3種黃色顏料對(duì)太陽熱反射隔熱涂層性能的影響

楊光，鄧安仲*

（中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401331）

3種黃色顏料對(duì)太陽熱反射隔熱涂層性能的影響

楊光，鄧安仲*

（中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401331）

分別以冷顏料(鈦鉻黃和鎳鈦黃)和傳統(tǒng)顏料(鐵黃)制備了太陽熱反射隔熱涂層，探究了顏料晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能對(duì)涂層性能的影響。采用X射線衍射儀、紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)、紅外輻射率測(cè)量?jī)x和精密色差儀表征了顏料和涂層的晶體結(jié)構(gòu)、反射比、半球發(fā)射率和明度，采用紅外燈模擬太陽熱源測(cè)試了涂層的隔熱性能。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)鐵黃相比，黃色冷顏料由于晶體缺陷較少而具有更優(yōu)異的反射性能。鎳鈦黃顏料所制涂層的隔熱性能最佳。鐵黃顏料晶體缺陷最多，導(dǎo)致其近紅外反射比最低，所制涂層的隔熱性能最差。3種涂層的半球發(fā)射率均在0.90以上，差別很小，具有較好的輻射散熱性能。

太陽熱反射隔熱涂層；冷顏料；反射比；半球發(fā)射率；晶體結(jié)構(gòu)；晶粒尺寸

每分鐘約有1.06 × l019J太陽能傳遞給地球[1]，其中95%的能量集中在可見光(400 ～ 700 nm)和近紅外(700 ～ 2 500 nm)波段[2]，強(qiáng)烈的熱輻射給建筑、油罐等設(shè)施帶來溫度過高等弊端。太陽熱反射隔熱涂層是一種可反射部分可見光和近紅外線的功能型涂層，能起到一定的隔熱降溫作用，已應(yīng)用于建筑節(jié)能、軍事紅外隱身等領(lǐng)域[3-5]，具有廣闊的發(fā)展前景。

太陽光反射隔熱涂層主要由成膜基料和顏料組成。其中成膜基料將顏料和被涂覆基材粘接起來，并賦予涂層基本的力學(xué)性能。而顏料是決定涂層隔熱性能的關(guān)鍵，要求其近紅外/半球發(fā)射率高，導(dǎo)熱系數(shù)低[6]。金紅石型二氧化鈦雖然近紅外反射比較高，但白色涂層不符合現(xiàn)代應(yīng)用背景的需求，并且其耐沾污性差。有機(jī)彩色顏料雖然色彩鮮艷，但是存在耐候性、耐化學(xué)性、近紅外反射比不佳等缺陷，無法滿足需求。冷顏料是一種彩色復(fù)合無機(jī)顏料(complex inorganic color pigment)，在制備過程中通過高溫固相反應(yīng)或溶膠?凝膠等方法來提高其近紅外波段的反射比，從而增強(qiáng)隔熱效果[7-8]。近年來關(guān)于冷顏料應(yīng)用于太陽熱反射隔熱涂層方面的研究較多，但基本集中于冷顏料的配比優(yōu)化與復(fù)配[9-10]，鮮有關(guān)于冷顏料和傳統(tǒng)顏料對(duì)太陽熱反射隔熱涂層性能的影響方面的報(bào)道。本文選取顏色相近的冷顏料(鈦鉻黃和鎳鈦黃)與傳統(tǒng)顏料(鐵黃)，探究了顏料本身的晶體結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能對(duì)涂層反射隔熱等性能的影響，為顏料篩選奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 材料

503苯丙乳液，固含量48%，廣東德潤(rùn)德；鈦鉻黃B2405(平均粒徑約2.0 μm)、鎳鈦黃B5302(平均粒徑約1.5 μm)，湖南巨發(fā)；鐵黃S313(平均粒徑約1.0 μm)，上海一品；增稠劑SN-162，日本諾普科；消泡劑L-1311，美國(guó)亞什蘭；分散劑BYK-163，德國(guó)畢克；成膜助劑Texanol，美國(guó)伊士曼。以上所有材料均為工業(yè)品。去離子水自制。

1. 2 色漿的制備

為改善3種顏料在涂料中的分散性以及減輕顏料顆粒團(tuán)聚，分別將20.0 g三種顏料與20.0 g去離子水混合，攪拌均勻后加入0.4 g分散劑，再置于三輥研磨機(jī)中研磨15 min后過濾，得到色漿備用。

1. 3 涂料的制備

分別向盛有色漿的燒杯中加入100 g苯丙乳液和適量成膜助劑，機(jī)械分散5 min后再加入適量消泡劑和1.8 g增稠劑，低速分散15 min，過濾制得3種涂料。為便于噴涂，它們的黏度控制在30 mm2/s左右。

1. 4 太陽熱反射隔熱涂層的制備

將適量涂料注入噴涂裝置，設(shè)置噴涂壓力為0.3 MPa，保持噴槍與基材垂直相距300 mm，在鋁板(100 mm × 80 mm × 1 mm)和石棉水泥板(150 mm × 70 mm × 5 mm)表面均勻噴涂涂料，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件[(23 ± 2) °C，相對(duì)濕度50% ± 5%]下養(yǎng)護(hù)168 h至完全干燥，干膜厚度約為40 μm。

1. 5 儀器與表征

采用日本島津的XRD-6100型X射線衍射儀(XRD)分析顏料的晶體結(jié)構(gòu)，掃描范圍為10° ～ 80°，掃描速率4°/min，步長(zhǎng)0.02°/s。采用日本日立的U-4100型紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)測(cè)量顏料和涂層的太陽光(400 ～ 2 500 nm)和近紅外(780 ～ 2 500 nm)的反射比ρ(λ)，用BaSO4進(jìn)行基線校準(zhǔn)。采用北方馳宏光電的HWF-2型紅外輻射率測(cè)量?jī)x測(cè)量顏料和涂層在8 ～ 14 μm波段的半球發(fā)射率，測(cè)量前先設(shè)定黑體溫度為227 °C，待溫度穩(wěn)定后插上8 ～ 14 μm濾波片，用3塊標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)，涂層可直接測(cè)量，顏料需壓成5 cm × 5 cm圓片后再測(cè)量。采用上海漢譜光的HP-200型精密色差儀測(cè)量明度L*。參照J(rèn)G/T 235–2014《建筑反射隔熱涂料》用自制裝置(如圖1所示)測(cè)試涂層的隔熱性能，以275 W紅外燈模擬太陽光進(jìn)行照射，通過熱電偶每5 min記錄一次樣板背面的溫度，直到溫度達(dá)到平衡，2次誤差不超過0.5 °C。

圖1 隔熱性能測(cè)試裝置Figure 1 Device for testing thermal insulation performance

2 結(jié)果與討論

2. 1 顏料的晶體結(jié)構(gòu)和反射性能

2. 1. 1 晶體結(jié)構(gòu)

3種顏料的XRD譜圖如圖2所示。在鈦鉻黃和鎳鈦黃這兩種冷顏料的譜圖中基本無雜峰，可見它們的雜質(zhì)、缺陷較少，結(jié)晶度較好。而在鐵黃顏料的譜圖中出現(xiàn)了一定的雜峰，說明它的雜質(zhì)、缺陷較多。通過Jade軟件進(jìn)行分析計(jì)算，可得鈦鉻黃和鎳鈦黃的主晶相分別為CrTiSbO6和NiTiSbO6，它們均為摻雜多種金屬元素的金紅石型氧化物，具有不同的晶粒尺寸，前者為96.9 nm，后者為72.9 nm，均大于鐵黃的44.3 nm。針鐵礦型的鐵黃的主晶相是FeO(OH)。

圖2 3種顏料的XRD譜圖Figure 2 XRD patterns of three pigments

2. 1. 2 反射性能

3種顏料在可見光、近紅外和全波段的反射比見圖3和表1。雖然它們均為黃色系顏料，但在可見光波段上的平均反射比存在差異，主要是受其明度影響。明度較高的顏料的可見光反射比較高。而在近紅外波段，鐵黃具有比冷顏料更低的平均反射比，而2種冷顏料彼此間的平均反射比也有較大差異。這可從以下兩方面解釋：

(1) 顏料的晶體結(jié)構(gòu)是影響其近紅外反射比的重要原因之一。雜質(zhì)和缺陷均可導(dǎo)致顏料吸收近紅外光[11]，晶體缺陷少，對(duì)近紅外光的吸收就越少，反射比也就越高。因此缺陷較多的鐵黃的近紅外反射比較低。

(2) 顏料的晶粒尺寸也會(huì)影響其近紅外反射比。根據(jù)粒子對(duì)光的散射理論[12]，晶粒尺寸較大時(shí)，相同體積下顏料粒子的數(shù)目更少，近紅外光在粒子間的多重散射隨之變少，進(jìn)而吸收變少，近紅外反射比就越高。因此晶粒尺寸較大的鈦鉻黃的反射比高于鎳鈦黃的反射比。

圖3 3種顏料的可見光/近紅外反射光譜Figure 3 Vis-NIR reflection spectra of three pigments

表1 3種顏料的平均反射比以及明度Table 1 Average reflectance and luminosity of three pigments

2. 2 顏料對(duì)光譜選擇性散熱涂層性能的影響

2. 2. 1 反射性能

3種涂層的可見光、近紅外和全波段反射比如圖4和表2所示。在可見光波段，與顏料類似，涂層的明度仍是影響平均反射比的主要因素，明度越大，平均反射比越高。在近紅外波段，鐵黃涂層的平均反射比最低。這一方面是因?yàn)轭伭媳旧淼钠骄瓷浔容^低，另一方面是因?yàn)楦鶕?jù)折射率理論[13]，當(dāng)顏料和成膜基料的折射率差別越大時(shí)，涂層的平均反射比越高。鐵黃的折射率約為1.9，苯丙乳液的折射率為1.5，兩者差別不大。雖然鈦鉻黃顏料的平均反射比高于鎳鈦黃，但對(duì)應(yīng)涂層的平均反射比卻略低于鎳鈦黃。這是因?yàn)椋m然鈦鉻黃的折射率(2.9)比鎳鈦黃的折射率(2.8)略高，但其單位體積涂層內(nèi)的顏料粒子的數(shù)量較少，因此顏料折射率對(duì)涂層平均反射比的影響更小。

圖4 3種涂層的可見光/近紅外反射光譜Figure 4 Vis-NIR reflection spectra of three coatings

表2 3種涂層的平均反射比和明度Table 2 Average reflectance and luminosity of three coatings

2. 2. 2 輻射散熱性能

根據(jù)韋恩位移定律[14]有λm· θ = b，其中λm為一定溫度下絕對(duì)黑體的最大輻射值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，θ為對(duì)應(yīng)的黑體溫度，b為常數(shù)。當(dāng)涂層的表面溫度介于0 ～ 50 °C之間時(shí)，最大輻射值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)就在8.97 ～ 10.60 μm之間，因此以8 ～ 14 μm波段作為涂層輻射制冷的大氣窗口[15]。涂層在此波段的半球發(fā)射率可近似代表其輻射散熱性能。測(cè)得鈦鉻黃、鎳鈦黃和鐵黃顏料在該波段的半球發(fā)射率分別為0.90、0.90和0.89，差別不大，對(duì)應(yīng)涂層的半球發(fā)射率依次為0.92、0.92和0.91，輻射散熱性能也基本相同。由此可知，與傳統(tǒng)顏料相比，冷顏料對(duì)涂層的輻射散熱性能影響不大。

2. 2. 3 隔熱性能

將不同顏料制備的涂料均勻噴涂在石棉水泥板上，以紅外燈照射，記錄溫度?時(shí)間變化曲線，結(jié)果如圖5所示。4塊試板均在15 min左右達(dá)到平衡溫度，其中空白石棉水泥板由于表面無涂層，吸收紅外光較多而平衡溫度最高。其他3塊試板由于表面涂層具有一定的近紅外反射性能和輻射散熱性能，因此平衡溫度較低。2種冷顏料涂層的平衡溫度比傳統(tǒng)鐵黃涂層的平衡溫度更低。這可用如圖6所示的隔熱原理來解釋。由于鈦鉻黃對(duì)涂層反射比的影響不如鎳鈦黃大，因此其所制涂層的平衡溫度較鎳鈦黃涂層略高，而鐵黃涂層由于所用顏料本身反射性能不佳且與苯丙乳液折射率的差別較小，涂層反射性能不及冷顏料涂層試板，因此平衡溫度較高。

圖5 不同涂層和空白板的溫度?時(shí)間曲線Figure 5 Temperature vs. time curves for different coatings and blank panel

圖6 不同涂層的隔熱原理Figure 6 Schematic diagram showing the thermal insulation principles of different coatings

3 結(jié)論

(1) 用傳統(tǒng)黃色顏料鐵黃與鈦鉻黃和鎳鈦黃這2種黃色冷顏料制備了太陽光反射隔熱涂層。與傳統(tǒng)顏料相比，冷顏料具有更好的熱反射性能。明度是影響顏料可見光平均反射比的主要原因，而晶粒尺寸更大的2種冷顏料具有比鐵黃顏料更優(yōu)異的近紅外反射性能。

(2) 鎳鈦黃涂層的全譜反射性能優(yōu)于鈦鉻黃涂層，而鐵黃涂層的全譜反射性能最差。

(3) 3種涂層在8 ～ 14 μm波段的半球發(fā)射率基本一致，即顏料類型對(duì)涂層輻射散熱性能的影響較小。

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[ 編輯：杜娟娟 ]

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Influence of three kinds of yellow pigment on properties of solar heat reflecting insulation coating

YANG Guang, DENG An-zhong*

Solar heat reflecting insulation coatings were prepared using cool pigments (titanium chrome yellow and nickel titanium yellow) and traditional pigment (iron oxide yellow), respectively. The effects of crystal structure and optical properties of pigments on the properties of coatings were studied. The crystal structure, reflectance, hemispherical emittance and brightness were characterized by X-ray diffractometer, ultraviolet/visible/near infrared spectrophotometer, infrared radiometer and precision colorimeter. The heat insulation performance of the coatings was tested by simulating sunlight using an infrared lamp. The results showed that yellow cool pigments exhibit better reflective property due to its fewer crystal defects as compared with the traditional iron oxide yellow. The coating prepared by nickel titanium yellow presents the best thermal insulation property. The coating prepared by iron oxide yellow has the lowest near-infrared reflectance and worst thermal insulation property due to its most crystal defects. All the hemispherical emittance of three types of coatings is higher than 0.90 with little difference, indicating a good heat radiation property.

solar heat reflecting insulation coating; cool pigment; reflectance; hemispherical emittance; crystal structure; grain size

Logistic Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China

10.19289/j.1004-227x.2017.14.002

TQ630.7

：A

：1004 – 227X (2017) 14 – 0731 – 05

2016–12–30

2017–03–24

楊光（1990–），男，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生，主要從事建筑節(jié)能材料方面的研究。

鄧安仲，教授，(E-mail) denglin929@126.com。