多色系復(fù)合型建筑節(jié)能涂層的制備及性能

楊光，鄧安仲*

（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401331）

多色系復(fù)合型建筑節(jié)能涂層的制備及性能

楊光，鄧安仲*

（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401331）

將含空心玻璃微珠和二氧化鈦的阻隔型涂層作為底面涂層，含不同顏料(包括復(fù)合鈦紅、鐵鋅鉻棕、群青、鐵鉻黑和鉻綠)的反射型涂層作為表面涂層，制備了底/表面多色系復(fù)合型建筑節(jié)能涂層，并探究了顏料摻量對涂層性能的影響。采用紫外/可見/近紅外分光光度計、紅外輻射率測量儀、精密色差儀和掃描電鏡表征了涂層的反射比、半球發(fā)射率、明度和表面形貌。結(jié)果表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的反射性能好于單涂層。當(dāng)顏料摻量為20%時，所有色系的復(fù)合涂層的太陽光反射比均最高，反射比、半球發(fā)射率等性能也都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

建筑節(jié)能涂層；顏料；二氧化鈦；空心玻璃微珠；苯丙乳液；復(fù)合結(jié)構(gòu)；反射比

統(tǒng)計表明，建筑能耗通常會占到城市總能源消耗的40%[1]，居各類能耗之首。開發(fā)和推廣應(yīng)用具有良好節(jié)能效果的建筑材料，不僅有利于提高建筑物的保溫隔熱性，改善室內(nèi)居住環(huán)境，而且可以節(jié)約能源，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。建筑節(jié)能涂料是一種功能性涂料[2]，能有效阻止熱傳導(dǎo)，降低建筑表面溫度，進(jìn)而降低室內(nèi)溫度，從而達(dá)到降低能耗的目的。Zinzi[3]使用能耗軟件分析了自制多色系建筑節(jié)能涂層與市售顏色相近的普通外墻涂層在不同天氣條件下使用的能耗，認(rèn)為涂層的太陽光反射比是影響能耗的主要因素，使用建筑節(jié)能涂層的建筑與使用普通外墻涂層的建筑之間的室內(nèi)溫差最大可達(dá)6 °C。

建筑節(jié)能涂層按照節(jié)能機(jī)理分為3類──阻隔型、反射型和輻射型[4]。目前報道的建筑節(jié)能涂料多以單純的阻隔型或反射型居多，關(guān)于阻隔?反射復(fù)合型方面的文獻(xiàn)較少。本文將含空心微珠和二氧化鈦的阻隔型涂層作為底層，再選取5種不同色系的顏料制備了反射型涂層作為表層，制備了多色系底/表面復(fù)合型建筑節(jié)能涂層，探討了顏料摻量對其性能的影響。

1 實驗

1. 1 原料

苯丙乳液601(固含量48%)，德國巴斯夫；復(fù)合鈦紅R3002(平均粒徑2.5 μm)、鐵鋅鉻棕B3301(平均粒徑5.5 μm)、鐵鉻黑A2901(平均粒徑3.5 μm)，湖南巨發(fā)；群青5008(平均粒徑6.5 μm)，英國好利得；鉻綠GN-M(平均粒徑2.0 μm)，德國拜耳；金紅石型二氧化鈦R902+(平均粒徑300 nm)，美國杜邦；空心玻璃微珠VS-5500(平均粒徑65 μm)，美國3M；成膜助劑Texanol，美國伊士曼；分散劑BYK-163，德國畢克；消泡劑L-1311，美國亞什蘭；增稠劑SN-162，日本諾普科。以上均為工業(yè)品。去離子水，自制；100 mm × 80 mm × 1 mm鋁板，市售。

1. 2 底面涂料的制備

將50 g二氧化鈦和50 g去離子水混合均勻，加入2 ～ 4 g分散劑，砂磨(800 r/min)5 min后過濾得到白色色漿，再稱取50 g白色色漿加入500 g苯丙乳液中，控制分散機(jī)的轉(zhuǎn)速為800 r/min，分散20 min。為防止空心玻璃微珠破碎，降低轉(zhuǎn)速至200 r/min后加入25 g空心微珠，再加入2 ～ 4 g消泡劑和3 ～ 6 g增稠劑，繼續(xù)分散5 min后出料。

1. 3 表面涂料的制備

分別稱取200 g復(fù)合鈦紅、鐵鋅鉻棕、群青、鐵鉻黑和鉻綠顏料與200 g去離子水混合均勻，控制砂磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為800 r/min，加入4 ～ 8 g分散劑并砂磨5 min后過濾，得到紅色、棕色、藍(lán)色、黑色和綠色5種色漿。每種色漿都分別稱取25、50、75和100 g(顏料對應(yīng)摻量依次為5%、10%、15%和20%)加到500 g苯丙乳液中，在800 r/min下分散30 min后加入4 ～ 8 g消泡劑和4 ～ 8 g增稠劑，出料。

1. 4 復(fù)合涂層的制備

在鋁板表面刷涂底/表面涂料，待底面涂料表干后，再在其表面刷涂表面涂料，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件[(23 ± 2) °C，相對濕度50% ± 5%]下168 h，控制底面涂層的干膜厚約200 μm，表面涂層的干膜厚約50 μm。為進(jìn)行對比，按同樣工藝制備了單表面和單底面涂層。

1. 5 表征與性能測試

采用澳大利亞安捷倫的Cary-5000型紫外/可見/近紅外分光光度計測量顏填料及涂層的太陽光(400 ～ 2 500 nm)和近紅外(780 ～ 2 500 nm)波段的反射比ρ(λ)，使用聚四氟乙烯進(jìn)行基線校準(zhǔn)。采用上海漢譜光電科技有限公司的HP-200精密色差儀測量涂層的明度L*。參照J(rèn)G/T 235–2014《建筑反射隔熱涂料》測試涂層的太陽光反射比、近紅外反射比，以及污染后和人工氣候老化后的太陽光反射比變化率，分別記為TSR、NIR、?TSRW和?TSRL。采用日本日立公司的SN-3700N型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層的斷面微觀形貌：將涂層從玻璃板上剝離后用液氮脆斷，真空噴金處理后得到金相樣品置于掃描電鏡內(nèi)放大300倍觀察。

2 結(jié)果與討論

2. 1 顏填料的反射比

可見光和近紅外光占整個太陽光波段的95%，顏填料在此波段中的反射比對分析對應(yīng)涂層的反射性能具有重要的參考價值。本文所用顏填料的反射光譜如圖1所示，可見所有反射比曲線均存在一些反射峰，這是由于顏料中的離子受光照后發(fā)生不同程度的電子躍遷所致。計算得出顏填料的太陽光波段和近紅外波段的反射比列于表1。所有顏填料的太陽光反射比均略低于其近紅外反射比，原因是顏料需要吸收部分可見光才能表現(xiàn)出顏色。

表1 顏填料的反射比Table 1 Reflectance of pigments and fillers

2. 2 多色系復(fù)合型建筑節(jié)能涂層的性能

2. 2. 1 明度

不同色系復(fù)合型建筑節(jié)能涂層的明度列于表2。根據(jù)JG/T 235–2014的規(guī)定，綠色、棕色、藍(lán)色和黑色系涂層都是低明度(L*≤40)，其中黑色系涂層的明度最低，而紅色系涂層的明度最高，屬于中明度(40 < L* < 80)。

表2 不同顏色的復(fù)合涂層的明度Table 2 Luminosity of composite coatings with different colors

2. 2. 2 反射比

涂層的反射性能不僅與材料本身的性能密切相關(guān)，而且與涂層結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)聯(lián)。摻量均為20%的不同顏料所制涂層的反射光譜如圖2所示。不同色系涂層的反射比曲線差異較大，尤其是在可見光(300 ～ 780 nm)和近紅外短波(780 ～ 1 200 nm)波段?？梢姽獠ǘ蔚牟町愂且驗橥繉訛轱@示不同的顏色而反射了不同波長的可見光，近紅外短波波段的差異則主要是由于涂層中的顏料在吸收近紅外短波后發(fā)生不同程度的電子躍遷。由反射比曲線計算得到涂層的反射比列于表3?？芍型繉拥姆瓷湫阅芫系兔鞫韧繉有铦M足的TSR≥0.25、NIR≥0.40、?TSRL≤5%(對中明度涂層要求一樣)以及中明度涂層需滿足的TSR≥0.40、NIR≥(L*/100)、?TSRW≤15%(低明度涂層無此要求)的規(guī)定。當(dāng)顏料摻量為20%時，所有色系的復(fù)合涂層的太陽光反射比均最高，反射性能最強(qiáng)，且好于同樣顏料摻量的單表面涂層(紅色的TSR = 0.626 9、NIR = 0.681 5；棕色的TSR = 0.481 6、NIR = 0.553 3；藍(lán)色的TSR = 0.338 7、NIR = 0.406 5；黑色的TSR = 0.343 0、NIR = 0.406 1；綠色的TSR = 0.429 7、NIR = 0.495 7)和單底面涂層(TSR = 0.825 3、NIR = 0.799 4)，這是因為采用復(fù)合型結(jié)構(gòu)可使透過涂層的光線被二次反射，所以涂層的反射比得到進(jìn)一步提高，與文獻(xiàn)報道[5-7]一致。不同色系涂層的近紅外反射比均略高于其太陽光反射比，主要原因是涂層具有一定的顏色而需吸收部分可見光。隨著顏料摻量增多，對應(yīng)色系涂層的太陽光反射比增大。這是因為涂層的反射比受其中的顏料粒子總反射比的影響較大，增大顏料摻量可增加涂層中顏料粒子的數(shù)量，進(jìn)而增大了涂層中顏料粒子的總反射比，涂層反射太陽光的能力增強(qiáng)，所以宏觀上表現(xiàn)為太陽光反射比增大。

圖2 顏料摻量為20%時不同顏色復(fù)合涂層的反射光譜Figure 2 Reflection spectra of different colored composite coatings containing 20% of pigment

2. 2. 3 半球發(fā)射率

根據(jù)韋恩位移定律[8]λm· θ = b，其中λm為一定溫度下絕對黑體的最大輻射值對應(yīng)的波長，θ為對應(yīng)的黑體溫度，b為常數(shù)。當(dāng)涂層表面的溫度介于0 ～ 50 °C時，最大輻射值對應(yīng)的波長就在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，涂層在此波段的半球發(fā)射率ε可近似代表其輻射散熱性能。測試了多色系復(fù)合型建筑節(jié)能涂層的半球發(fā)射率，結(jié)果見表4?？梢婎伭蠐搅繉ν繉拥陌肭虬l(fā)射率影響不大，所有涂層的半球發(fā)射率都在0.85以上，滿足JG/T 235–2014的要求。這是因為苯丙乳液和顏料的半球發(fā)射率均較高，所以用它們制成的涂層也具有較高的半球發(fā)射率。

表3 顏料摻量為20%時不同顏色復(fù)合涂層的反射比Table 3 Reflectance of different colored composite coatings with 20% of pigment

表4 不同顏色復(fù)合涂層的半球發(fā)射率Table 4 Hemispherical emittance of different colored composite coatings

2. 2. 4 微觀形貌

圖3是鐵鉻黑摻量為20%的復(fù)合涂層斷面的掃描電鏡照片。在底面涂層中可見球形的空心微珠被復(fù)合乳液緊密包裹，由于空心微珠密度較小，在浮力作用下分布在涂層上方，形成了致密的隔熱層。由于放大倍率較小，圖中未見納米級二氧化鈦粒子。對于表面涂層來說，鐵鉻黑顏料被復(fù)合乳液緊緊包圍，即使在外力(液氮脆斷)作用下仍未脫離復(fù)合涂層，符合涂層材料要求。建筑節(jié)能涂層采用此復(fù)合型結(jié)構(gòu)，一方面具有較好的反射效果，另一方面涂層更致密，減小了吸收及透射的概率，增大了反射率。復(fù)合涂層的反射隔熱模型如圖4所示。

圖3 鐵鉻黑摻量為20%時所制復(fù)合涂層的SEM照片F(xiàn)igure 3 SEM image of the composite coating prepared with 20% of iron chrome black

圖4 復(fù)合涂層的反射隔熱模型Figure 4 Reflective insulation model for composite coating

2. 2. 5 綜合性能

為研究涂料的實用性，參照J(rèn)G/T 172–2014《建筑彈性涂料》和GB/T 9755–2014《合成樹脂乳液外墻涂料》分別測試了底面涂料和表面涂料的主要綜合性能，結(jié)果如表5所示?？梢娝仆苛系男阅芊舷嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足應(yīng)用要求。

表5 涂料的綜合性能Table 5 Comprehensive performances of coatings

3 結(jié)論

采用底/表面復(fù)合型結(jié)構(gòu)制備了紅、綠、棕、藍(lán)和黑這5種色系的復(fù)合型建筑節(jié)能涂層。當(dāng)顏料摻量為20%時，所制涂層的太陽光反射比最高，反射性能最強(qiáng)，且各項性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

[1] ZHONG K, FU H M, KANG Y M, et al. Indoor thermal conditions and the potential of energy conservation of naturally ventilated rooms in summer [J]. Energy and Buildings, 2012, 55: 183-188.

[2] ZINZI M, AGNOLI S. Cool and green roofs. An energy and comfort comparison between passive cooling and mitigation urban heat island techniques for residential buildings in the Mediterranean region [J]. Energy and Buildings, 2012, 55: 66-76.

[3] ZINZI M. Characterization and assessment of near infrared reflective paintings for building facade applications [J]. Energy and Buildings, 2016, 114: 206-213.

[4] SANTAMOURIS M, SYNNEFA A, KARLESSI T. Using advanced cool materials in the urban built environment to mitigate heat islands and improve thermal comfort conditions [J]. Solar Energy, 2011, 85 (12): 3085-3102.

[5] LEVINSON R, BERDAHL P, AKBARI H, et al. Methods of creating solar-reflective nonwhite surfaces and their application to residential roofing materials [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2007, 91 (4): 304-314.

[6] LEVINSON R, AKBARI H, BERDAHL P, et al. A novel technique for the production of colored concrete tile and asphalt shingle roofing products [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2010, 94 (6): 946-954.

[7] SLEIMAN M, KIRCHSTETTER T W, BERDAHL P, et al. Soiling of building envelope surfaces and its effect on solar reflectance—Part II: development of an accelerate aging method for roofing materials [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2014, 122: 271-281.

[8] 尹達(dá)人. 再論熱輻射體光譜“藍(lán)移”及“紅移”[J]. 紅外技術(shù), 2007, 29 (1): 1-3.

[ 編輯：杜娟娟 ]

《電鍍與涂飾》期刊全文數(shù)據(jù)光盤推介

本刊自1982年創(chuàng)刊至2014年所有過刊的全文內(nèi)容已制作成數(shù)據(jù)光盤，便于檢索和保存。

其中，1982?2011年為30年合刊，價格￥800元（含快遞郵費）。2011年、2012年、2013年、2014年、2015年分別有年度全文內(nèi)容數(shù)據(jù)光盤，價格均為￥100元（含快遞郵費）。現(xiàn)誠意向廣大讀者推介。

咨詢電話：020–61302803。

掃描關(guān)注雜志微信（ddyts1982），直接回復(fù)“光盤”，即可下單購買：

Preparation and properties of multicolored composite-type energy-efficient coatings for buildings

YANG Guang, DENG An-zhong*

A multicolored energy-efficient coating systems with a composite structure of primer + topcoat for buildings were prepared using insulation-type coatings with hollow glass microsphere and titania as primer and reflection-type coatings prepared with different pigments, including compound titanium red R30, pigment brown 33, ultramarine, iron chrome black and chrome green, as topcoat. The influence of pigment content on the properties of coatings was studied. The reflectance, hemispherical emittance, luminosity and surface morphology of the coatings were characterized by ultraviolet/visible/near infrared spectrophotometer, infrared radiometer, precision colorimeter and scanning electron microscope. The results showed that the reflectivity of coating with composite structure is better than that of a single coating. All the colored composite-type coatings have the highest reflectance when their pigment content is 20%, and their reflectance and hemispherical emittance can meet the requirement of relevant standards.

architectural energy-efficient coating; pigment; titania; hollow glass microsphere; styrene-acrylic emulsion; composite structure; reflectance

Logistic Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China

10.19289/j.1004-227x.2017.14.003

TQ630.7

：A

：1004 – 227X (2017) 14 – 0736 – 05

2017–01–18

2017–04–10

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。