水基熒光增強(qiáng)復(fù)合涂層的制備與性能優(yōu)化

張宇，吳建華,，張賢慧，吳波，楊陽(yáng)

（1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012；2.集美大學(xué)，福建 廈門 361021）

稀土金屬摻雜的鋁酸鹽熒光材料是目前應(yīng)用比較廣泛的新型節(jié)能環(huán)保材料[1-2]。Matsuzawa 等人[3]運(yùn)用空穴轉(zhuǎn)移模型對(duì)熒光粉的熒光現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的研究，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和分析發(fā)現(xiàn)[4-10]：當(dāng)SrA12O4:Eu2+,Dy3+受到特定的紫外線或者常見的自然光照射激發(fā)后，其中的Eu2+被強(qiáng)烈激發(fā)，Eu2+中的電子會(huì)發(fā)生明顯躍遷，處于激發(fā)態(tài)。對(duì)此時(shí)的材料進(jìn)行光電導(dǎo)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)材料在4f 基態(tài)時(shí)產(chǎn)生的空穴已經(jīng)通過(guò)熱能的方式釋放到價(jià)帶。在發(fā)生這一轉(zhuǎn)變的同時(shí)，Eu2+轉(zhuǎn)換成 Eu+，這一過(guò)程產(chǎn)生的空穴被Dy3+以價(jià)帶遷移的方式捕獲，將Dy3+轉(zhuǎn)變成了 Dy4+。隨著外面的激發(fā)光源撤去之后，由于前面產(chǎn)生的熱激發(fā)，Dy3+激發(fā)時(shí)俘獲的空穴又釋放到原來(lái)的價(jià)帶。而發(fā)生這一遷移過(guò)程的空穴在價(jià)帶中被Eu+捕獲，將電子和空穴又進(jìn)行了完整的復(fù)合。這一復(fù)雜的過(guò)程導(dǎo)致材料有了超長(zhǎng)余輝。鋁酸鹽熒光材料經(jīng)過(guò)光源激發(fā)后所釋放的黃綠色余輝亮度較高，而且黃綠色光具有較高的穿透力，常常作為室內(nèi)外指示標(biāo)識(shí)、警示牌等功能標(biāo)識(shí)的主要顏色。

熒光涂料是熒光材料的一種主要應(yīng)用方式，將鋁酸鹽熒光材料作為主要功能填料加入到涂料中制備的熒光涂料，經(jīng)陽(yáng)光照射激發(fā)后，在夜晚等光線較弱時(shí)，不需要電能提供額外能量來(lái)使其發(fā)光，可大大減少對(duì)電能的依靠，在一些地區(qū)具有很大的市場(chǎng)需求[11-14]。并且熒光涂料使用簡(jiǎn)單，只需涂裝在墻體等底材表面即可。不僅如此，利用熒光涂料制作的彩繪被廣泛應(yīng)用于服飾、建筑等行業(yè)[15-18]。例如邢文男等[19]通過(guò)對(duì)鋁酸鍶熒光材料的包覆與成膜物質(zhì)的合成來(lái)制備高性能熒光涂料，結(jié)果表明，改性后的鋁酸鹽熒光材料滿足水基熒光涂料的要求，制備的熒光涂料的余輝時(shí)間可以維持在12 h。目前熒光涂料的研究取得了一定的進(jìn)展，通過(guò)調(diào)節(jié)熒光材料的添加量，可以提高涂層的初始余輝亮度和余輝時(shí)間。采用高熒光材料添加量的方式確實(shí)會(huì)換取涂層很好的余輝性能，但是對(duì)熒光材料的利用率下降，造成一定程度的浪費(fèi)。本文優(yōu)化了熒光材料添加量和熒光涂層厚度，且提出熒光涂層加鋁粉反光底層[20-28]制備復(fù)合涂層的方法，來(lái)提高熒光涂層的余輝亮度和余輝時(shí)間，同時(shí)優(yōu)化改進(jìn)涂層附著力、耐開裂等基本性能，獲得了初始余輝亮度高、余輝時(shí)間長(zhǎng)且不易開裂的水基熒光增強(qiáng)復(fù)合涂層。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

復(fù)合涂層所采用的熒光粉為鋁酸鹽熒光粉SrAl2O4:Eu2+,Dy3+（深圳市翔彩化工有限公司），粒度為30～40 μm，在應(yīng)用于涂料之前，利用溶膠凝膠法在其表面包覆了完整的SiO2殼層。成膜物質(zhì)為水基硅丙乳液（RS-FS996AD，巴德富事業(yè)有限公司）。玻璃鱗片（鼎盛礦業(yè)有限公司）片徑約為36 μm，厚度約為6 μm，表面未做處理。其他助劑有水基消泡劑、水基分散劑、水基潤(rùn)濕劑、成膜助劑、增稠劑、去離子水。鋁粉為曼特博水基浮型鋁粉。

1.2 水基涂料的制備

水基熒光涂料配方見表1。水基熒光涂料的制備：（1）將去離子水、水基分散劑、水基水潤(rùn)劑、消泡劑等助劑依次置于調(diào)漆罐中，以2000 r/min 的速度將其分散20 min；（2）調(diào)低分散劑的分散速度，以500 r/min 速度再持續(xù)分散20 min；（3）按照實(shí)驗(yàn)配方設(shè)計(jì)計(jì)量稱取熒光粉、玻璃鱗片，在分散過(guò)程中緩慢加入到調(diào)漆罐中，分散均勻后，再加入成膜助劑和增稠劑，并繼續(xù)分散20 min，得到所需涂料。

表1 水基熒光涂料配方Tab.1 Water-based fluorescent coating formula

水基鋁粉涂料配方見表2。水基鋁粉反光涂層的制備：將鋁粉與去離子水按質(zhì)量比1∶1 置于容器中，超聲分散30 min，分散均勻后，將水基熒光涂料混合液加入容器中，以500 r/min 轉(zhuǎn)速持續(xù)分散，然后在分散過(guò)程中緩慢加入適量的消泡劑、成膜助劑等配方相關(guān)助劑，直至全部分散均勻。

表2 水基鋁粉涂料配方Tab.2 Formulation of water-based aluminum-rich coating

1.3 涂層的制備

實(shí)驗(yàn)樣板按照J(rèn)C/T 412.1—2006 中6 mm 的NAF H V 級(jí)試驗(yàn)底板進(jìn)行篩選。實(shí)驗(yàn)底板的表面按GB/T 9271—2008 中10.2 節(jié)的規(guī)定步驟進(jìn)行處理和養(yǎng)護(hù)。采用100 μm 線棒在底板上刮涂水基熒光涂層，干膜厚度約為55 μm。水基鋁粉反光涂層為刷涂。

1.4 性能測(cè)試

水基熒光涂層的余輝性能測(cè)試選用PR-305 型長(zhǎng)余輝熒光測(cè)試儀（浙大三色儀器有限公司），測(cè)試系統(tǒng)如圖1 所示。室溫下，選擇激發(fā)光強(qiáng)為1000 lx 的模擬日光連續(xù)激發(fā)20 min。激發(fā)結(jié)束后，等待10 s，測(cè)定余輝亮度，然后開始連續(xù)采樣，采樣間隔為1 s，直至余輝亮度衰減至0.000 32 cd/m2后，結(jié)束采集。從激發(fā)結(jié)束到余輝衰減至0.000 32 cd/m2的時(shí)間為熒光涂層的余輝時(shí)間。

圖1 涂層余輝亮度測(cè)試Fig.1 Coating afterglow brightness test

采用C83-Ⅲ反射率測(cè)定儀（天津精科聯(lián)材料實(shí)驗(yàn)機(jī)有限公司）測(cè)定水基鋁粉反光涂層的反射率，測(cè)試系統(tǒng)如圖2 所示。采用基恩士VH-7000 顯微鏡觀察水基鋁粉反光涂層的微觀形貌。

圖2 涂層反射率測(cè)試Fig.2 Coating reflectivity test

采用Defelsko 拉拔式附著力儀（PosiTest AT-A 22 mm）測(cè)試水性鋁粉涂層的附著力。測(cè)試前，樣板均按照GB/T 9779—2015《復(fù)層建筑涂料》的要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。參照GB/T 5210—2006《色漆和清漆 拉開法附著力試驗(yàn)》對(duì)涂層的附著力進(jìn)行評(píng)定。

以上涂層測(cè)試均采用3 塊平行樣板。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光粉添加量對(duì)熒光涂層初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)中以熒光粉添加量（從5%到30%）為變量，制備了不同熒光粉添加量的6 組對(duì)照實(shí)驗(yàn)。為了消除制備過(guò)程中日照對(duì)結(jié)果的影響，上述樣品均需在密閉無(wú)光的暗室中儲(chǔ)存24 h?？刂破渌麠l件，所有樣品的激發(fā)時(shí)間為20 min，激發(fā)光強(qiáng)為1000 lx，待激發(fā)開始測(cè)試的等待時(shí)間都設(shè)置為10 s，最終將所有結(jié)果匯總得到圖3，圖中數(shù)據(jù)所表示的是熒光粉添加量與對(duì)應(yīng)涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間之間的關(guān)系曲線。

圖3 熒光粉添加量對(duì)涂層初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間的影響Fig.3 The effect of the amount of phosphor added on the initial afterglow brightness and afterglow time of the coating

從圖3 可以得出，熒光粉添加量小于15%時(shí)，熒光涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間，都隨著熒光粉添加量的增加而明顯增加。但是隨著熒光粉添加量的不斷提高，整個(gè)熒光涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間的變化并沒(méi)有保持相應(yīng)的高增長(zhǎng)，而是逐漸趨于平緩。究其原因，是因?yàn)楫?dāng)熒光粉在涂層中的添加量較少時(shí)，其在涂層中稀疏分散開，顆粒之間有較大的間隙，使得激發(fā)光比較容易穿過(guò)涂層，充分地激發(fā)每一個(gè)熒光粉顆粒。在激發(fā)停止之后，同樣原因，顆粒的余輝也能很好地向外輻射，使得更多余輝穿過(guò)涂層而輻射到環(huán)境中去。這樣的涂層結(jié)構(gòu)對(duì)熒光粉激發(fā)和余輝輻射都非常有利，明顯提高了其利用率。此時(shí)整個(gè)涂層的余輝亮度較低，最終的余輝時(shí)間較短。這主要是由于熒光粉的余輝亮度有限，且添加量太少，整個(gè)涂層中熒光顆粒有限所致。但是隨著涂層內(nèi)熒光粉的添加量越來(lái)越高，整個(gè)涂層中的余輝光源越來(lái)越多，涂層的余輝亮度也明顯提高，最終的余輝時(shí)間明顯延長(zhǎng)。此時(shí)整個(gè)涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間的主要影響因素是熒光粉的添加量。當(dāng)熒光粉在涂層中的添加量高于15%之后，熒光粉粒子在涂層中的距離越來(lái)越近，且熒光粉本身不透光，導(dǎo)致涂層中很大一部分的激發(fā)光被熒光粉本身所阻擋，激發(fā)光就不能很好地將涂層中的全部熒光粉有效激發(fā)，只有涂層中上層的熒光粉能夠接收到較為充分的激發(fā)光，而中下層的熒光粉所能接收到的激發(fā)光有限，甚至不能接收到激發(fā)光。這就導(dǎo)致涂層中熒光粉的利用率越來(lái)越低，所以在此條件下，對(duì)涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間占主導(dǎo)因素的是熒光粉的利用率。這也能很好地解釋在不斷提高熒光粉在涂層中的含量之后，整個(gè)涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間沒(méi)有明顯變化，趨于平緩。綜合一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了有效利用熒光粉且能提供較高的余輝亮度和較長(zhǎng)的余輝時(shí)間，選擇15%的熒光粉添加量為最優(yōu)添加量。

2.2 涂層厚度對(duì)熒光涂層初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間的影響

以涂層厚度為實(shí)驗(yàn)變量，在制備了15%熒光粉添加量的涂料后，用同樣的方法將熒光涂料涂在同種材質(zhì)的實(shí)驗(yàn)底板上，為了消除制備過(guò)程中日照對(duì)結(jié)果的影響，上述樣品均需在密閉無(wú)光的暗室中儲(chǔ)存24 h?？刂破渌麠l件變量，所有樣品的激發(fā)時(shí)間為20 min，激發(fā)光強(qiáng)為1000 lx，待激發(fā)開始測(cè)試的等待時(shí)間都設(shè)置為10 s，最終將所得不同厚度的涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間匯總，得出圖4。

圖4 涂層厚度對(duì)初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間的影響Fig.4 The influence of coating thickness on initial afterglow brightness and afterglow time

根據(jù)圖4 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熒光涂層的厚度按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定有規(guī)律地增加之后，涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間都有不同程度的增加，但隨著涂層厚度持續(xù)增加，整個(gè)涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間的增加速率不斷減小。由2.1 節(jié)分析熒光粉添加量對(duì)涂層初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間的結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熒光粉添加量為15%時(shí)，涂層中熒光粉粒子的分布適中，激發(fā)光能將整個(gè)涂層的熒光粉進(jìn)行有效激發(fā)。涂層厚度較低，更方便激發(fā)光穿過(guò)整個(gè)涂層而進(jìn)行激發(fā)，此時(shí)影響整個(gè)涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間的主要因素是熒光粉的絕對(duì)數(shù)量，可以很合理地解釋在涂層厚度處于較低值時(shí)，增加相同數(shù)值的涂層厚度，能同時(shí)大幅提高整個(gè)涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間。但是涂層中的樹脂和熒光粉等都對(duì)光有一定的遮擋和阻礙作用，致使發(fā)光和輻射的余輝能穿過(guò)的涂層厚度有限。當(dāng)涂層厚度越來(lái)越厚時(shí)，涂層中下層的熒光材料所能接收到的激發(fā)光有限，導(dǎo)致其不能有效激發(fā)，整個(gè)涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間改變較小。當(dāng)涂層厚度超過(guò)激發(fā)光所能穿過(guò)的厚度之后，即使涂層厚度還在繼續(xù)增加，涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間也會(huì)保持在一定值而不發(fā)生改變。從圖4 中可以看出，厚度超過(guò)550 μm 后，雖然涂層厚度還在以相同的數(shù)值梯度繼續(xù)增加，但整個(gè)涂層的初始余輝亮度和最終余輝時(shí)間的改變量非常小，趨于穩(wěn)定。所以，判定在550 μm 的厚度下，整個(gè)涂層對(duì)熒光粉材料的利用較為合理，此為涂層最合適膜厚。

2.3 玻璃鱗片對(duì)熒光涂層性能的影響

隨著涂層膜厚逐漸增加，涂層開裂問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，涂層在固化過(guò)程中有明顯的開裂問(wèn)題。涂料的制備過(guò)程中只加入了熒光粉一種固體填料，并且熒光粉的添加比例很小，在涂層固化過(guò)程中，會(huì)有大量的水分等液體蒸發(fā)，使得整個(gè)固化過(guò)程中，涂層體積大幅減少，導(dǎo)致涂層的內(nèi)部收縮應(yīng)力迅速增加而造成涂層開裂。為了解決此問(wèn)題，在涂層配方設(shè)計(jì)時(shí)，需要加入其他固體填料，以減小收縮應(yīng)力，改善開裂?？紤]到熒光涂層要有較強(qiáng)的熒光性能，所以固體填料需要有較高的透光率，對(duì)涂層中熒光粉接收激發(fā)光和輻射余輝要有很小的影響，玻璃鱗片作為填料符合這一要求。玻璃鱗片除了具有較高的透光率之外，對(duì)于徑厚比較大的玻璃鱗片，其耐熱沖擊性能高，熱膨脹系數(shù)小，添加到涂層中不僅能明顯改善涂層的開裂，還能大幅提高涂層的耐磨性能。采用玻璃鱗片為填料的另一原因是，經(jīng)過(guò)表面處理的玻璃鱗片主要由SiO2構(gòu)成，這與熒光粉的包覆層組成相似，并且由于玻璃鱗片的反光作用，還可以在一定程度上提高涂層的余輝性能。

保持涂層完整時(shí)涂層最大厚度和對(duì)應(yīng)的初始余輝亮度數(shù)值關(guān)系如表3 所示。當(dāng)涂層出現(xiàn)a 類開裂即判定為涂層開裂。由表3 可以看出，涂層的開裂情況隨著玻璃鱗片的不斷加入有了明顯改善，能夠保持涂層完整不開裂的膜厚也明顯增加。這表明玻璃鱗片能夠有效減少涂層開裂，增強(qiáng)涂層的機(jī)械性能。此外，隨著玻璃鱗片添加量不斷增加，涂層的初始余輝亮度也有一定程度的增加。由表4 可以發(fā)現(xiàn)，在相同的膜厚下，未添加玻璃鱗片的涂層的初始余輝亮度更高，這說(shuō)明表3 中涂層初始余輝亮度增加主要是由于涂層厚度增加造成的。在涂層中添加玻璃鱗片之后，其初始余輝亮度受到一定影響，導(dǎo)致其初始余輝亮度變小，這同樣也可以很好地解釋表3 中當(dāng)玻璃鱗片添加量超過(guò)一定值后，雖然涂層厚度增加，但是其初始余輝亮度反而下降。最后通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)造成這種現(xiàn)象的原因是：玻璃鱗片對(duì)光也有一定的阻礙作用，且玻璃鱗片表面對(duì)光還有一定的反射作用，這兩個(gè)因素都能削減進(jìn)入涂層中的激發(fā)光，并且在熒光粉向外輻射余輝時(shí)，同樣的原因也會(huì)減弱其輻射到涂層外面的余輝，玻璃鱗片的添加量越大，這種影響越強(qiáng)。當(dāng)這種影響大于涂層厚度增加帶來(lái)的使涂層初始余輝亮度增大的影響時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)涂層初始余輝亮度先增大后減小的情況。

表3 玻璃鱗片添加量對(duì)改善涂層開裂和初始余輝亮度的影響Tab.3 The effect of the addition of glass flakes on the improvement of coating cracking and the initial afterglow brightness

表4 相同膜厚下3.75%玻璃鱗片添加量對(duì)涂層初始余輝亮度和余輝時(shí)間的影響Tab.4 The effect of the addition of 3.75% glass flakes under the same film thickness of the coating on the initial afterglow brightness and afterglow time of the coating

由表4 可以看出，添加了玻璃鱗片后，涂層最終余輝時(shí)間并沒(méi)有像初始余輝亮度那樣減弱，反而是延長(zhǎng)了。通過(guò)分析對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)，造成這種現(xiàn)象的原因是，在涂層中添加了玻璃鱗片后，可以將涂層中熒光粉的距離變大，玻璃鱗片也具有較高的透光性，使得能夠傳遞到涂層底部的激發(fā)光更多，對(duì)涂層底部的熒光粉的激發(fā)更充分。在激發(fā)光剛撤去后，整個(gè)涂層的余輝亮度較高時(shí)，底部熒光粉輻射出的余輝并不會(huì)提高其余輝亮度，但是當(dāng)涂層余輝亮度較低時(shí)，這部分被激發(fā)的熒光粉就會(huì)發(fā)揮作用，延長(zhǎng)涂層的余輝時(shí)間。

2.4 鋁粉底涂層的光反射性能

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，將熒光涂層涂在鋁粉底涂層上，能在一定程度上增加其余輝亮度和余輝時(shí)間。分析原因是，因?yàn)殇X粉底涂層的反射率較高，將輻射到底層的余輝反射回來(lái)，從而提高了熒光涂層的余輝亮度和余輝時(shí)間。為了系統(tǒng)解釋這一現(xiàn)象，制備了一系列鋁粉涂層，分析影響因素，優(yōu)化涂層性能，最終與熒光涂層匹配為復(fù)合涂層，評(píng)價(jià)水基鋁粉涂層對(duì)熒光涂層的余輝亮度和余輝時(shí)間的影響。

2.4.1 鋁粉片徑對(duì)鋁粉涂層反射率和附著力的影響

表5 給出了鋁粉片徑對(duì)涂層反射率和附著力的影響。本次實(shí)驗(yàn)所用的都是厚度為6 μm 的鋁粉，但是片徑不同。其片徑越大，所用鋁粉的徑厚比就越大，其片狀材料的特性就越突出；徑厚比越小，其球狀材料的特性就越突出。為了對(duì)比片徑大小對(duì)反射率及附著力的影響，在相同制備條件下，制備了鋁粉添加量為15%而鋁粉片徑不同的多組反射涂層，結(jié)果見表5和圖5。根據(jù)表5 中的結(jié)果，對(duì)比片徑與反射率的影響可以看出，隨著片徑的增大，鋁粉涂層的反射率變大。再結(jié)合圖5a 和圖5b 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料的徑厚比較小時(shí)，材料形狀更接近于球形，整個(gè)反射層表面更像是多個(gè)小球緊密排列，且反射特性也更傾向于漫反射，所以整個(gè)涂層表面的漫反射強(qiáng)，致使整個(gè)涂層的反射率偏低。材料的徑厚比較大時(shí)，鋁粉更傾向于多個(gè)平整平面平鋪在涂層中，反射特性也更傾向于鏡面反射，所以整個(gè)涂層表面的鏡面反射強(qiáng)，致使整個(gè)涂層的反射率偏高。隨著鋁粉片徑不斷增加，涂層的反射率逐漸趨于平緩。造成這一現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)材料片徑超過(guò)一定數(shù)值后，涂層都接近于鏡面反射，此時(shí)對(duì)涂層反射率的影響主要是材料本身的反射率，且涂層中其他成分對(duì)光的阻礙限制了涂層反射率的提高。

表5 鋁粉片徑對(duì)涂層反射率和附著力的影響Tab.5 Effect of aluminum flake width on coating reflectivity and adhesion

圖5 鋁粉反射涂層顯微結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of aluminum powder reflective coating:(a) aluminum powder particle size 6 μm/coating thickness 50 μm; (b) aluminum powder particle size 25 μm/coating thickness 50 μm

對(duì)比表5 中材料片徑的大小與涂層附著力之間的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，涂層的附著力強(qiáng)弱與材料片徑的大小成負(fù)相關(guān)關(guān)系。尤其是當(dāng)采用片徑為38 μm 的材料時(shí)，涂層出現(xiàn)了自身破壞的現(xiàn)象，作為底漆涂層，直接影響著整個(gè)涂層體系的穩(wěn)定性。結(jié)合涂層反射率對(duì)比分析可知，50 μm 厚且添加25 μm 大小的鋁粉的反光底層的反射率和附著力都較為合適。

2.4.2 鋁粉添加量對(duì)鋁粉涂層反射率的影響

設(shè)計(jì)制備高反射率的涂層，不僅要選用高反射率的材料，還要將反光材料高效完整地覆蓋住整個(gè)涂層。為了探尋能夠高效覆蓋涂層的最佳材料添加量，本實(shí)驗(yàn)利用25 μm 的反光材料且控制添加量的不同，制備了相應(yīng)的反光涂層，測(cè)得反射率，匯總得到圖6。由圖6 可以看出，當(dāng)反光材料的添加量較低時(shí)，涂層的反射率較低，隨著材料添加量的提高，涂層的反射率增加較為明顯。當(dāng)反光材料超過(guò)一定添加量后，再增加反光材料的添加量，涂層的反射率變化平緩，說(shuō)明此時(shí)反光材料已經(jīng)完整覆蓋整個(gè)涂層。為了能夠高效地利用反光材料，反射涂層中反光材料的添加量選擇接近涂層最大反射率的最小添加量為宜。

圖6 鋁粉添加量對(duì)鋁粉涂層反射率的影響Fig.6 Influence of aluminum power addition oncoating reflectivity

綜合分析圖6 與表5 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用25 μm 的鋁粉反光材料，當(dāng)添加量為15%時(shí)，所制備的反光涂層具有較高的反射率和較低的反光材料添加量。下文的實(shí)驗(yàn)主要是將前文中所制備的熒光涂料與鋁粉反光涂料有效結(jié)合，制備出復(fù)合涂層，再進(jìn)一步探究其綜合性能。

2.5 鋁粉涂層/熒光復(fù)合涂層體系性能

記錄不同膜厚下的單一涂層和復(fù)合涂層的初始余輝亮度，結(jié)果見圖7。分析圖7 可知，相同膜厚下，單一涂層的初始余輝亮度明顯弱于復(fù)合涂層的初始余輝亮度。這一現(xiàn)象說(shuō)明，復(fù)合涂層中的反光涂層確實(shí)可以有效地將輻射向底層的激發(fā)光和余輝反射回去，可以增強(qiáng)位于熒光層底部熒光粉的激發(fā)，并且將輻射向底層的余輝反射回去之后，也提高了熒光涂層余輝的利用率。對(duì)比圖7 中兩種涂層的初始余輝亮度，還有一個(gè)明顯差異就是：約200 μm 厚的復(fù)合涂層的初始余輝亮度能夠達(dá)到400 μm 厚的單一涂層的初始余輝亮度。這意味著達(dá)到相同余輝亮度條件下，復(fù)合涂層可節(jié)省約一半的熒光涂料。單獨(dú)分析復(fù)合涂層的余輝亮度曲線，同樣發(fā)現(xiàn)在550 μm 后，復(fù)合涂層的初始余輝亮度變化趨于平緩。

圖7 不同膜厚單一涂層與復(fù)合涂層初始余輝亮度及其增長(zhǎng)率Fig.7 Initial afterglow brightness and its growth rate of a single coating and a composite coating

另外，分析圖7 中復(fù)合涂層的初始余輝亮度增長(zhǎng)率曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)涂層的膜厚不斷變大時(shí)，其增長(zhǎng)率不斷下降。分析原因得出：在厚度不斷變大的過(guò)程中，涂層對(duì)激發(fā)光和輻射余輝的阻礙能力大幅增大，導(dǎo)致能夠到達(dá)反射層的激發(fā)光漸漸減弱，熒光層底部的激發(fā)較差。激發(fā)結(jié)束后，底層熒光粉向外輻射余輝和經(jīng)由反光層反射回去的余輝，穿透整個(gè)熒光層到外部環(huán)境也更難。也就是說(shuō)，隨著涂層膜厚不斷增加，反光層的反射作用不斷變?nèi)踔敝料?。綜上所述，并將圖7 中涂層的初始余輝亮度曲線和增長(zhǎng)率曲線綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，熒光涂層膜厚在達(dá)到550 μm 后，其初始余輝亮度變化較小，在此條件下，復(fù)合涂層的初始余輝亮度比單一涂層增加了 41.90%，所以用50 μm 厚的鋁粉反光底漆搭配550 μm 厚的熒光涂層的復(fù)合涂層的初始余輝亮度大幅提高。可以推論：若達(dá)到相同初始熒光亮度，熒光涂層用量將減少。

測(cè)得最優(yōu)條件下的復(fù)合涂層的余輝曲線見圖8，復(fù)合涂層最終的余輝時(shí)間是30.9167 h（1855 min），與同條件下的單一涂層相比，復(fù)合涂層最終的余輝時(shí)間更長(zhǎng)，延長(zhǎng)了26.04%。實(shí)驗(yàn)證明，復(fù)合涂層相比單一涂層有更強(qiáng)的余輝性能。

圖8 復(fù)合涂層余輝亮度曲線Fig.8 Afterglow brightness curve of composite coating

3 結(jié)論

1）水基熒光涂層的余輝亮度和余輝時(shí)間主要受熒光粉添加量和熒光涂層厚度的影響，兩個(gè)影響因素都有一定的作用范圍，熒光粉添加量超過(guò)15%或者涂層厚度超過(guò)550 μm，余輝亮度增加趨于平緩。

2）玻璃鱗片加入到涂層中可以有效改善涂層開裂現(xiàn)象，使涂層達(dá)到550 μm 厚而不開裂，對(duì)提高熒光涂層的余輝亮度和余輝時(shí)間有很重要的幫助，在相同條件下，添加玻璃鱗片后的熒光涂層可以延長(zhǎng)余輝時(shí)間約12%。

3）鋁粉片徑增大，鋁粉涂層反射率提高，但片徑過(guò)大會(huì)使涂層的附著力下降。采用平均片徑25 μm的鋁粉最適合，在添加量為15%時(shí)，鋁粉層反射率為64%。

4）熒光涂層加涂鋁粉底層后獲得的復(fù)合涂層的余輝亮度和余輝時(shí)間均明顯增加。相同條件下，50 μm厚的反光鋁粉底涂層加涂550 μm 厚的熒光涂層的復(fù)合涂層與單一550 μm 厚的熒光涂層相比，可提高41.90%的初始余輝亮度和26.04%的余輝時(shí)間。

5）經(jīng)上述方法制備的水性熒光涂層的初始余輝亮度可達(dá)到 5.988 cd/m2，其余輝時(shí)間可以達(dá)到30.9167 h，整體涂層厚度可達(dá)600 μm 且涂層不開裂。