彩色復(fù)合型反射隔熱涂層的制備及性能

楊 光

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彩色復(fù)合型反射隔熱涂層的制備及性能

楊 光

（中國人民解放軍 后勤工程學(xué)院，重慶 401331）

將空心微珠和二氧化鈦為填料的涂層做底層，反射型顏料的涂層做表層，制備了阻隔-反射彩色復(fù)合型反射隔熱涂層。采用紫外/可見/近紅外分光光度計、紅外發(fā)射率儀、精密色差儀和掃描電子顯微鏡對涂層性能進(jìn)行表征，自制隔熱性能測試裝置考察涂層的隔熱性能。結(jié)果表明，采用復(fù)合型涂層結(jié)構(gòu)可顯著提高涂層的太陽光反射比和隔熱性能，鉻綠、群青和鐵鉻黑顏料摻量分別為20%、20%和10%時，復(fù)合涂層的太陽光反射比較高，可達(dá)0.646 1、0.602 1和0.539 8，比相同顏料摻量的表層高40.82%、31.03%和58.67%，隔熱性能比相同顏料摻量的表層高2.5、1.9和2.8 ℃，其主要應(yīng)用性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

顏料；反射隔熱；反射比；半球發(fā)射率；涂層結(jié)構(gòu)；復(fù)合涂層

太陽擁有著巨大的能量，每分鐘有約1.06×l019J的能量傳遞給地球[1]，如此多的能量為人類生活提供了最基本的條件，但強(qiáng)烈的熱輻射也給我們的生活帶來很多弊端[2]，建筑外表、油罐外壁、軍事裝備等工作狀態(tài)很大程度上受太陽照射的影響[3]。為此，科研工作者紛紛投入到隔熱保溫材料方面的研究中。然而已較為常用的隔熱保溫材料如保溫砂漿和保溫隔熱泡沫板等存在著較多的缺陷[4]，降低了其隔熱保溫的效果。

反射隔熱涂層是一種薄層的功能型涂層，由于涂覆方便、不受基底材料類型的限制而逐漸成為人們關(guān)注的焦點。太陽光中可見光（380~780 nm）和近紅外（780~2 500 nm）占到了全光譜能量的95%，涂層如若在這兩個波段具有較高的近紅外反射率，則可反射部分致熱光線，降低其內(nèi)部的溫度，進(jìn)而達(dá)到隔熱降溫的效果。反射隔熱涂料可分為三種，阻隔型、反射型和輻射型，文獻(xiàn)[5]研究了涂層結(jié)構(gòu)對涂層性能的影響，認(rèn)為更改涂層結(jié)構(gòu)對涂層性能具有一定提升作用。

本文將空心玻璃微珠和金紅石型二氧化鈦為填料的阻隔型涂層作為底面涂層，將彩色反射型顏料的涂層作為表面涂層，制備了彩色的底-表面復(fù)合型反射隔熱涂層，探討涂層結(jié)構(gòu)和表面涂層中的顏料摻量對復(fù)合涂層性能的影響，旨在為新型反射隔熱涂層的應(yīng)用提供一定的借鑒意義。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

苯丙乳液601，德國巴斯夫，群青5008，英國好利得，鐵鉻黑A2901，湖南巨發(fā)，鉻綠GN-M德國拜耳，二氧化鈦R902+，美國杜邦，空心微珠VS5500，上海向嵐，增稠劑SN-612，日本諾普科，消泡劑L1311美國亞什蘭，分散劑BYK163，德國畢克，成膜助劑TEXANOL，美國伊士曼，均為工業(yè)品；去離子水，實驗室自制；鋁板（100 mm×80 mm×1 mm）和石棉水泥板（150 mm×70 mm×5 mm）均為市售。

1.2 實驗方法

底面涂層的制備：稱取25 g二氧化鈦與25 g去離子水混合，加入1.5 g分散劑，中速（800 r/min，下同）砂磨5 min 后過濾得色漿，稱取40 g色漿至400 g苯丙乳液中，滴入4 g成膜助劑，中速（800 r/min）分散20 min，加入20 g空心玻璃微珠，低速（200 r/min）分散5 min，加入適量消泡劑和增稠劑出料，將涂料刷涂在鋁板和石棉水泥板表面，室內(nèi)干燥7 d備用，涂層厚度約為300μm。

表面涂層的制備：分別稱取25、50、75和100 g群青、鐵鉻黑和鉻綠顏料，對應(yīng)與25、50、75和100 g去離子水混合，分別加入1.5、3、4.5和6 g分散劑，中速砂磨5 min后過濾得到藍(lán)色、黑色和綠色色漿，分別稱取40、80、120和160 g的三種色漿至400 g苯丙乳液中，滴入4 g成膜助劑，中速分散30 min，加入適量的消泡劑和適量的增稠劑出料，將涂料噴涂在鋁板和石棉水泥板表面，室內(nèi)干燥7 d備用，涂層厚度約為50μm。

復(fù)合涂層的制備：將表面涂料噴涂在干燥的底面涂層表面，室內(nèi)干燥7 d備用，涂層厚度約為350μm。

1.3 儀器與表征

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）反射比，分別記為TSR和NIR；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*；參照J(rèn)G/T 235—2014《反射隔熱涂料》測試涂層的人工氣候老化后涂層的太陽光反射比變化率△TSR；隔熱性能測試裝置如圖1所示，采用Philips GE 275R型275 W紅外燈進(jìn)行照射實驗，熱電偶每隔5 min記錄一次試板背面溫度，共記錄30 min；采用日本日立公司的SN-3700N型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察涂層的斷面微觀形貌（SEM）。

1—涂層試板；2 —熱電偶探針；3 —聚苯乙烯隔熱泡沫；4—紅外燈；5 —溫度采集器

2 結(jié)果與討論

2.1 顏填料的反射比

涂層中的顏填料的反射比是影響其反射隔熱性能的主要因素，為此，測試了所用顏填料的近紅外和太陽光反射比，結(jié)果如圖2和表1所示，由圖2和表1可知，底面涂層用二氧化鈦和空心微珠具有十分優(yōu)異的光譜反射特性，全波段反射比分別達(dá)到0.840 7和0.627 3，這是因為兩種顏填料外觀均為白色，可反射大部分的太陽光，因此具有較高的反射比；表面涂層用三種顏料由于呈現(xiàn)出黑色、藍(lán)色（對應(yīng)特征反射峰的波長約為435~450 nm）或綠色（對應(yīng)特征反射峰的波長約為492~577 nm）而對可見光近乎完全的吸收或幾乎僅反射對應(yīng)顏色波長的可見光，因此拉低了三種顏料全波段反射比，群青、鐵鉻黑和鉻綠顏料的太陽光反射比分別為0.567 1、0.495 7和0.386 9。

圖2 顏填料的反射率曲線

表1 顏填料的反射比

2.2 涂層結(jié)構(gòu)對涂層性能的影響

2.2.1 太陽光反射比

為探究涂層結(jié)構(gòu)對三種涂層反射比的影響，測量了以群青、鐵鉻黑和鉻綠為顏料的表面涂層和復(fù)合涂層的太陽光反射比，結(jié)果如表2所示，其中顏料摻量為20%的涂層反射比曲線如圖3所示，由圖3可知，采用復(fù)合型涂層結(jié)構(gòu)并未改變涂層在可見光波段的特征顏色反射峰，可進(jìn)一步證實涂層的外觀顏色并未發(fā)生較大改變；由表2可知，鉻綠、群青和鐵鉻黑顏料摻量分別為20%、20%和10%時，復(fù)合涂層的太陽光反射比較高（字體加粗?jǐn)?shù)據(jù)），分別可達(dá)0.646 1、0.602 1和0.539 8，分別比單一表面涂層高40.82%、31.03%和58.67%，由此可見，采用復(fù)合型涂層結(jié)構(gòu)可顯著提高三種表面涂層的反射比。

圖3 顏料摻量為20%的涂層反射比曲線

表 2 涂層反射比

注：△為相同顏料摻量下涂層的太陽光反射比增加量。

以鐵鉻黑摻量為20%復(fù)合涂層斷面的SEM圖（圖4）為例，分析復(fù)合型涂層結(jié)構(gòu)提升涂層反射比的原因，由圖4可見，下半部分為底面涂層，其中可見球形的空心微珠被復(fù)合乳液緊密包裹，即使在液氮脆斷的外力作用下仍未脫離涂層，由此可見空心微珠和苯丙乳液結(jié)合十分緊密，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，因此可以起到較好的隔熱效果，但由于放大倍率較小，圖中未見納米級二氧化鈦粒子，空心微珠和二氧化鈦可將透過表面涂層的太陽光進(jìn)行二次反射，與文獻(xiàn)[6]結(jié)果一致；上半部分為表面涂層，其中的反射型顏料可起到反射太陽光的作用；復(fù)合涂層據(jù)此涂層結(jié)構(gòu)可達(dá)到底層隔熱，表層反射的效果，涂層致密減小了吸收及透射幾率，增大了反射幾率，根據(jù)圖4畫出復(fù)合涂層隔熱模型，如圖5所示。

2.2.2 輻射燃熱性能

根據(jù)韋恩位移定律[7]：

式中，λm為一定溫度下絕對黑體的最大輻射值對應(yīng)的波長，T為對應(yīng)的黑體溫度，b為常數(shù)。由此可知，當(dāng)涂層表面溫度介于0~50 ℃之間時，最大輻射值對應(yīng)的波長就介于8.97~10.6μm之間，因此8~14μm波段為涂層輻射制冷的窗口，涂層在此波段的半球發(fā)射率可反映其輻射散熱性能。

圖5 復(fù)合涂層反射隔熱模型

測試了三種涂層的半球發(fā)射率，結(jié)果如圖6所示，由圖6可知，涂層結(jié)構(gòu)對涂層的半球發(fā)射率影響較小，三種涂層的半球發(fā)射率均處在較高的水平，具有較好的輻射散熱性能。

圖6 復(fù)合涂層的半球發(fā)射率

2.2.3 隔熱性能

采用圖1的隔熱性能測試裝置對三種顏料摻量為20%的涂層進(jìn)行了隔熱性能測試，溫度-時間變化曲線如圖7所示，由圖7可知，所有試板均在約20 min后達(dá)到溫度平衡，其中，群青復(fù)合涂層試板、鐵鉻黑復(fù)合涂層試板和鉻綠復(fù)合涂層試板的平衡溫度分別比對應(yīng)表面涂層低1.9、2.8和2.5 ℃，由此可見，采用復(fù)合型涂層結(jié)構(gòu)可提高涂層的隔熱性能，原因可歸納為兩點，第一，涂有復(fù)合型反射隔熱涂層的試板由于涂層中顏填料對近紅外線的反射作用使涂層起到了反射隔熱的效果，第二，涂有復(fù)合型反射隔熱涂層的試板由于涂層具有較高的半球發(fā)射率，即便涂層由于紅外燈的照射而吸熱升溫，也由于具有高半球發(fā)射率使涂層起到了輻射隔熱的效果，兩者的協(xié)同左右增強(qiáng)了涂層的隔熱效果。

圖7 涂層試板的溫度變化曲線

2.3 復(fù)合涂層主要應(yīng)用性能

采用精密色差儀測量了三種復(fù)合涂層的明度*，結(jié)果顯示三種涂層均為低明度涂層（*≤40），根據(jù)JG/T 235—2014《反射隔熱涂料》對涂層主要應(yīng)用性能的要求（如表3所示），對三種涂層進(jìn)行了主要應(yīng)用性能測試，結(jié)果如表4所示，由表4可知，三種復(fù)合涂層的四種主要指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且涂層的人工氣候老化后太陽光反射比變化率均在5%以內(nèi)，具有較好的耐候性和耐久性，滿足實際應(yīng)用的基本條件。

表3 低明度涂層應(yīng)用性能要求

表4 顏料摻量為20%的復(fù)合涂層反射比

3 結(jié)論

采用底-表面復(fù)合型涂層結(jié)構(gòu)制備了綠色、藍(lán)色和黑色的三種彩色復(fù)合型反射隔熱涂層，主要結(jié)論有，涂層結(jié)構(gòu)對復(fù)合型涂層的太陽光反射比和隔熱性能均具有一定的影響，當(dāng)鉻綠、群青和鐵鉻黑顏料摻量分別為20%、20%和10%時，復(fù)合涂層的太陽光反射比可分別高達(dá)0.646 1、0.602 1和0.539 8，比對應(yīng)單一表面涂層的太陽光反射比高40.82%、31.03%和58.67%，此時，復(fù)合型涂層的隔熱性能比對應(yīng)單一表面涂層高2.5、1.9和2.8 ℃，主要應(yīng)用性能滿足JG/T 235—2014 建筑反射隔熱涂料的要求。

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Preparation and Properties of Colourful Composite Reflective Thermal Insulation Coatings

(Logistic Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China)

Insulation/reflective colourful composite reflective thermal insulation coatings were fabricated by using hollow glass micro-bead and titanium dioxide fillers as undersurface coatings, and using coatings with colorful reflective pigments as surface coatings. What’s more, coating performance was investigated and characterized by using ultraviolet/visible/near infrared spectrophotometer, infrared emissivity measurement device, precision chromatic meter and scanning electron microscope. Insulation performance test device was designed to analyze properties of coating heat insulation. The results demonstrate that insulation proformance and total solar reflectance can be greatly improved by utilizing composite coating structure. Total solar reflectances of coatings are up to 0.6461, 0.6021 and 0.5398 when contents of oxide chrome green, ultramarine bule, iron chrome black pigments are 20%, 20%, 10% respectively. Total solar reflectances and insulation performance of coatings are 40.82%, 31.03%, 58.67% and 2.5℃, 1.9 ℃, 2.8 ℃ higher than that of same pigment content surface coating. Coating main application performance can meet the requirement of relevant standard.

Pigment; Reflective insulation;Reflectance;Hemispherical emittance; Coating structure; Composite coating

TU56

A

1671-0460（2017）10-2014-04

2017-05-04

楊光（1990-）男，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向：建筑節(jié)能材料。E-mail：262567429@qq.com。