彩色复合型反射隔热涂层的制备及性能

杨 光



彩色复合型反射隔热涂层的制备及性能

杨 光

（中国人民解放军 后勤工程学院，重庆 401331）

将空心微珠和二氧化钛为填料的涂层做底层，反射型颜料的涂层做表层，制备了阻隔-反射彩色复合型反射隔热涂层。采用紫外/可见/近红外分光光度计、红外发射率仪、精密色差仪和扫描电子显微镜对涂层性能进行表征，自制隔热性能测试装置考察涂层的隔热性能。结果表明，采用复合型涂层结构可显著提高涂层的太阳光反射比和隔热性能，铬绿、群青和铁铬黑颜料掺量分别为20%、20%和10%时，复合涂层的太阳光反射比较高，可达0.646 1、0.602 1和0.539 8，比相同颜料掺量的表层高40.82%、31.03%和58.67%，隔热性能比相同颜料掺量的表层高2.5、1.9和2.8 ℃，其主要应用性能符合相关标准。

颜料；反射隔热；反射比；半球发射率；涂层结构；复合涂层

太阳拥有着巨大的能量，每分钟有约1.06×l019J的能量传递给地球[1]，如此多的能量为人类生活提供了最基本的条件，但强烈的热辐射也给我们的生活带来很多弊端[2]，建筑外表、油罐外壁、军事装备等工作状态很大程度上受太阳照射的影响[3]。为此，科研工作者纷纷投入到隔热保温材料方面的研究中。然而已较为常用的隔热保温材料如保温砂浆和保温隔热泡沫板等存在着较多的缺陷[4]，降低了其隔热保温的效果。

反射隔热涂层是一种薄层的功能型涂层，由于涂覆方便、不受基底材料类型的限制而逐渐成为人们关注的焦点。太阳光中可见光（380~780 nm）和近红外（780~2 500 nm）占到了全光谱能量的95%，涂层如若在这两个波段具有较高的近红外反射率，则可反射部分致热光线，降低其内部的温度，进而达到隔热降温的效果。反射隔热涂料可分为三种，阻隔型、反射型和辐射型，文献[5]研究了涂层结构对涂层性能的影响，认为更改涂层结构对涂层性能具有一定提升作用。

本文将空心玻璃微珠和金红石型二氧化钛为填料的阻隔型涂层作为底面涂层，将彩色反射型颜料的涂层作为表面涂层，制备了彩色的底-表面复合型反射隔热涂层，探讨涂层结构和表面涂层中的颜料掺量对复合涂层性能的影响，旨在为新型反射隔热涂层的应用提供一定的借鉴意义。

1 实验部分

1.1 实验原料

苯丙乳液601，德国巴斯夫，群青5008，英国好利得，铁铬黑A2901，湖南巨发，铬绿GN-M德国拜耳，二氧化钛R902+，美国杜邦，空心微珠VS5500，上海向岚，增稠剂SN-612，日本诺普科，消泡剂L1311美国亚什兰，分散剂BYK163，德国毕克，成膜助剂TEXANOL，美国伊士曼，均为工业品；去离子水，实验室自制；铝板（100 mm×80 mm×1 mm）和石棉水泥板（150 mm×70 mm×5 mm）均为市售。

1.2 实验方法

底面涂层的制备：称取25 g二氧化钛与25 g去离子水混合，加入1.5 g分散剂，中速（800 r/min，下同）砂磨5 min 后过滤得色浆，称取40 g色浆至400 g苯丙乳液中，滴入4 g成膜助剂，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，加入适量消泡剂和增稠剂出料，将涂料刷涂在铝板和石棉水泥板表面，室内干燥7 d备用，涂层厚度约为300μm。

表面涂层的制备：分别称取25、50、75和100 g群青、铁铬黑和铬绿颜料，对应与25、50、75和100 g去离子水混合，分别加入1.5、3、4.5和6 g分散剂，中速砂磨5 min后过滤得到蓝色、黑色和绿色色浆，分别称取40、80、120和160 g的三种色浆至400 g苯丙乳液中，滴入4 g成膜助剂，中速分散30 min，加入适量的消泡剂和适量的增稠剂出料，将涂料喷涂在铝板和石棉水泥板表面，室内干燥7 d备用，涂层厚度约为50μm。

复合涂层的制备：将表面涂料喷涂在干燥的底面涂层表面，室内干燥7 d备用，涂层厚度约为350μm。

1.3 仪器与表征

采用澳大利亚安捷伦的Cary-5000型紫外/可见/近红外分光光度计测量颜填料及涂层的太阳光（400~2 500 nm）和近红外（780~2 500 nm）反射比，分别记为TSR和NIR；采用上海汉谱光电科技有限公司的HP-200精密色差仪测量涂层的明度*；参照JG/T 235—2014《反射隔热涂料》测试涂层的人工气候老化后涂层的太阳光反射比变化率△TSR；隔热性能测试装置如图1所示，采用Philips GE 275R型275 W红外灯进行照射实验，热电偶每隔5 min记录一次试板背面温度，共记录30 min；采用日本日立公司的SN-3700N型场发射扫描电子显微镜观察涂层的断面微观形貌（SEM）。

1—涂层试板；2 —热电偶探针；3 —聚苯乙烯隔热泡沫；4—红外灯；5 —温度采集器

2 结果与讨论

2.1 颜填料的反射比

涂层中的颜填料的反射比是影响其反射隔热性能的主要因素，为此，测试了所用颜填料的近红外和太阳光反射比，结果如图2和表1所示，由图2和表1可知，底面涂层用二氧化钛和空心微珠具有十分优异的光谱反射特性，全波段反射比分别达到0.840 7和0.627 3，这是因为两种颜填料外观均为白色，可反射大部分的太阳光，因此具有较高的反射比；表面涂层用三种颜料由于呈现出黑色、蓝色（对应特征反射峰的波长约为435~450 nm）或绿色（对应特征反射峰的波长约为492~577 nm）而对可见光近乎完全的吸收或几乎仅反射对应颜色波长的可见光，因此拉低了三种颜料全波段反射比，群青、铁铬黑和铬绿颜料的太阳光反射比分别为0.567 1、0.495 7和0.386 9。

图2 颜填料的反射率曲线

表1 颜填料的反射比

2.2 涂层结构对涂层性能的影响

2.2.1 太阳光反射比

为探究涂层结构对三种涂层反射比的影响，测量了以群青、铁铬黑和铬绿为颜料的表面涂层和复合涂层的太阳光反射比，结果如表2所示，其中颜料掺量为20%的涂层反射比曲线如图3所示，由图3可知，采用复合型涂层结构并未改变涂层在可见光波段的特征颜色反射峰，可进一步证实涂层的外观颜色并未发生较大改变；由表2可知，铬绿、群青和铁铬黑颜料掺量分别为20%、20%和10%时，复合涂层的太阳光反射比较高（字体加粗数据），分别可达0.646 1、0.602 1和0.539 8，分别比单一表面涂层高40.82%、31.03%和58.67%，由此可见，采用复合型涂层结构可显著提高三种表面涂层的反射比。

图3 颜料掺量为20%的涂层反射比曲线

表 2 涂层反射比

注：△为相同颜料掺量下涂层的太阳光反射比增加量。

以铁铬黑掺量为20%复合涂层断面的SEM图（图4）为例，分析复合型涂层结构提升涂层反射比的原因，由图4可见，下半部分为底面涂层，其中可见球形的空心微珠被复合乳液紧密包裹，即使在液氮脆断的外力作用下仍未脱离涂层，由此可见空心微珠和苯丙乳液结合十分紧密，由于空心微珠密度较小，在浮力作用下分布在涂层上方，形成了致密的隔热层，因此可以起到较好的隔热效果，但由于放大倍率较小，图中未见纳米级二氧化钛粒子，空心微珠和二氧化钛可将透过表面涂层的太阳光进行二次反射，与文献[6]结果一致；上半部分为表面涂层，其中的反射型颜料可起到反射太阳光的作用；复合涂层据此涂层结构可达到底层隔热，表层反射的效果，涂层致密减小了吸收及透射几率，增大了反射几率，根据图4画出复合涂层隔热模型，如图5所示。

2.2.2 辐射燃热性能

根据韦恩位移定律[7]：

式中，λm为一定温度下绝对黑体的最大辐射值对应的波长，T为对应的黑体温度，b为常数。由此可知，当涂层表面温度介于0~50 ℃之间时，最大辐射值对应的波长就介于8.97~10.6μm之间，因此8~14μm波段为涂层辐射制冷的窗口，涂层在此波段的半球发射率可反映其辐射散热性能。

图5 复合涂层反射隔热模型

测试了三种涂层的半球发射率，结果如图6所示，由图6可知，涂层结构对涂层的半球发射率影响较小，三种涂层的半球发射率均处在较高的水平，具有较好的辐射散热性能。

图6 复合涂层的半球发射率

2.2.3 隔热性能

采用图1的隔热性能测试装置对三种颜料掺量为20%的涂层进行了隔热性能测试，温度-时间变化曲线如图7所示，由图7可知，所有试板均在约20 min后达到温度平衡，其中，群青复合涂层试板、铁铬黑复合涂层试板和铬绿复合涂层试板的平衡温度分别比对应表面涂层低1.9、2.8和2.5 ℃，由此可见，采用复合型涂层结构可提高涂层的隔热性能，原因可归纳为两点，第一，涂有复合型反射隔热涂层的试板由于涂层中颜填料对近红外线的反射作用使涂层起到了反射隔热的效果，第二，涂有复合型反射隔热涂层的试板由于涂层具有较高的半球发射率，即便涂层由于红外灯的照射而吸热升温，也由于具有高半球发射率使涂层起到了辐射隔热的效果，两者的协同左右增强了涂层的隔热效果。

图7 涂层试板的温度变化曲线

2.3 复合涂层主要应用性能

采用精密色差仪测量了三种复合涂层的明度*，结果显示三种涂层均为低明度涂层（*≤40），根据JG/T 235—2014《反射隔热涂料》对涂层主要应用性能的要求（如表3所示），对三种涂层进行了主要应用性能测试，结果如表4所示，由表4可知，三种复合涂层的四种主要指标均符合相关标准要求，且涂层的人工气候老化后太阳光反射比变化率均在5%以内，具有较好的耐候性和耐久性，满足实际应用的基本条件。

表3 低明度涂层应用性能要求

表4 颜料掺量为20%的复合涂层反射比

3 结论

采用底-表面复合型涂层结构制备了绿色、蓝色和黑色的三种彩色复合型反射隔热涂层，主要结论有，涂层结构对复合型涂层的太阳光反射比和隔热性能均具有一定的影响，当铬绿、群青和铁铬黑颜料掺量分别为20%、20%和10%时，复合涂层的太阳光反射比可分别高达0.646 1、0.602 1和0.539 8，比对应单一表面涂层的太阳光反射比高40.82%、31.03%和58.67%，此时，复合型涂层的隔热性能比对应单一表面涂层高2.5、1.9和2.8 ℃，主要应用性能满足JG/T 235—2014 建筑反射隔热涂料的要求。

［1］闫云飞, 张智恩, 张力, 等.太阳能利用技术及其应用[J]. 太阳能学报, 2012, 33(增): 47-56.

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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

杨光（1990-）男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向：建筑节能材料。E-mail：262567429@qq.com。