基于高光譜數(shù)據(jù)定量分析建筑反射隔熱涂料光譜特性

李笑芳，楊 威，王麗玫，王延倉，李曉鵬，張國棟

1. 廊坊師范學院，河北 廊坊 065000 2. 北華航天工業(yè)學院，河北 廊坊 065000 3. 北京航天自動控制研究所，北京 100038

引 言

作為一種新型功能涂料，反射隔熱涂料主要用于建筑外部圍護結構，其可通過提升對太陽光能量集中波段區(qū)間的反射率，降低外部圍護結構對熱量吸收率，從而減弱外部環(huán)境對室內溫度的影響，達到隔熱節(jié)能的目的[1]。而反射隔熱涂料的反射特性能直接體現(xiàn)其隔熱作用優(yōu)劣，因此，研究分析反射隔熱涂料光譜反射特性具有重要的現(xiàn)實與理論意義。

目前，國內外研究學者圍繞反射隔熱涂料性能的研究已開展了大量工作，且多偏重于對涂料理化組分、性能的研究[2-3]，主要通過在反射隔熱涂料加入新材料，改變反射隔熱涂料組分、占比關系，以提升反射隔熱涂料的隔熱、保溫性能，改善涂料延展、耐污性[4-6]； 對比分析噴涂涂料前后室內、外溫度差異，研究隔熱涂料對室內溫度的影響[7-8]； 采用數(shù)學統(tǒng)計分析算法定量分析反射涂料季節(jié)特征，并綜合分析反射涂料的節(jié)能效率[9]。反射隔熱涂料厚度是影響反射隔熱涂料性能的重要參量[10]，是評價涂料施工工藝及節(jié)能效果優(yōu)劣的重要指標，而運用反射隔熱涂料光譜特性分析厚度對其反射特征影響的研究相對較少。反射隔熱涂料與光的作用類型主要為反射、吸收，其反射、吸收特征能直接反映反射隔熱涂料光-熱轉化效率，進而直接反映其隔熱、保溫性能[11-12]。太陽輻射能量主要集中于紫外(300～400 nm，5%)、可見光(400～700 nm，43%)、近紅外(700～2 500 nm，52%)范圍內[13]，從反射隔熱涂料對光(350～2 500 nm)的反射、吸收特性視角定量分析其隔熱、保溫性能的影響，并研究分析厚度參量對反射隔熱涂料性能影響的規(guī)律并量化，可為提升涂料效能與優(yōu)化涂料施工工藝提供基礎技術支撐。因此，開展反射涂料厚度與其反射性能間關系的研究具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

為分析反射隔熱涂料的光譜特性，定量分析厚度對其反射性能的影響，本研究采用高光譜技術測定不同反射涂料厚度的光譜數(shù)據(jù)，分析反射涂料的光譜響應特征，并運用去包絡線、吸收峰深度等光譜處理算法對光譜進行處理分析，以定量分析厚度對涂料反射、吸收特征的影響規(guī)律，從而為節(jié)省材料，提升建筑隔熱、保溫性能提供必要技術支撐。

1 實驗部分

1.1 試驗設計

試驗采用板材為硅鈣板，封閉底漆采用廣州美涂士建材股份有限公司生產的外墻?？箟A底漆，反射隔熱涂料為廣州富美奧涂料有限公司生產的熱反射隔熱涂料。首先用砂紙把石灰板表面打磨平整，然后在板上均勻涂抹兩遍外墻底漆，自然風干后，用砂紙打磨平整。用可調式涂膜器在板上以500 μm間隔制成厚度0.5，1.0，1.5和2 mm四個樣本，對照樣板為0 mm。

1.2 涂料光譜數(shù)據(jù)測量與處理

太陽輻射到達地表的能量在波段上的分布主要集中于可見光和近紅外區(qū)域，波段范圍為0.4～3 μm，為客觀、準確體現(xiàn)反射隔熱涂料的反射性能，本研究采用ASD公司生產的FieldSpec4便攜式地物光譜儀測定涂料的光譜數(shù)據(jù)。該儀器可探測光譜波長范圍為350～2 500 nm，波長準確度0.5 nm，光譜輸出分辨率為1 nm，高光譜分辨率能更易于分析涂料細微反射、吸收特征。涂料光譜測量于2018年1月12日在實驗室開展，室內溫度18 ℃。利用光譜儀的自帶光源模擬太陽光，光譜采集前利用白板作為參考板對光譜儀進行校正，將光譜采集裝置直接垂直置于被測厚度試板上，進行光譜數(shù)據(jù)采集，每個厚度試樣記錄10條光譜曲線，取其平均值作為實際分析的光譜曲線，光譜測量方法如圖1所示。

圖1 反射隔熱涂料光譜測量示意圖Fig.1 Spectroscopic measurement of reflectivethermal insulation coatings

1.3 光譜處理方法

為便于研究分析反射隔熱涂料在光譜上的反射、吸收特征，本研究采用去除包絡線[14]、吸收峰深度法[15]處理分析涂料光譜數(shù)據(jù)，以凸顯涂料在光譜上的反射、吸收特征，其結果如圖2(a,b)所示。去除包絡線處理采用ENVI5.1軟件對涂料光譜數(shù)據(jù)進行處理，吸收峰深度則基于去除包絡線直接提取。由圖2(b)可知，位于原光譜數(shù)據(jù)的吸收特征得到凸顯，更有助于研究分析厚度參量對涂料吸收特征的影響。為定量分析厚度參量對涂料反射、吸收特性的影響，本研究采用減法處理分析各涂料厚度光譜間的差異，可定量分析在不同厚度參量下，涂料光譜特征增、減規(guī)律，能更直觀反映厚度對涂料光譜特性的影響，為涂料施工提供客觀、準確的技術支撐。

圖2 涂料反射光譜曲線與去包絡線、吸收峰深度(a): 去包絡線； (b): 吸收峰深度Fig.2 Reflection spectral curve and deinclusion line, absorption peak depth(a): Continuum removed; (b): Apsorption peak depth

2 結果與討論

2.1 光譜分析

為分析厚度對涂料反射性能的影響，本研究以0，0.5，1.0，1.5和2.0 mm厚度的光譜數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源開展分析，其光譜曲線圖，如圖3(a)所示； 為定量分析厚度對涂料反射性能的增強作用，研究對光譜數(shù)據(jù)進行了減法處理，其結果如圖3(b)所示。由圖3(a)可知，各涂料厚度的光譜曲線整體相似、光滑且平緩，其中0與0.5 mm的光譜曲線在375～2 500 nm整體呈平行狀態(tài)，各光譜曲線均在375，1 680，1 970，2 150和2 185 nm附近存在較強的吸收峰； 在375～2 500 nm，0～1.0 mm厚度的光譜整體呈下降趨勢，1.5～2.0 mm厚度則呈先上升再下降的規(guī)律； 隨涂料厚度增加，涂料光譜反射率持續(xù)增長，但增長幅度存在差異且在厚度1.5 mm后光譜反射率趨于飽和狀態(tài)。由圖3(b)可知，厚度1.0～0.5 mm的曲線最高，0.5～0.0 mm次之，其次為1.5～1.0 mm，2.0～1.5 mm整體接近零，這表明涂料對光的反射強度的增幅隨涂料厚度增加呈先增大后減小的趨勢，其中由0.5 mm增至1.0 mm時，反射率增幅最高，最高達0.22%(2 009 nm)，因此0.5～1.0 mm為最佳厚度區(qū)間。綜合上可知，涂料對375 nm附近的藍波段具有較強的吸收作用，涂料對長波波段的反射性能較弱，且隨波長的增加，涂料對光的反射性能逐漸減弱； 厚度提升有助于增強涂料的反射特性，但涂料反射率的增長幅度卻呈先升高后降低的趨勢。

圖3 反射隔熱涂料光譜分析圖(a): 原始光譜反射率； (b): 光譜減法處理Fig.3 Spectral analysis of reflective thermal insulation coatings(a): Original spectral reflectance; (b): Spectral subtraction

2.2 光譜吸收特征分析

為更好地分析涂料對光的吸收作用，利用去包絡線法、吸收峰深度法處理分析涂料光譜數(shù)據(jù)，以凸顯涂料對光的吸收特征，其結果如圖4所示(圖a為去包絡線分析，圖b為吸收深度分析)。由圖4(a)和(b)可知，涂料光譜共存在9處吸收谷(峰)，其波段區(qū)間如圖所示位于A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H和I處； 涂料厚度未對A，B，F(xiàn)，G和I的波形有明顯影響，而厚度對C，D，E和H則有明顯影響且均在厚度達到1.0 mm時發(fā)生變化。由圖4(a)可知，隨涂料厚度增加，位于A，B和G處的吸收谷幾乎無改變，位于C，D，E和H處的吸谷深度逐漸增加，F(xiàn)處的吸收谷深度呈先減弱后加深，I處吸收谷深度則呈逐步減弱的趨勢。由圖4(b)可知，隨厚度增加，A，B，C，E，G和H的峰值位置未發(fā)生明顯移動，D和I則向短波方向移動，F(xiàn)則先向短波方向后向長波方向移動。綜上可知，涂料厚度對吸收谷深度具有明顯影響，對吸收谷(峰)值位置具有一定作用； 涂料厚度在達到1.0 mm時，吸收谷(峰)的波形發(fā)生變化。

圖4 反射隔熱涂料光譜吸收特征分析圖(a): 去包絡線； (b): 吸收峰深度Fig.4 Spectral absorption characteristics of reflective thermal insulation coatings(a): Continuum removed; (b): Absorption peak depth

為定量分析涂料厚度對吸收作用的影響，研究對吸收峰深度進行減法處理如圖5所示(a)為各厚度光譜減0.0 mm厚度光譜，(b)為各厚度逐次相減結果。如圖5(a)所示，與0.0 mm厚度相比，厚度為0.5 mm光譜曲線上的吸收谷的變化幅度最小，1.0 mm的吸收谷的增加幅度居中，1.5和2.0 mm的吸收谷增加幅度最大且兩者間差異不大。由圖5(b)可知，盡管涂料厚度的增加幅度均為0.5 mm，但對涂料光譜吸收峰深度的作用強度卻存在差異，各厚度光譜的吸收深度變化幅度均在-0.056～0.06內，其中1.0～1.5 mm吸收谷變化幅度最大，其次為0.5～1.0 mm； 隨涂料厚度的增加，吸收峰深度的變化幅度呈先增加后減小的趨勢，即厚度增加對吸收峰深度變化的貢獻是先增長后降低。

反射隔熱涂料是一類用于大幅減少建筑外表光-熱轉換，有效提升建筑熱阻的材料[1]，而太陽輻射是地表能量的主要來源，研究反射隔熱涂料及其厚度對太陽輻射的反射、吸收特性對于分析、評價反射隔熱涂料的性能具有較強的參考價值。而截止目前，針對反射隔熱涂料的物理機理分析較多，且研究多偏于反射隔熱涂料內部組分的分析，但在利用光譜反射特性分析反射隔熱涂料的性能的研究較少。在350～2 500 nm區(qū)間內，反射涂料與光的相互作用主要為反射作用、吸收作用，而透射作用可忽略不計，本研究以不同涂料厚度的光譜數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用去包絡線、吸收峰深度、減法處理光譜數(shù)據(jù)，旨在定量分析厚度對涂料對反射、吸收性能的影響。研究利用0，0.5，1.0，1.5和2.0 mm等5類涂料厚度，分析厚度對涂料反射、吸收性能的影響規(guī)律，研究表明涂料在375 nm附近具有較強的吸收谷，表明其對紫外-藍光的吸收作用較強； 除紫外-藍光外，涂料對短波波段(可見光)具有較強的反射特性，而對長波波段(近紅外)的吸收性能較強，涂料對光的反射作用整體呈減弱的趨勢，而其對光的吸收作用則整體呈增強趨勢，這表明涂料有助于提升隔熱、保溫性能； 隨厚度增加，涂料對光的反射作用則逐步增強，而吸收作用則呈逐步減弱的趨勢，這表明厚度有利于增強涂料的隔熱性能，但無助于維持涂料的保溫性能。

圖5 反射隔熱涂料吸收峰深度的減法處理(a)與吸收峰分析(b)Fig.5 Subtraction treatment of absorption peak depth (a) and absorption peak analysis (b)

厚度、降雨、溫度等因素均能對涂料反射、吸收性能產生一定影響，本研究僅研究了厚度對涂料反射性能的影響，未開展涂料在不同降水、熱力作用下光譜特性的規(guī)律，而反射涂料主要用于建筑外表結構，易受降水、太陽輻射的作用，導致涂料內部組分的性能發(fā)生變化，因而繼續(xù)開展該方面的研究將有助于分析涂料在外界環(huán)境作用下，涂料對光的反射、吸收性能的變異規(guī)律，為分析、評估反射隔熱涂料的性能提供支撐。

3 結 論

以不同厚度涂料的高光譜數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，運用去包絡線、吸收峰深度、減法3類方法處理光譜數(shù)據(jù)，定量分析厚度對涂料反射、吸收性能影響，并分析涂料的隔熱、保溫性能，結論如下：

(1)涂料在375 nm附近的紫外-藍光波段具有一個較強的吸收谷，這表明涂料對紫外-藍光具有較強的吸收作用； 除紫外-藍光外，涂料對光的反射作用隨波長增加整體呈減弱趨勢，即涂料對短波波段具有較強的反射作用，而對長波波段的吸收作用則較強，這表明涂料具有一定的隔熱、保溫性能；

(2)涂料厚度增加有助于涂料隔熱性能的提升，但無助于增強涂料的保溫性能，厚度提升有助于增強涂料的反射特性，但涂料反射率的增加幅度卻呈先升高后降低的趨勢，吸收峰深度的變化幅度呈先增加后減小的趨勢，其中在厚度達到1.0 mm時涂料反射率增強趨向飽和；

(3)涂料厚度對吸收谷深度具有明顯影響，對吸收谷(峰)值位置具有一定作用，在涂料厚度在達到1.0 mm時，吸收谷(峰)的波形發(fā)生改變。