多晶硅粉對白色涂層的明度與太陽光反射性能的影響

林湘生，馬燁紅，陳祖湘，段瑞斌，熊 健

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州510500；2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州510500）

0 引言

熱反射涂層能較好反射太陽能的能量，可降低建筑物的空調(diào)能耗，節(jié)省電能消耗，在工業(yè)建筑中得到較好應(yīng)用[1,2]，在夏熱冬暖地區(qū)的城市建筑也得到一定應(yīng)用[3-5]。由于熱反射性能良好的涂層都使用白色和淺色顏料。由于白色與淺色涂層易被污染，且也不完全符合人們的審美觀。深色涂層也是人們喜歡的選擇。顏料明度的調(diào)節(jié)主要有兩個方向：一是將深色顏料調(diào)成淺色，通常是在深色顏料中添加諸如鈦白粉，增高顏料的明度[6]；二是將淺色顏料調(diào)成深色，采用的工藝通常是添加炭黑或氧化鐵黑等黑色顏料[7,8]，利用這些顏料高的消光系數(shù)，降低顏料對可見光的反射，達到降低涂層明度的目的。但炭黑對顏料的熱反射性能影響較高，不利于涂層的熱反射性能。洪仁鵬[9]和江向陽[10]分別用硅粉調(diào)節(jié)鈦鎳黃涂層和鐠黃的明度，取得較好結(jié)果。本文擬利用低純度多晶硅高的可見光折射率和一定的消光能力以及價格低的特點，添加進白色涂料中，調(diào)節(jié)白色涂層的明度，取得一定的實驗結(jié)果。

1 實驗

1.1 原料

長沙某公司生成的多晶硅粉，純度99.9%；東莞某公司生產(chǎn)的綠森霖納米隔熱涂料（白色）。

1.2 涂層的制備

將各種規(guī)格粒度的多晶硅粉按一定比例添加進涂料中，經(jīng)過攪拌分散后，真空除氣，再將其通過涂布機涂布在PET聚酯膜片上，自然干燥，多次涂覆，最終得到不同明度厚度1 mm的涂層。

1.3 表征與性能測試方法

采用荷蘭X′Pert Pro MPD型X射線衍射儀（XRD）分析硅粉。用S4800型掃描電鏡（SEM）觀察樣品的形貌。利用深圳某公司NR110色差儀測量涂層的明度L*、紅綠性質(zhì)a*和黃藍性質(zhì)b*。用Lambda950型紫外/可見/近紅外分光光度計測試涂層的太陽光反射率（TSR）。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的基本性質(zhì)

由圖1可見，多規(guī)格粒度的混合多晶硅粉也只顯示了Si這一種元素，其XRD譜圖上分別在28.45°、47.31°、56.13°和76.39°處有強烈的特征衍射峰，與標準Si的衍射譜圖（PDF#27-1402）的主要譜線完全一致。圖2可見，使用的多晶硅粉顆粒棱角分明，表面較光滑，粒度較均勻。

圖1 多晶硅粉的XRD譜圖Fig.1 XRD Patterns of Silicon Powder

圖2 使用的兩種規(guī)格粒度的多晶硅顆粒SEM形貌Fig.2 SEM Images of Silicon Powder with Two Particle Sizes

2.2 硅粉的用量對涂層色差及熱反射性能的影響

從圖3a可見，在白色涂層中添加僅2.44%約4μm硅粉，涂層的明度就從96下降到約47；添加濃度4.76%后，涂層明度變化基本保持穩(wěn)定，顯示出硅粉對涂層中高明度有較好調(diào)節(jié)能力。從圖3b可見，白色涂層在可見光區(qū)有約90%的反射比，在紅外區(qū)也維持有較高的反射比。但在其中添加2.44%約4μm硅粉后，該涂層在可見光區(qū)的反射曲線就降到20%以下，在紅外光區(qū)還有一定的反射能力。隨著硅粉加入量的增加，涂層在可見光區(qū)的曲線相差不明顯，近紅外區(qū)，涂層反射比曲線逐漸下降。從圖3c可見，當(dāng)加入僅2.44%約4μm硅粉后，白色涂層的TSR從0.8，降到0.32，加入量4.76%時，再降到0.27，進一步增加硅粉量，涂層的TSR逐漸趨于0.22。

2.3 硅粉的粒徑對涂層色差及熱反射性能的影響

從圖4a可見，添加20μm的多晶硅粉，相應(yīng)的涂層明度約43，到添加0.5μm多晶硅粉，涂層明度約38.5，可見多晶粉粒度對白色涂層明度的影響不明顯。從圖4b可見，多晶硅粒度從0.5μm變化到20μm，相應(yīng)的涂層熱反射譜僅在1 000～1 500 nm波段有大約10%的不同。其他頻段基本一致。從圖4c可見，添加的多晶硅粒度從0.5μm變化到20μm，相應(yīng)的涂層TSR從0.17變化到0.21，相差不顯著。硅的帶隙是1.1ev，該帶隙對應(yīng)的光波長約1 100 nm。波長短于該波長的光波會被硅吸收，故其塊體顏色呈現(xiàn)青灰色。多晶硅具有較高的折射率和一定的遮蓋力[11]。因而，硅粉可以較好的吸收入射光，降低涂層的明度。由于硅對可見光的吸收是產(chǎn)生光電效應(yīng)，故而不同粒度的硅粉對明度影響不明顯，對TSR影響也不明顯。對本課題所使用的硅純度是99.9%，雜質(zhì)含量較高，屬于重摻雜半導(dǎo)體，導(dǎo)致其帶隙變寬，稍短于1 100 nm波長的波也會被反射，這對提高硅的紅外反射性能有一定益處。

圖3 多晶硅粉不同添加濃度對白色涂層的明度、熱反射光譜及TSR的影響Fig.3 Effect of Different Concentration of Polycrystalline Silicon Powder on Brightness，Heat Reflection Spectrum and TSR of White Coating

圖4 添加不同粒度多晶硅粉對白色涂層的明度、熱反射光譜及相應(yīng)的太陽能反射比的影響Fig.4 Effect of Adding Different Particle Size Polycrystalline Silicon Powder on Brightness，Heat Reflection Spectrum and Corresponding Solar Reflectance of White Coating

3 結(jié)論

⑴多晶硅粉的添加濃度對白色涂層的明度有明顯的調(diào)節(jié)效果，添加量僅2.44%，白色涂層的明度從96降到約47，之后，進一步添加，涂層明度變化趨緩。同樣，涂層的TSR從0.8降到0.32，進一步添加，多晶硅粉對涂層的TSR的影響趨弱。

⑵添加的多晶硅粒度對白色涂層的明度和TSR影響不顯著。