建筑用彩色超疏水辐射降温涂层的制备与性能研究

陆春华，陶爽，房正刚，倪亚茹

（南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京211816）

0 引言

据不完全统计， 目前降温能耗约占总能耗的15%，常用的降温手段如空调等，由于需要使用氟利昂作为传热介质，会带来大量的温室气体排放，因此，人们急需一种低能耗、低排放的降温手段来缓解当前问题。

光谱选择性辐射降温是近期人们所关注的一类颠覆性降温技术手段， 它是一种自发进行的降温方式，具有零能耗、零排放等优点，其核心工作原理在于物体表面持续不断地向外释放红外辐射能量。

1 实验方法

1.1 实验原料

制备建筑用装饰性辐射降温涂层所用材料包括硅微粉、云母、稀土硅酸盐与钼酸盐，其中硅微粉与云母为市售粉体， 稀土硅酸盐与钼酸盐通过溶胶凝胶法制备。 所使用的红、绿、蓝三种颜色的功能颜料分别为喹吖啶酮、酞菁绿和酞菁蓝，均为市售粉体。高透明树脂使用的是TPX，为市售树脂。

1.2 功能颜料疏水改性

量取30 ml 乙醇与10 ml 氨水混合，称取0.3 g颜料加入，超声分散10 min 制得悬浊液。 然后量取2 ml 原硅酸四乙酯与0.6 ml 全氟辛基三乙氧基硅烷，在50 ℃下逐滴加入悬浊液中，搅拌反应6 h 后得到疏水改性功能颜料。

1.3 彩色超疏水辐射降温涂层制备方法

首先，称取2.5 g TPX 树脂，加50 ml 三氯乙烯溶剂，在60 ℃下搅拌加热1 h 至溶解。 其次，按比例称取粉体2 g，与TPX/三氯乙烯树脂溶液球磨混合8 h，得到辐射降温功能涂料。 接着， 采用机械涂布的方法，将辐射降温功能涂料涂布于铝片上，并在室温下自然固化以获得稳定的辐射降温涂层。 最后， 量取1 ml 所制备的疏水改性颜料，喷涂于辐射降温涂层表面得到具有不同颜色的超疏水辐射降温涂层。

1.4 性能表征方法

采用紫外-可见光-近红外分光光度计测试样品的漫反射光谱，对比样品为BaSO4，扫描速度中等，抽样间隔为2.0 nm，测量波长范围是0.30～2.50 μm。

通过傅里叶变换红外光谱仪测试样品的反射光谱，测量波长范围是2.50~20.00 μm。

2 结果与讨论

2.1 辐射降温涂层光谱性能分析

图1 和图2 分别为辐射降温涂层在紫外-可见-近红外波段的反射率与在中远红外波段的发射率。 由于辐射降温涂层整体结构不透明，因此材料反射率与吸收率之和为1， 根据基尔霍夫定律，物体的吸收率与发射率相等，因此可通过表征材料的反射率从而计算出发射率。

由图1 可知，三种颜色的辐射降温涂层在太阳光波段均具有窄带的吸收，同时在近红外波段都具有高反射， 因此可以将对辐射降温的影响降至最低。 由图2 可知，三种颜色的涂层在大气窗口范围均具有选择性发射性能。 因此，所制备涂层均具有在辐射降温方面的应用潜力。

图1 辐射降温涂层在太阳光波段的反射率

图2 辐射降温涂层与在中远红外波段的发射率

2.2 辐射降温涂层理论降温效果计算

辐射降温涂层的降温效果可通过能量平衡公式进行计算，如式（1）所示：

式中，Pnet为降温净功率密度，Pr为涂层向外发射的功率密度，Pa为物体吸收大气辐射的功率密度，Psun为物体吸收太阳辐射的功率密度，Pnon为传导对流换热功率密度。 各项的计算公式如式（2~5）所示：

式中：er为涂层发射率，ea为大气发射率，t（λ）为大气辐射率，IAM1.5为美国国家标准太阳光谱，q 为传导-对流换热系数，B 为黑体辐射功率密度，Tr和Ta分别为物体的温度和环境温度[1-2]。

根据式（1~5）可以计算不同温度下材料的降温净功率，可以发现随着辐射降温涂层本身温度的降低，其向外辐射的净功率也在降低，当其降温净功率降低至0 时， 辐射降温涂层达到降温的稳定值，此时辐射降温涂层的温度与环境温度的差值便是辐射降温涂层可以达到的降温温差。 在计算中，定义环境温度为室温298.15 K，传导-对流换热系数为6.9，计算结果如图3 所示，由图3 可知，三种颜色的辐射降温涂层均具有一定的低于环境的降温效果。 其中，红色辐射降温涂层具有最佳的降温效果，最大达到了12 ℃；而蓝色与绿色辐射降温涂层的降温效果偏弱，主要在于蓝色与绿色辐射降温涂层吸收的可见光能量要高于红色。

图3 彩色辐射降温涂层的理论降温性能

2.3 涂层色度表征

使用CIE 色度空间Lab 参数对涂层进行色度参数表征，同时计算其与白色涂层的色差值，结果如表1 所示。 当色差值超过3.5 时，可认为两种物体具有明显的色差，因此，三色涂层与原始的白色涂层的色差值都超过3.5，具有明显的色度值。

表1 三色涂层与白色涂层的Lab 参数及色差值

2.4 涂层疏水性表征

在颜料的疏水化改性过程中， 原硅酸四乙酯在碱性条件下会发生水解，形成带有四个羟基的硅醇，同时氟硅烷分子中的烷氧基也会发生水解， 在硅醇的作用下接枝到颜料颗粒的表面， 从而使得颜料获得超疏水性能。当水滴滴落至涂层表面时，其无法润湿涂层表面，而是形成球形水珠滚落到涂层外部，说明辐射降温涂层已具备较好的超疏水性能。

3 结论

（1）为满足建筑节能和装饰性等多种要求，在原白色系辐射降温涂层材料的基础上， 通过选用具有可见锐吸收光谱特性的功能颜料进一步组装复合，获得一类新型的彩色辐射降温涂层材料。理论分析结果表明，红、黄、蓝三种颜色的辐射降温涂层在室温下都具有低于环境的降温效果。

（2）为降低表面污染和水吸附对辐射降温涂层的降温性能影响，采用氟硅烷对颜料颗粒进行疏水改性，获得了彩色超疏水自洁净辐射降温涂层。该类新兴辐射降温涂层材料可用做建筑外墙、 吊顶以及屋面等，在工业、农业等领域具有广泛的应用前景。