)于建筑節(jié)能涂料的研究報(bào)道較多，文獻(xiàn)[6-7]提出節(jié)能涂層中基體樹脂應(yīng)使用高紅外透過性、低吸收率的基體樹脂，以苯丙乳液和氟碳樹脂為宜；文獻(xiàn)[8-9]制備了具有高近紅外反射率的新型顏料，并系統(tǒng)細(xì)分了顏料的晶形、晶胞參數(shù)、色度值等的變化影響，拓寬了新型顏料的種類；文獻(xiàn)[10-11]制備了不同種類和摻量的隔熱涂料，測試了涂層的光學(xué)性能，并對制備工藝及涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

鈷藍(lán)，屬復(fù)合無機(jī)顏料（Complex Inorganic Color Pigment）[12]，主要用于繪畫及塑料領(lǐng)域[13]，其色相的優(yōu)異及安全無毒性卻鮮有在建筑節(jié)能涂料中的應(yīng)用報(bào)道。系統(tǒng)分析了片狀鈷藍(lán)（簡稱鈷藍(lán)，下同）的基本性能，如物相晶型、紫外/可見光/近紅外反射率，不同摻量鈷藍(lán)涂層的紫外/可見光/近紅外平均反射率、法向發(fā)射率及CIE色度值，并探討影響涂層性能因素的影響機(jī)理，初探了鈷藍(lán)在建筑節(jié)能涂料中的應(yīng)用，為制備兼具裝飾性和功能性的彩色建筑節(jié)能涂層提供一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

實(shí)驗(yàn)原料：納米硅溶膠，苯丙乳液，KH560，（片狀）鈷藍(lán)，成膜助劑，分散劑，潤濕劑，增稠劑，消泡劑，多功能助劑；自制的納米硅溶膠/苯丙復(fù)合乳液性能參數(shù)如表1所示。

表1 硅溶膠-苯丙復(fù)合乳液性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)儀器如下：多功能分散機(jī)：SEM-L-Ⅰ，上海錚康機(jī)電；精密恒溫水浴槽：HS-4B，成都儀器；X射線衍射儀：XRD-6100，日本島津；紫外/可見光/近紅外分光光度計(jì)：U-4100，日本日立；涂層測厚儀：QNIX-4500，德國尼克斯；精密色差儀：HP-200，上海漢譜光電；長波發(fā)射率測量儀：HWF-2，北方馳宏光電；掃描電子顯微鏡：SN-3700，日本日立。

1.2 建筑節(jié)能涂層的制備

納米硅溶膠/苯丙復(fù)合乳液的制備：將計(jì)量的納米硅溶膠注入三口燒瓶后，將三口燒瓶置于60℃的水浴鍋中，插入電動攪拌棒、溫度計(jì)、冷凝管，緩慢滴入計(jì)量的硅烷偶聯(lián)劑KH560，恒溫?cái)嚢?h，注入計(jì)量的苯丙乳液并攪拌2h，調(diào)節(jié)體系pH至8左右出料備用。

建筑節(jié)能涂料的制備：向納米硅溶膠/苯丙復(fù)合乳液中添加稱量好的鈷藍(lán)，控制多功能分散機(jī)的轉(zhuǎn)速為800 r/min，同時(shí)加入適量分散劑、潤濕劑和多功能助劑，分散30 min，降低多功能分散機(jī)轉(zhuǎn)速至300r/min，加入適量消泡劑和增稠劑，低速分散10min后過濾，制得涂料。

建筑節(jié)能涂層的制備：將鋁板通過砂紙十字型打磨、水洗、無水乙醇除油、烘干等步驟處理備用，控制適當(dāng)?shù)膰娡繅毫蛧娝?，保持噴槍與鋁板垂直且相距30cm，在鋁板上均勻噴涂涂料；將石棉水泥板通過砂紙輕微打磨除去表面塵土及雜料備用，將涂料均勻刷涂在石棉水泥板表面；鋁板基材測量近紅外反射率、紅外法向發(fā)射率、CIE色度值，石棉水泥板基材測量隔熱性能，試板均置于室溫條件下7 d至完全干燥，干膜厚度為100mm左右。

1.3 測試與表征

采用X射線衍射儀分析鈷藍(lán)的物相晶型；采用紫外/可見光/近紅外分光光度計(jì)測量鈷藍(lán)及涂層的紫外/可見光/近紅外反射率；采用紅外輻射率測量儀測量涂層在8～14mm波段的法向發(fā)射率；采用涂層測厚儀測量涂層干膜厚度。

參照J(rèn)G/T 235-2014《建筑反射隔熱涂料》[14]，自制了涂層隔熱性能測試裝置，如圖1所示。采用275W紅外燈模擬太陽光進(jìn)行照射實(shí)驗(yàn)，測試時(shí)熱電偶每隔0.5min記錄1次樣板背面和箱體中心溫度，直到溫度達(dá)到平衡，待樣板和裝置冷卻至室溫，交換2塊試板的位置再測試1次，保證2次誤差不超過0.5℃。以時(shí)間為橫軸、溫度為縱軸做時(shí)間-溫度變化曲線，分析樣板的隔熱性能。樣板和箱體中心的平衡溫度越低，則涂層的隔熱效果越好。

圖1 反射隔熱性能測試裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 鈷藍(lán)性能分析

2.1.1 XRD分析

測試了鈷藍(lán)的XRD衍射譜圖，如圖2所示。由圖2可知，鈷藍(lán)分別在31.24°、36.80°、44.86°、49.12°、56.14°、59.34°、65.18°處存在尖銳的衍射峰，該顏料為Al、Co、O三相摻雜金屬氧化物，主晶相為Co(AlO2)2，晶型結(jié)構(gòu)為尖晶石型，晶型的形成是因?yàn)槠涓邷仂褵闹苽涔に?，?jīng)過高溫固相反應(yīng)后形成了離子摻雜且形成的晶型較為穩(wěn)定[15]。通過對XRD數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到鈷藍(lán)的晶胞參數(shù)和晶粒尺寸，結(jié)果如表2所示。由表2可知，鈷藍(lán)的晶粒度約為38.1nm。

圖2 鈷藍(lán)的XRD衍射圖譜

表2 鈷藍(lán)的晶胞參數(shù)和晶粒尺寸

2.1.2 反射率分析

圖3為鈷藍(lán)在紫外/可見光/近紅外波段（200～2500nm）的反射率曲線。由圖3可知，鈷藍(lán)的反射率在可見光和近紅外波段波動相當(dāng)大；在紫外區(qū)，鈷藍(lán)的紫外反射率隨紫外波長的增大基本呈現(xiàn)出線性增加的趨勢；在可見光區(qū)，鈷藍(lán)在波長436nm處和584nm處分別存在較強(qiáng)的反射峰和吸收峰，原因是鈷藍(lán)外觀呈現(xiàn)出深藍(lán)色，在可見光區(qū)吸收了較多深藍(lán)色光導(dǎo)致584nm處產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收峰；在近紅外區(qū)，鈷藍(lán)在986nm和1912nm處產(chǎn)生較強(qiáng)反射峰，但在1200～1500 nm和2220 nm左右均存在較強(qiáng)吸收峰。通過對鈷藍(lán)紫外/可見光/近紅外反射率曲線的分析處理，得出鈷藍(lán)在紫外/可見光/近紅外波段的反射率平均值，如表3所示。由表3可知，鈷藍(lán)在紫外和可見光波段平均反射率接近，都在33%以上，近紅外波段平均反射率為49.64%。

圖3 鈷藍(lán)的紫外/可見光/近紅外反射曲線

表3 鈷藍(lán)的紫外/可見光/近紅外平均反射率

2.2 涂層性能分析

2.2.1 反射率分析

測試了不同鈷藍(lán)摻量（10%，15%，20%，25%，30%）涂層的紫外/可見光/近紅外反射率，結(jié)果如圖4所示。對比圖3和圖4可知，涂層的光譜反射曲線變化趨勢與鈷藍(lán)自身反射圖譜基本趨于一致，不同的是，相比于鈷藍(lán)本身，涂層在紫外波段出現(xiàn)了較為明顯的吸收峰，原因是基料在紫外波段存在吸收所致；隨著鈷藍(lán)摻量的增加，涂層在920nm處左右的吸峰越來越明顯；通過對光譜反射曲線計(jì)算處理，得出涂層的紫外/可見光/近紅外平均反射率，結(jié)果如表4所示，由表4可知，隨著鈷藍(lán)摻量的增加，涂層的紫外和可見光波段的平均反射率基本不變，但近紅外平均反射率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)鈷藍(lán)摻量為15%時(shí)，涂層擁有最大近紅外平均反射率，為21.47%。

圖4 不同鈷藍(lán)摻量涂層的反射率曲線

表4 不同鈷藍(lán)摻量涂層的平均反射率

2.2.2 法向發(fā)射率分析

物體在8～14mm波段的紅外發(fā)射率和測量角度有關(guān)，本文以法向發(fā)射率作為涂層在8～14mm波段的紅外發(fā)射率，探究不同摻量鈷藍(lán)對涂層8～14mm波段的紅外發(fā)射率影響。測試了不同鈷藍(lán)摻量（10%，15%，20%，25%，30%）涂層在8～14mm波段的法向發(fā)射率，結(jié)果如表5所示。由表5可知，不同鈷藍(lán)摻量對涂層8～14mm波段法向發(fā)射率影響較小，涂層的法向發(fā)射率始終保持在較高水平，不低于0.93，主要是因?yàn)橥繉又械募饩外捤{(lán)和基料的法向發(fā)射率均較高所致；隨著鈷藍(lán)摻量的增加，涂層在8～14mm波段的法向發(fā)射率略微升高，原因可以歸結(jié)為鈷藍(lán)摻量的增加導(dǎo)致涂層表面粗糙度略微升高，導(dǎo)致法向發(fā)射率升高，影響機(jī)理模型如圖5所示。由圖5可知，光線照射在凹凸不平的表面，發(fā)生多次反射，涂層就會多次吸收紅外線，這就增加了涂層對紅外線的吸收，根據(jù)基爾霍夫定律和能量守恒定律，對于熱平衡條件下，吸收率高的物體必然有高的發(fā)射率[15]，即物體的發(fā)射率會隨著表面粗糙度的升高而升高。

圖5 摻量影響發(fā)射率的機(jī)理模型

根據(jù)維恩位移定律，存在以下等式：

m×＝(1)

式中：m為一定溫度下絕對黑體的最大輻射值對應(yīng)的波長；為黑體溫度；為常數(shù)。由此可知，當(dāng)涂層溫度介于0℃～50℃之間時(shí)，最大輻射值對應(yīng)的波長就介于8.97～10.6mm之間，因此以8～14mm波段作為涂層輻射制冷的大氣窗口[16]。高紅外輻射率有助于將涂層吸收的太陽熱能以熱輻射的方式散掉，產(chǎn)生一定的降溫節(jié)能效果[17]。

表5 不同鈷藍(lán)摻量涂層的紅外發(fā)射率

2.2.3 CIE色度值分析

利用精密色差儀測試了不同鈷藍(lán)摻量（10%，15%，20%，25%，30%）涂層的CIE 1976（*、*、*、*）色度值，結(jié)果列于表6。從表6可以看出，隨著鈷藍(lán)摻量的增加：涂層的*呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，表明隨著鈷藍(lán)摻量的增加，涂層明度先增大后減小，當(dāng)鈷藍(lán)摻量為15%時(shí)，涂層的*最高，為34.50；*逐漸增大，表明鈷藍(lán)摻量的增加可以使涂層綠色相變淡，紅色相略為加深；*先減小后增加，表明隨著鈷藍(lán)摻量的增加，涂層色彩飽和度先減小后增加。

表6 不同鈷藍(lán)摻量涂層的CIE色度值

2.2.4 SEM圖分析

將近紅外平均反射率最高的涂層（鈷藍(lán)摻量為15%）用液氮脆斷，進(jìn)行表面噴金處理，用掃描電子顯微鏡分別放大2000倍和5000倍，觀察涂層斷面形貌，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，涂層發(fā)生的是韌性斷裂，具有較好的柔韌性；涂層中可見納米級二氧化硅粒子和微米級片狀鈷藍(lán)粒子均勻分布在涂層中，兩種粒子周圍吸附了致密的復(fù)合乳液，形成了良好的涂層材料；兩種粒子與復(fù)合乳液間作用力較大，即使在外力（液氮脆斷）作用下，仍未脫離復(fù)合乳液，符合涂層材料要求。

圖6 鈷藍(lán)摻量15%涂層斷面SEM圖

2.2.5 隔熱性能分析

測試了鈷藍(lán)摻量15% 的試板背面（a）及空白石棉水泥板背面（b）及箱體中心（c）的溫度，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，3種位置均在約15min后達(dá)到溫度平衡，此時(shí)的溫度稱為平衡溫度，其中，空白石棉水泥板平衡溫度最高，約為72.9℃；鈷藍(lán)摻量15%的試板背面平衡溫度及箱體中心平衡溫度分別為65.4℃和63.1℃，分別比空白石棉水泥板低7.5℃和9.8℃，具有較好的隔熱性能。

圖7 涂層和箱體中心溫度溫度變化曲線

雖然鈷藍(lán)摻量15%涂層的可見光/近紅外平均反射率并不高，但從隔熱效果來看，鈷藍(lán)摻量15%涂層的隔熱性能較優(yōu)異，分析其原因是鈷藍(lán)摻量15%涂層在8～14mm波段法向發(fā)射率較高，涂層表現(xiàn)為高輻射散熱，仍能彌補(bǔ)較低可見光/近紅外平均反射率的缺陷，由此也可以看出，優(yōu)異的隔熱性能和可見光/近紅外高平均反射率并無絕對的關(guān)聯(lián)性。

3 結(jié)論

鈷藍(lán)的晶型結(jié)構(gòu)為尖晶石型，近紅外平均反射率為49.64%；當(dāng)鈷藍(lán)摻量為15%時(shí)，涂層近紅外平均反射率最高，為21.47%；不同鈷藍(lán)摻量涂層在8～14mm波段法向發(fā)射率始終保持在0.93以上，且基本不受鈷藍(lán)摻量的影響；當(dāng)鈷藍(lán)摻量為15%時(shí)，涂層試板背面平衡溫度比空白石棉水泥板低7.5℃，箱體中心平衡溫度為63.1℃，隔熱性能較好。

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Preparation and Properties of Dark Blue Building Energy Saving Coatings

YANG Guang，DENG Anzhong

(,401331,)

To reduce energy consumption of buildings,dark blue building energy saving coatings were prepared by using flake cobalt blue as pigment and modified silica sol-styrene acrylic emulsion as adhesive. The influence of the cobalt blue on the properties of the coatings were then tested and characterized by using XRD diffraction, ultraviolet/visible/near infrared spectrophotometry,infrared emissivity measurement, and precision chromatic meter techniques. A custom-madeinfrared lamp to simulate sunlight heating was used to analyze the properties ofheat insulation. The results demonstrate that the average near infrared reflectance of cobalt blue is 49.64% and the average near infrared reflectance of the coatings is 21.47% when thecontent ofcobalt blue is 15%.Meanwhile, the normal infrared emissivity of the coatings inthe 8-14μm wave band is as high as 0.96. The equilibrium temperature ofthe reverse side of the plate coating is 7.5℃ lower than that of blank asbestos cement. Thus,the effective heat resistance obtainedwith this coating is impressive.

building energy saving，cobalt blue，reflectance，normal infrared emissivity，CIE colorimetric data

TQ637.6

A

1001-8891(2017)10-0966-06

2016-11-29；

2017-03-20.

楊光（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能涂層，E-mail：262567429@qq.com。