楊光，鄧安仲*

（中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401311）

光譜選擇性散熱涂層的制備及性能

楊光，鄧安仲*

（中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401311）

分別用鈷藍(lán)和群青這兩種藍(lán)色顏料，制備了以苯丙乳液為成膜物質(zhì)的光譜選擇性散熱涂層，采用紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)和紅外輻射率測(cè)量儀考察了顏料種類及其用量對(duì)涂層性能的影響。通過自制裝置測(cè)試了涂層的隔熱性能及箱體中心的輻射熱流。結(jié)果表明：群青涂層的隔熱性能更好，在最優(yōu)摻量均為5%的情況下，相比鈷藍(lán)涂層，其全波段平均反射比高14.91個(gè)百分點(diǎn)，平衡溫度低2.3 °C，輻射熱流多降低了0.45個(gè)百分點(diǎn)。

光譜選擇性涂層；苯丙乳液；顏料；反射比；隔熱；輻射熱流

Abstract:A spectrally solar selective cool coating was prepared from styrene–acrylic emulsion with cobalt blue and ultramarine blue as pigment, respectively.The effects of type and content of pigment on properties of the coatings were studied by ultraviolet/visible/near infrared spectrophotometer and infrared radiometer.The heat insulation performance and radiant heat flux in the center of a chamber were tested by a home-made device.The result showed that the coating prepared with ultramarine blue has better heat insulation performance.When the optimal contents of both pigments are 5%, the average full-waveband reflectance of the coating prepared with ultramarine blue is 14.91 percentage points higher, as well as its equilibrium temperature is 2.3 °C lower and radiant heat flux is 0.45 percentage points lower as compared with that of the coating prepared with cobalt blue.

Keywords:spectrally solar selective coating; styrene–acrylic emulsion; pigment; reflectance; thermal insulation; radiant heat flux

First-author’s address:Army Logistics University of PLA, Chongqing 401311, China

光譜選擇性散熱涂層是一種針對(duì)可見光(400 ～ 780 nm)和近紅外(780 ～ 2500 nm)波段進(jìn)行選擇性反射的功能性涂層[1]。太陽光中可見光和近紅外占到了總能量的 95%[2]，因此此類涂層可以起到隔熱降溫的作用。它們還可將吸收的熱能通過8 ～ 14 μm波段的“大氣窗口”以熱輻射的形式釋放出去，進(jìn)一步增強(qiáng)涂層的降溫性能，因此被廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能、紅外隱身等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。國際上第一個(gè)關(guān)于光譜選擇性散熱涂層的標(biāo)準(zhǔn)是ASTM C1483-04 Standard Specification for Exterior Solar Radiation Control Coatings on Building[3]。曹延鑫等[4]選用片狀鋁粉、石墨、金紅石型二氧化鈦、碳化硅和氧化鋅，以聚氨酯為粘合劑，在金屬鋁罐上制備了散熱涂層，比較了日光下罐體內(nèi)溫度的變化，認(rèn)為具有高光譜反射比是光譜選擇性散熱材料的必要而不充分條件。王文弟[5]根據(jù)油浸變壓器的工作產(chǎn)熱因素，從填料選擇及其含量、填料與樹脂潤濕性的角度，探討了它們對(duì)導(dǎo)熱散熱涂層性能的影響，所制涂層在不同季節(jié)的散熱性均較好。鈷藍(lán)和群青是2種常見的藍(lán)色顏料，然而將它們應(yīng)用于光譜選擇性散熱涂層方面卻鮮有報(bào)道。本文考察了這兩種顏料對(duì)光譜選擇性涂層性能的影響，為它們的應(yīng)用提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

苯丙乳液503(固含量48%)，廣東特潤德；鈷藍(lán)B2805(平均粒徑1.5 μm)，湖南巨發(fā)；群青5003(平均粒徑6.5 μm)，英國好利得；潤濕劑CF-10，美國迪高；增稠劑SN-162，日本諾普科；消泡劑L-1311，美國亞什蘭；分散劑BYK-163，德國畢克；成膜助劑Texanol，美國伊士曼；去離子水，自制；100 mm ×80 mm × 1 mm 鋁板(用于測(cè)光學(xué)性能)、150 mm × 70 mm × 5 mm 石棉水泥板(用于測(cè)隔熱性能)、120 mm ×25 mm × 0.2 mm馬口鐵板(用于測(cè)力學(xué)性能)，市售。

1.2 光譜選擇性散熱涂層的制備

向各自裝有100 g苯丙乳液、4 g成膜助劑和約6 g分散劑的8個(gè)燒杯中分別加入10、20、30和40 g兩種色漿[m(顏料)∶m(去離子水) = 1∶1](對(duì)應(yīng)顏料摻量為5%、10%、15%和20%)，在800 r/min下研磨，混合均勻后加入4 g消泡劑。調(diào)低砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速至400 r/min，再低速攪拌0.5 h，加入4 g增稠劑調(diào)節(jié)涂料的黏度至200 mPa·s后過濾出料。

將適量涂料注入噴涂裝置，在噴涂壓力0.3 MPa之下，保持噴槍與基材垂直相距300 mm，向打磨、除油后的鋁板和馬口鐵板以及除塵過的石棉水泥板表面均勻噴涂涂料，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件[溫度(23 ± 2) °C，相對(duì)濕度50% ± 5%]下放置168 h至完全干燥，干膜厚度約為50 μm。

1.3 表征與性能測(cè)試

采用澳大利亞安捷倫的Cary-5000型紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)測(cè)量顏料和涂層的反射比ρ(λ)，用聚四氟乙烯(PTFE)進(jìn)行基線校準(zhǔn)。

采用中科院北京物理研究所的IR-2型雙波段發(fā)射率測(cè)量儀測(cè)量涂層在8 ～ 14 μm波段的半球發(fā)射率，測(cè)量前先設(shè)定黑體溫度為250 °C，待黑體溫度穩(wěn)定后，插上8 ～ 14 μm濾波片，使用3塊標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)。

采用如圖1所示的自制隔熱性能測(cè)試裝置測(cè)試涂層的隔熱性能以及箱體中心的輻射熱流變化。紅外燈的額定功率為275 W，在用聚苯乙烯泡沫制作的箱體(內(nèi)部尺寸為300 mm × 300 mm × 300 mm)的頂部開一個(gè)比試板尺寸略小的槽，令其剛好卡住不致掉落。用熱電偶探針每隔30 s采集一次涂層試板背面和箱體中心的溫度。

圖1 隔熱性能測(cè)試裝置Figure 1 Device for testing the thermal insulation performance

分別參照GB/T 1720–1979《漆膜附著力測(cè)定法》和GB/T 1732–1993《漆膜耐沖擊測(cè)定法》，用天津精科材料試驗(yàn)機(jī)廠的 QFC型漆膜附著力測(cè)量儀和漆膜沖擊器測(cè)試涂層的附著力和沖擊強(qiáng)度。按 GB/T 1731–1993《漆膜柔韌性測(cè)定法》測(cè)定涂層的柔韌性。

2 結(jié)果與討論

2.1 顏料的反射比

鈷藍(lán)和群青在可見光和近紅外波段的反射比如圖2所示。2種顏料均在約442 nm處有較強(qiáng)的反射峰，原因是它們均為深藍(lán)色，在可見光中反射藍(lán)色光(435 ～ 450 nm)而存在較強(qiáng)的反射峰。但它們?cè)诮t外波段的反射比曲線差異較大，鈷藍(lán)在1300 ～ 1500 nm波段存在較強(qiáng)的吸收，這是Co2+的強(qiáng)吸收帶所致[6]。群青的反射比隨波長的增大而提高。由反射比曲線計(jì)算得出的平均反射比列于表 1，群青相比鈷藍(lán)擁有高出8.86個(gè)百分點(diǎn)的全波段反射比。

2.2 光譜選擇性散熱涂層的性能

2.2.1 反射性能

圖2 2種顏料的可見光?近紅外反射光譜Figure 2 Vis-NIR reflection spectra of the two kinds of pigments

表1 2種顏料的反射比Table 1 Reflectance of the two kinds of pigments

顏料摻量不同的2種涂層的反射光譜如圖3所示。在可見光波段，涂層的反射比曲線的變化趨勢(shì)與顏料自身的反射比曲線類似，這是由于苯丙乳液固化后是無色透明的，具有較好的可見光透過性。然而在近紅外波段，二者差別較大，這是因?yàn)楸奖橐汗袒蟮耐繉颖旧砭哂幸欢ǖ慕t外反射性能，而且紅外線的致熱作用使近紅外長波區(qū)(1100 ～ 2500 nm)的反射比曲線波動(dòng)較大。由表2列出的不同顏料摻量下涂層的平均反射比可知，在全波段，隨著顏料摻量增大，2種涂層的全波段反射比均降低，這是因?yàn)?種藍(lán)色顏料的明度較低，摻量增加會(huì)吸收更多可見光。對(duì)于鈷藍(lán)涂層來說，其含有的Co2+離子在近紅外波段存在較強(qiáng)的吸收帶，增加其摻量令吸收帶更強(qiáng)，這也是涂層全波段反射比下降的原因。當(dāng)群青和鈷藍(lán)摻量為5%時(shí)，2種涂層的全波段反射比均最大，分別為45.95%和31.04%，由此而選擇顏料摻量為5%作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)。相同摻量下群青涂層的全波段反射比要高于鈷藍(lán)涂層的全波段反射比，這是由于鈷藍(lán)顏料在1300 ～ 1500 nm波段存在較強(qiáng)的吸收，因此拉低了涂層的全波段反射比平均值。

圖3 不同顏料摻量所制涂層的可見光?近紅外反射光譜Figure 3 Vis-NIR reflection spectra of the coatings prepared with different pigment contents

表2 不同顏料摻量所制涂層的反射比Table 2 Reflectance of the coatings prepared with different pigment contents

2.2.2 輻射散熱性能

涂層在輻射制冷的大氣窗口8 ～ 14 μm波段的半球發(fā)射率可近似代表其輻射散熱性能。測(cè)得2種涂層在此波段的半球發(fā)射率見表 3。因?yàn)楸奖橐汉皖伭系陌肭虬l(fā)射率不低，所以涂層的半球發(fā)射率均較高。顏料的摻量對(duì)涂層的半球發(fā)射率影響不大，相同摻量下的涂層的半球發(fā)射率也基本相同，可見它們的輻射散熱性能差別不大，均較好。

表3 不同顏料摻量所制涂層的半球發(fā)射率Table 3 Hemispherical emittance of the coatings prepared with different pigment contents

2.2.3 隔熱性能

紅外燈照射試驗(yàn)所得溫度?時(shí)間變化曲線如圖4所示?？瞻装?、群青涂層板與鈷藍(lán)涂層板均在約15 min左右達(dá)到溫度平衡?？瞻资匏喟宓钠胶鉁囟葹?2.9 °C，因表面無涂層導(dǎo)致其吸收紅外光較多，故平衡溫度最高。而其他2塊試板由于覆蓋具有一定的近紅外反射性能和輻射散熱性能的涂層，平衡溫度降低。其中群青涂層試板的平衡溫度為63.1 °C，比鈷藍(lán)涂層試板的平衡溫度低2.3 °C，這是因?yàn)槿呵嗤繉釉嚢宓慕t外反射比更高，所以在輻射散熱性能差不多的情況下，群青涂層的隔熱性能更佳。

圖4 空白板以及涂層試板的溫度?時(shí)間曲線Figure 4 Temperature vs.time curves for blank and coated panels

2.2.4 輻射熱流降低性能

當(dāng)試板處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，箱體中心也近似處于熱平衡狀態(tài)，假定紅外燈照射使試板升溫，其獲得的熱量全部通過背面輻射傳遞給箱體中心而沒有損耗，則按式(1)可計(jì)算出試板背面對(duì)箱體中心的輻射熱流q[7]：

其中，Stephan-Soltzmann常數(shù)σ = 5.67 × 10?8W/(m2·K4)，1ε和2ε分別為試板及聚苯乙烯泡沫的紅外發(fā)射率(通常取0.90)，1T和2T分別是試板背面和箱體中心的平衡溫度(單位為K)。不同試板對(duì)箱體中心的輻射熱流見表 4。相比空白板，鈷藍(lán)涂層試板和群青涂層試板對(duì)箱體中心的輻射熱流明顯減小，分別降低了7.98%和8.43%，說明噴涂有光譜選擇性散熱涂層的石棉水泥板可明顯降低“室內(nèi)”的溫度，起到一定的隔熱節(jié)能作用。

表4 箱體中心輻射熱流的變化Table 4 Variation of radiant heat flux in the center of chamber

2.2.5 力學(xué)性能

鈷藍(lán)涂層和群青涂層的基本力學(xué)性能見表 5。隨著顏料摻量增加，涂層的力學(xué)性能略微下降，原因是顏料摻量增加會(huì)減弱苯丙分子的交聯(lián)力。相同摻量下，群青涂層的力學(xué)性能略遜于鈷藍(lán)涂層的力學(xué)性能，但仍可滿足建筑涂層的基本要求。

表5 不同顏料種類及不同用量下所制涂層的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of the coatings prepared with different types and contents of pigments

3 結(jié)論

分別采用群青和鈷藍(lán)制備了光譜選擇性散熱涂層。當(dāng)顏料摻量為5%時(shí)，2種涂層的全波段平均反射比均最大，分別為41.95%和31.04%，群青涂層比鈷藍(lán)涂層高10.91個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)顏料摻量增多，涂層的全波段平均反射比均下降。不同顏料摻量的2種涂層在8 ～ 14 μm波段的半球發(fā)射率基本一致，都具有較好的輻射散熱性能。群青涂層具有比鈷藍(lán)涂層更優(yōu)異的隔熱性能，其平衡溫度更低，溫差達(dá)2.3 °C，輻射熱流降低率高出0.45個(gè)百分點(diǎn)。

[1]SMITH G B, GENTLE A, SWIFT P, et al.Coloured paints based on coated flakes of metal as the pigment, for enhanced solar reflectance and cooler interiors:description and theory [J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 2003, 79 (2): 163-177.

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[ 編輯：杜娟娟 ]

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Preparation and properties of spectrally solar selective cool coatings

YANG Guang, DENG An-zhong*

TU56; TQ630.7

A

1004 – 227X (2017) 18 – 0961 – 05

2017–01–21

2017–03–26

楊光（1990–），男，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生，主要從事建筑節(jié)能材料的研究。

鄧安仲，教授，(E-mail) denglin929@126.com。

10.19289/j.1004-227x.2017.18.002