電力設(shè)施用長余輝蓄能型發(fā)光涂料的研制

周永言，劉博，孫東偉，唐念，吳曉慧，陳文鋮, ，霍延平,

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006）

蓄能發(fā)光涂料屬于新興的功能涂料，能吸收和儲存太陽光或人造光源能量，然后將接收的能量以可見光的形式遲緩釋放，余輝時間可持續(xù)10 h以上[1]。此類涂料由于具有初始亮度高、余輝時間長、無放射性、耐熱、耐候性好等優(yōu)點，不僅被廣泛用于建筑、裝飾、消防安全等領(lǐng)域[2]，還可以作為隱蔽照明和應(yīng)急照明，給人們的夜間生活和工程作業(yè)帶來極大的便利，是涂料研究的一個特殊領(lǐng)域。

蓄能型發(fā)光涂料主要由成膜物質(zhì)、發(fā)光材料以及成膜助劑組成。成膜物質(zhì)是蓄能型發(fā)光涂料的重要組成部分，在已有的報道中常采用無色透明且透光性好的樹脂和清漆[3]，但它們不能兼顧持續(xù)透光和耐用性，導(dǎo)致涂料耐候性差。本研究采用一種自干型氟碳清漆作為成膜物質(zhì)，其本身主要由含氟量為20% ～ 40%的氟碳樹脂調(diào)制而成。由于氟原子的范德華半徑較小(0.135 nm)，其原子核對核外電子及成鍵電子云的束縛作用較強，因此含氟烴鏈被帶負(fù)電的氟原子包圍，形成高度屏蔽的保護層，使其共聚物具有比普通非氟共聚物更高的化學(xué)惰性[4]，突出表現(xiàn)為它的疏水疏油性、高度熱穩(wěn)定性、絕緣性和耐化學(xué)腐蝕性。

蓄能型發(fā)光涂料的余輝亮度、余輝持續(xù)時間和發(fā)光顏色主要取決于發(fā)光材料[5]。相比于有機發(fā)光材料，無機發(fā)光顏料有著絕佳的耐候性、耐化學(xué)腐蝕性，且發(fā)光強度高，余輝持續(xù)時間長，因而成為蓄能型發(fā)光涂料的首選[6]。在已有的報道中，尤以發(fā)光效率高、余輝持續(xù)時間長、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、無放射性、耐高溫、抗氧化以及壽命長的稀土活化堿土金屬鋁酸鹽系發(fā)光材料的應(yīng)用最為廣泛[7]。本文采用一種具有疏水層包覆的鋁酸鍶(SrAl2O4)發(fā)光粉，其中稀土金屬離子Eu2+和Dy3+的摻雜使發(fā)光粉具有更長的余輝，而發(fā)光粉表面包覆的疏水層可防止發(fā)光粉與其他成膜助劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，避免失去活性。蓄能型發(fā)光涂料的成膜助劑包括分散劑、固化劑、稀釋劑等[8]。在涂料生產(chǎn)過程中，發(fā)光材料的分散是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到涂料的貯存、施工、外觀和漆膜性能。因此，合理地選擇成膜助劑至關(guān)重要。

目前，蓄能發(fā)光涂料面臨著以下2個瓶頸問題：現(xiàn)階段使用的透明樹脂、清漆等成膜物質(zhì)都存在一些缺點，如易黃變、開裂，耐水性不佳，耐熱性不強，在某些極端環(huán)境下無法承載發(fā)光材料而不能持續(xù)發(fā)光。此外，大多數(shù)蓄能發(fā)光材料存在余輝初始亮度低、余輝時間不長、使用壽命短等缺點。本研究主要針對上述瓶頸問題，制備了具有良好蓄能發(fā)光性能的涂料(CF-SrAl2O4)，其耐水性、耐熱性俱佳，余輝時間長達(dá)12 h以上。

1 涂料的制備

按表1將氟碳清漆倒入容器中，用稀釋劑稀釋后攪拌均勻，高速攪拌一段時間，然后加入蓄能發(fā)光材料以及分散劑、防沉劑、消泡劑等添加劑，分散1.0 ～ 1.5 h后加入增稠劑和適量固化劑，攪拌均勻即得涂料。

表1 蓄能型發(fā)光涂料的主要成分Table 1 Main components of energy-storage luminescent paint

2 涂料的表征及性能測試

用QGS漆膜干燥時間測定器測定涂料的表干、實干及烘干的時間。用DH-T40日光燈箱模擬太陽光以激發(fā)涂料，實現(xiàn)儲能，然后在島津UV-2450/2550紫外可見光分光光度計上測定涂料樣品的激發(fā)光譜。在愛丁堡FLS980穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀上，以150 W氙燈作為光源，測定涂料樣品的發(fā)射光譜。用LH-150屏幕亮度計和Photoresearch PR745光電特性測量儀測量涂料的余輝亮度及余輝衰減時間。主要測試結(jié)果見表2。

表2 蓄能型發(fā)光涂料的性能Table 2 Properties of energy-storage luminescent paint

2.1 光物理性質(zhì)

如圖1所示，長余輝發(fā)光涂料存在325 ～ 465 nm的連續(xù)帶譜，其中包括了可見光中的紫光、藍(lán)光部分。這說明了不僅紫光對涂料具有較好的激發(fā)能力，可見光中的藍(lán)光波段也可作為激發(fā)源，使其發(fā)光并產(chǎn)生余輝。激發(fā)峰位于417 nm，屬于藍(lán)紫光的波長范圍，說明藍(lán)紫光對本實驗所制備的蓄能發(fā)光涂料的激發(fā)效果最好。因此從激發(fā)光譜來看，自然光可產(chǎn)生良好的激發(fā)效果。

圖1 蓄能型發(fā)光涂層的激發(fā)與發(fā)射光譜Figure 1 Excitation and emission spectra of energy-storage luminescent coating

長余輝發(fā)光涂料發(fā)射光譜的波長范圍約為450 ～ 650 nm，完全覆蓋了可見光范圍。其中主峰位于522 nm，屬于綠光的波長范圍，是三基色中人眼最為敏感的波段[9]，這表明其熒光可以很好地被人眼捕捉，故此長余輝發(fā)光涂料可用于電力設(shè)施等警示標(biāo)志場景。

2.2 物相分析

清漆在發(fā)光涂料成膜過程中起到了主要作用，其選擇十分重要。首先，必須確保所選取的氟碳清漆、成膜助劑與發(fā)光粉不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使SrAl2O4:Eu2+,Dy3+發(fā)光粉的發(fā)光特性保持不變。從圖2可見，CF-SrAl2O4發(fā)光涂料與SrAl2O4發(fā)光粉的XRD衍射峰位置基本一致，表明SrAl2O4:Eu2+,Dy3+發(fā)光材料與氟碳清漆及成膜助劑具有較好的相容性。

圖2 蓄能型發(fā)光涂層與發(fā)光材料的X射線衍射譜圖Figure 2 X-ray diffraction patterns of energy-storage luminescent coating and luminescent material

2.3 余輝衰減

在戶外暴露10 h，發(fā)光涂料的余輝衰減如圖3所示。該衰減曲線由一個短程衰減過程和一個長程衰減過程組成。發(fā)光涂料的初始亮度高達(dá)13.5 cd/m2，優(yōu)于一些已報道的蓄能發(fā)光涂料[9-11]。20 min內(nèi)的亮度衰減較快，1 h后衰減趨于平緩，進入慢衰減過程。在10 h后，蓄能型發(fā)光涂料的余輝亮度還保持在0.5 cd/m2以上，比人眼感光閾值(0.32 mcd/m2)高，此余輝衰減過程滿足指數(shù)函數(shù)衰減規(guī)律。由此可見，該發(fā)光涂料能很好地儲存能量，并能以光輻射的形式緩慢釋放，余輝時間達(dá)12 h以上，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一些已報道的蓄能發(fā)光涂料[9-11]。

圖3 蓄能型發(fā)光涂層的余輝衰減曲線Figure 3 Afterglow decay curve of energy-storage luminescent coating

2.4 物性測試

2.4.1 耐熱性

在一般天氣環(huán)境下，大多數(shù)內(nèi)飾涂料都可正常應(yīng)用[12-13]，但僅可用于室內(nèi)裝潢，在戶外高溫環(huán)境中常出現(xiàn)起皮、開裂、溢膠等不良現(xiàn)象。選取了環(huán)氧樹脂做實驗對比，將2個樣品放入120 °C的烘箱中3 h，觀察表面及邊緣變化。從圖4中可以看出氟碳樣品表面、顏色及邊緣均無明顯變化，且發(fā)光良好；而環(huán)氧樣品表面已經(jīng)開始泛黃，邊緣有膠狀物溢出。由此可見，所制的蓄能型發(fā)光涂料不僅可用于內(nèi)飾，還可以用于高溫環(huán)境，有著極佳的耐熱性。

圖 4 蓄能型發(fā)光涂層的耐熱性測試Figure 4 Heat resistance test of energy-storage luminescent coatings

2.4.2 耐候性

耐候性一直是涂料最關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一[14-15]。為了測試涂料在自然環(huán)境中老化的時間與狀態(tài)變化，將氟碳涂料樣品置于自然環(huán)境下老化。所選地點為廣州，老化時間為180 d，當(dāng)?shù)販囟确秶鸀? ～ 35 °C，平均濕度為66%，平均日照時數(shù)為11 h，平均降雨量為35.4 mm，平均太陽輻射量為377 MJ/m2。如圖5所示，自然老化后的涂料樣品表面均未發(fā)現(xiàn)開裂、起皮、發(fā)脹等不良現(xiàn)象，經(jīng)過9 h的外部環(huán)境暴露后展現(xiàn)了良好的發(fā)光及余輝?？梢娫摲及l(fā)光涂料有良好的耐候性。

圖5 蓄能型發(fā)光涂層的耐候性測試Figure 5 Weather resistance test of energy-storage luminescent coating

2.4.3 耐水性及耐酸堿性

耐水性和耐酸堿性是考量涂料在外部環(huán)境中應(yīng)用的重要指標(biāo)[16]。同樣選取了環(huán)氧樹脂做耐水性對比測試，結(jié)果如圖6所示。在長達(dá)5 d的泡水后，環(huán)氧涂料樣品表面出現(xiàn)了大量乳白色膜狀物，邊緣有略微卷起；而氟碳涂料樣品表面無任何變化，邊緣也沒有異樣，其發(fā)光性能沒有受到影響，表明該氟碳發(fā)光涂料可在空氣中，乃至潮濕的環(huán)境中長期使用。氟碳涂料樣品在5%硫酸溶液和5%氫氧化鈉溶液中的耐受情況如圖7所示。在浸泡24 h后，涂料顏色、表面及側(cè)邊均無明顯變化，體現(xiàn)了所制蓄能型發(fā)光涂料有著優(yōu)良的耐酸堿性能，可應(yīng)用于苛刻的外部環(huán)境之中。

圖6 蓄能型發(fā)光涂層的耐水性測試Figure 6 Water resistance test of energy-storage luminescent coatings

圖7 蓄能型發(fā)光涂料的耐酸堿測試Figure 7 Acid and alkali resistance test of energy storage luminescent paint

3 在電力設(shè)施上的應(yīng)用

如圖8a所示，將發(fā)光涂料涂布于電纜用鋁絞線基材，在涂料實干后從不同方向?qū)︿X絞絲線施加一定壓力使其產(chǎn)生形變，結(jié)果沒有在涂布部分的外表發(fā)現(xiàn)任何裂紋、白邊、起皮以及脫落。如圖8b所示，在經(jīng)過10 h的戶外暴露后，產(chǎn)生形變的鋁絞絲線的涂布部分展現(xiàn)了良好的余輝，沒有在發(fā)光部分發(fā)現(xiàn)任何暗紋。該發(fā)光涂料完全適用于鋁制電纜絞絲線，涂布后可產(chǎn)生余輝，達(dá)到警示作用。

圖8 發(fā)光涂料在電纜用鋁絞絲線上的應(yīng)用：(a)激發(fā)前；(b)激發(fā)后Figure 8 Application of luminescent paint on aluminum strand wire for cable: (a) before excitation; (b) after excitation

4 結(jié)語

以SrAl2O4:Eu2+,Dy3+為發(fā)光材料，氟碳清漆為主要成膜物質(zhì)，輔以一系列成膜助劑所制得的蓄能型發(fā)光涂料具有長余輝和良好的耐候性，且耐水性、耐熱性和耐酸堿性均較好，干燥時間短。經(jīng)過日間照射后，其在暗環(huán)境中的初始亮度達(dá)13.5 cd/m2以上，可持續(xù)發(fā)光至少12 h。將其應(yīng)用于輸電鋁絞絲線上達(dá)到了很好的夜間警示作用。該新型蓄能型發(fā)光涂料的成功研制解決了目前蓄能發(fā)光涂料在成膜物和發(fā)光材料方面面臨的瓶頸問題。