反射隔热涂层半球发射率的影响因素

王 镇，周海洋，罗 蛟 （镇江泛华检测科技有限公司，江苏镇江 212000）

0 引言

建筑反射隔热涂料，其涂层能够反射和辐射太阳辐射的能量，根据对热传导机制的不同，反射隔热涂料可分为3类：阻隔型、反射型、辐射型。本研究制备的反射隔热涂料是反射和辐射复合型涂料。

半球发射率是指热辐射体在半球方向上的辐射出射度与处于相同温度的全辐射体（黑体）的辐射出射度的比值，体现了材料在特定温度下相对黑体的辐射能力。半球发射率是反射隔热涂料的一个重要物理性能参数。其测试理论依据是基尔霍夫辐射定律，即：在平衡条件下，所有物体在一定温度下的辐射功率和辐射吸收率的比值相同，并等同于一个黑体在同一温度下的辐射功率［1-2］。

依据反射隔热涂料测试标准的要求，半球发射率≥0.85，并且其值越大越好，发射率越大，则涂层向外辐射热量的能力也就越大。本研究将从涂料组成、涂膜的状态等方面分析影响涂层半球发射率的因素。

1 试验部分

1.1 原材料和设备

树脂乳液、分散剂、消泡剂、成膜助剂等；颜填料：IR-1000近红外反射二氧化钛、高岭土、碳酸钙等。高速分散机SFJ-400，现代环境；便携式辐射率仪：AE1/RD1；线棒涂布器等。

1.2 涂料配方

选择市售建筑涂料用基础物料，依据表1配方进行涂料制备并制作样板测试。

表1 涂料配方Table 1 Coatings formula

1.3 半球发射率的测定

半球发射率的依据GB/T 25261—2018 《建筑用反射隔热涂料》测试涂层的半球发射率。涂覆后的试板均在标准环境条件［温度（23 ± 2） ℃，湿度（50 ± 5） %］下养护7 d后进行测试。

2 结果和讨论

涂料组分主要是由粉体材料、黏结剂和各种助剂组成，涂层中的有效成分是决定其半球发射率最直接的因素。涂层中的有效成分以粉体材料和黏结剂居多，这些粉体材料（非金属无机材料）的发射率一般都在0.8以上。高发射率涂料的粉体材料主要是有着较高耐热性能的金属氧化物的复合物和碳化物，通常有SiO2、CuO、Fe2O3、MnO2、Cr2O3、ZrO2、A12O3、ZnO、Co2O3、石墨等。

高发射率涂料的黏结剂分为有机聚合物和无机聚合物［3］。

2.1 合成树脂乳液对涂层半球发射率的影响

采用常用的合成树脂乳液，如硅丙乳液、苯丙乳液、纯丙乳液单独制成铝基涂膜，测试其半球发射率，结果见表2。

表2 合成树脂乳液的半球发射率Table 2 Hemispherical emissivity of synthetic resin emulsion

依据表 1配方制备涂料，并制板，涂层的半球发射率测试结果见表3。由表2、3可见，不同树脂乳液的半球发射率存在差异，但制成涂料后的影响不大。其原因是乳液为主要成膜物质，起到黏结剂的作用，其决定了涂料的基本特性，但多数乳液成膜后都呈透明或半透明的状态，所以对涂层半球发射率的贡献区别不大。

表3 涂层的半球发射率Table 3 Hemispherical emissivity of the coating

2.2 颜料体积浓度对涂层半球发射率的影响

表4 颜料体积浓度对涂层半球发射率的影响Table 4 The influences of pigment volume concentration on the hemispherical emissivity of the coating

颜料体积浓度（PVC）是指涂料中着色颜料和体质颜料的体积与配方中所有不挥发分（包括乳液固体分、着色颜料和体质颜料）的总体积之比。颜料体积浓度对涂层半球发射率的影响见表4。

从表4中可以看出，随着颜料体积浓度的增加，涂层的半球发射率有所提高。其原因在于涂层半球发射率的贡献主要来自于涂料中的颜填料，高颜料体积浓度的样品在制膜后单位面积涂层中包含了更多的颜填料粒子，从而提高了涂层的半球发射率，并且随着PVC的提高，颜填料需要更多的树脂乳液来包裹，涂层表面相对于低PVC的涂层稍显粗糙。因此，高PVC涂层的半球发射率稍高。但是由于半球发射率的高低主要取决于涂层的表面状况，同时依据测试标准要求进行测试的涂膜厚度都在150 μm以上，涂层有足够的厚度，也间接削弱了不同PVC浓度对结果的影响，总之随着PVC的提高，涂层的半球发射率随之提高，但总体影响有限。

2.3 颜色对涂层半球发射率的影响

分别使用铁黄和铁黑颜料与白色基础漆进行配漆，制备出不同明度值的涂料并刮板制样，涂层半球发射率检测结果见表5。

表5 颜色对涂层半球发射率的影响Table 5 The influences of color on the hemispherical emissivity of the coating

由表5可见，不同颜色涂层的半球发射率存在细微的差别，这可能是由于不同着色颜料对红外辐射的吸收率不一样所致，但总体来说影响也不大。

2.4 涂层厚度对半球发射率的影响

半球发射率表征的是涂层对外辐射热量的能力。涂层发射率和涂层厚度的关系比较复杂，呈“∩”型。涂层厚度对半球发射率的影响见图1。由图1可见，当膜厚只有20 μm时，其涂层的发射率就达到0.8以上。同时随涂层厚度的逐渐增加，半球发射率也随之增加。但是在涂层达到一定厚度（150 μm左右）时，基本达到平衡。继续增加涂层的厚度，其半球发射率反而下降。其原因可能是当涂层较厚时，阻止了热量向涂层内部进行传导，间接导致涂层表面的温度提升，直接表现为半球发射率值变低。

图1 涂层厚度对半球发射率的影响Figure 1 The influences of coating thickness on the hemispherical emissivity

2.5 表面粗糙度对涂层半球发射率的影响

采用相同的方法和同一种涂料分别制得相同膜厚的样板A和B，将样板B进行拉毛处理，使得涂膜表面结构相对较粗糙后进行半球发射率测试，结果见表6。

表6 表面粗糙度对涂层半球发射率的影响Table 6 The influence of surface roughness on the hemispherical emissivity of the coating

由表6可见，粗糙表面的半球发射率得到提高。从主动式测温来讲，这是由于粗糙的表面结构增强了涂层表面对红外辐射的多次散射和捕捉吸收的机会［4］。其次从辐射角度来看，凹凸不平的表面使辐射体的相对辐射面积增大，从而增加了辐射能，提高了涂层对红外辐射的吸收率。

2.6 施工方式对涂层半球发射率的影响

同一种涂料采用不同的施工方式，对涂层半球发射率的影响见表7。

表7 施工方式对涂层半球发射率的影响

由表7可见，刷涂和刮涂的试板涂层半球发射率稍低于喷涂的试板。这可能是由于相较于刮涂和刷涂，喷涂的施工方式得到的涂层更加致密。同时在高PVC涂料施工过程中，采用喷涂法能使涂膜表面更易暴露裸露的颜填料粒子，使涂层半球发射率得到提高。

3 结语

涂层半球发射率是建筑反射隔热涂料的一个重要的功能性技术指标。通过上述试验可以发现，涂层半球发射率的高低主要受涂层的表面状况、涂层厚度等方面的影响，因此研发高发射率的涂料必须从这几方面入手。同时将高反射比和低导热涂层相互结合来保证涂层的隔热保温性能，满足节能减排的要求，以达到降低能耗的目标。