EPDM 基低发射低反射涂料的制备及其性能

何 燕，张 雄，张永娟

（同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804）

Shi等［1］通过建筑能耗分析软件Energy Plus分析了高原和寒冷地区14个城市的建筑物全年空调能耗、空调采暖能耗峰值、空调制冷能耗峰值与涂料红外发射率和太阳能反射率的关系.研究表明，在高原地区和严寒地区，具备“双低”性能的涂料可较大幅度地降低建筑物全年空调能耗.综合各方面因素，得出这2类地区建筑保温涂料的合理光学性能参数红外发射率为0.3～0.4，太阳能反射率为0.3～0.5.此成果为高原和寒冷地区节能涂料的光学性能设计提供了科学依据.

一般建筑节能涂料主要由基料、颜料及各种助剂组成.基料和颜料是影响涂料红外发射率及太阳能反射率的主要因素.研究表明，三元乙丙橡胶（EPDM）作为一种红外透明聚合物，既有较高的红外发射率，又有较好的物理机械性能，是较理想的基料.金属颜料因其在红外波段的强反射、低发射性能，被广泛应用于低发射率涂料的研制中.国内外大量研究表明［2－3］，金属颜料的形貌、粒径和掺量对涂料红外发射率具有较大影响.因此，优化金属颜料与三元乙丙橡胶（EPDM）组合来制备低发射低反射涂料，是提高高原和严寒地区外墙保温性能，降低建筑能耗的关键.同时本文还分析了涂层反射率、发射率和化学结构等对红外发射率及太阳能反射率的影响机理；对低发射低反射涂层的保温性能、耐温性能以及机械性能进行了研究，为高原和严寒地区的建筑节能涂料应用提供了一定的理论和试验基础.

1 试验

1.1 原材料

基料：国产三元乙丙橡胶.颜料：上海试剂公司产Ni粉、250目（58μm）球状Cu粉；上海旦泽电子有限公司产5μm 片状Cu粉、25μm 片状Cu粉；上海华亭烫金银粉厂产325 目（45μm）漂浮型铝银浆、325目（45μm）非漂浮型铝银浆；上海崇明冶金材料厂产12μm 漂浮型铝粉.测试基料和颜料的发射率，结果分别见表1，2.

表1 EPDM 发射率Table 1 Emissivity of EPDM

表2 颜料发射率Table 2 Emissivity of pigments

1.2 试验方案

按照表3所示的配合比，称取EPDM 置于烧杯中，待完全溶解后，加入颜料和助剂，利用电动搅拌器加热搅拌10min，并利用超声波震荡提高分散度，制得涂料.

表3 EPDM 基涂料配合比Table 3 Mix proportion of coatings with EPDM adhesive g

（1）发射率及反射率测试 将所制备的涂料刮涂于洁净光滑的玻璃平板上制成100mm×100mm×5mm的厚湿膜，自然烘干，形成干膜.采用美国Devices ＆Services Company生产的AE1型辐射率仪测量涂层的长波发射率.利用PE Lambd 950紫外可见光分光光度计测试涂层的可见光及近红外光透射率、可见光及近红外反射率.利用Spectrum GX－Ⅲ型傅里叶变换红外光谱仪测试涂层的红外吸收光谱.

（2）保湿性能测试 将所制备的涂料刮涂于洁净光滑的玻璃平板上制成300 mm×300 mm×5mm的厚湿膜，自然烘干，形成干膜.将涂层置于300mm×300mm×300mm 的木箱底部，木板厚度约为10mm，木箱的顶部覆盖聚乙烯薄膜盖板，木箱四周及底部用40mm 厚的泡沫塑料板（导热系数为0.028W／（m·K））包覆，用硅胶粘结密封.在其中1个侧面中心处打1个直径约6mm的小孔，将热电偶插入木箱中心.将保温装置及测量仪器置于露天环境1h，使其与环境温度平衡，待冰箱温度恒定为0℃时，将装置置于BD／BC－318H 型冰柜内，冰柜门保持敞开状态，每隔5min测量装置内温度及冰箱温度.平衡时装置内与冰箱内的温差为相对温降（Δt）.

2 结果与讨论

2.1 金属颜料对EPDM 基涂层发射率的影响

图1～3分别表示不同金属颜料、不同形貌铜粉以及不同形态铝颜料对EPDM 基涂层发射率的影响.

由图1可以看出，随着镍粉掺量的增加，EPDM基涂层发射率的降低程度较小，降低幅度在0.25之内；随着铜粉和铝粉掺量的增加，EPDM 基涂层发射率的降低程度有所增大，降低幅度在0.40～0.50左右.由此可见，铜粉和铝粉使EPDM 发射率降低的程度远大于镍粉.

图1 不同金属颜料对EPDM 基涂层发射率的影响Fig.1 Effects of metallic pigments on emissivity of coatings with EPDM adhesive

图2 不同形态铜粉对EPDM 基涂层发射率的影响Fig.2 Effects of copper powder forms on emissivity of coatings with EPDM adhesive

图3 不同形态铝颜料对EPDM 基涂层发射率的影响Fig.3 Effects of aluminite powder forms on emissivity of coatings with EPDM adhesive

由图2可以看出，片状铜粉致使EPDM 基涂层发射率降低的程度大于球状铜粉.这是因为铜粉在红外波段主要为漫散射，在同等体积的情况下，片状结构的填料比针状、球状等结构的填料具有更大的比表面积，而且存在边缘散射，因而对于光的散射衰减也更强烈，故片状铜粉比球状铜粉的发射率低.同为片状铜粉，粒径为5μm 的铜粉对EPDM 涂层发射率的降低效果优于粒径为25μm 的铜粉.

虽然粒径为5μm 的铜粉单个微粒的散射截面较小，但是粒径越小，单位体积的微粒数越多.因而EPDM／5μm 片状铜粉涂层的散射系数大于EPDM／25μm片状铜粉涂层.根据能量守恒定律及基尔霍夫定律，散射越大，红外辐射在其中的衰减越多，吸收越小，因而EPDM／5μm 片状铜粉涂层发射率低于EPDM／25μm 片状铜粉涂层.因此填料粒子粒径对涂层热反射性能起关键作用.当光束经过粒子时，除了发生折射、散射外，还会发生衍射现象.衍射现象越明显，光的能量越分散，吸收的能量越少.

由图2还可看出，随着铜粉掺量的增加，EPDM基涂层的发射率先降低后升高，当铜粉掺量（质量分数，下同）为40%～50%时，EPDM 基涂层的发射率平均值最低.EPDM／5μm 片状铜粉涂层的发射率在铜粉掺量为50%时为0.33，EPDM／25μm 片状铜粉涂层的发射率在铜粉掺量为40%时为0.39.在此基础上，继续增加铜粉掺量，涂层发射率反而升高.这是因为当铜粉掺量较小时，铜粉不能完全覆盖在基料表面，铜粉之间存在空隙，不能充分反射红外光；当铜粉掺量达到40%～50%时，铜粉在基料中的空间占有率较高，铜粉均匀分布在涂层内，形成致密且光滑平整的表面［4］，此时可近似认为辐射与物体的相互作用发生在二维界面上，因而反射率最高，发射率最低.但若继续增加铜粉掺量，铜粉不能均匀分散于涂料中，导致涂层表面凹凸不平，辐射在此表面会发生多次漫反射，增加了对红外辐射吸收的机会，也减少了表面法向反射功率，因而发射率增大.

由图3可知，漂浮型铝颜料对EPDM 基涂层发射率的降低效果优于非漂浮型铝颜料，且漂浮型铝粉所形成的涂层比漂浮型铝银浆形成的涂层发射率低.这是因为漂浮型铝粉是叶展型铝，能在流体介质中形成连续的漂浮薄膜，且由于溶剂挥发而形成的垂直对流运动会将密度低的漂浮型铝粉带至涂层的基料空气界面间.干燥后片状铝便紧密平行排布在涂层表面，形成连续致密光泽度高的金属铝膜，这样红外辐射就被很大程度地反射掉［5］.因而EPDM／漂浮型铝银浆涂层的发射率高于EPDM／漂浮型铝粉涂层.铝颜料掺量对涂层发射率的影响与铜粉相似，在40%左右达到最低，此时EPDM／漂浮型铝粉涂层发射率为0.40，EPDM／漂浮型铝银浆涂层发射率为0.47，EPDM／非漂浮型铝银浆涂层发射率为0.51.

图4为铜铝粉复掺对EPDM 基涂层发射率的影响.

由图4可知，铜铝复掺对EPDM 基涂层发射率的降低效果不及铜铝单掺时好，其中当铜铝质量比为5∶5时，EPDM 基涂层发射率最低为0.49.这是因为铜粉的粒径比铝粉小，二者不能均匀分散于基料中，且铜粉不能完全填充于铝粉的空隙中，导致该涂层表面致密性降低、粗糙度增加［6］.

2.2 EPDM 基涂层的红外光谱分析

图5为EPDM 基涂层红外光谱图.

图4 铜铝粉复掺对EPDM 基涂层发射率的影响Fig.4 Effects of copper and aluminite mixed powder on emissivity of coatings with EPDM adhesive

图5 EPDM 基涂层红外光谱图Fig.5 Infrared spectrograms of coatings with EPDM adhesive

由图5 可见，EPDM／Cu涂层、EPDM／Al涂层以及EPDM／Cu－Al涂层的红外反射光谱的吸收峰相似.在2 960～2 850cm－1处有相对较强的吸收峰，对应甲基和亚甲基的饱和C—H 伸缩振动；在1 900～1 650cm－1附近的吸收峰对应羰基的伸缩振动；在1 300～1 000cm－1处的吸收峰对应C—O伸缩振动，其吸收峰相对较弱；在2 360，2 335cm－1附近出现的较弱吸收峰为空气中CO2的特征吸收峰.其中粒径为5μm 铜粉和粒径为25μm 铜粉掺量均为40%时，涂层相应波段的吸收峰最弱.根据基尔霍夫定律，对于不透明物体，反射率与吸收率之和等于1，故其红外反射率较高.同时可以发现用粒径为5μm铜粉作填料时，涂层的吸收峰强于用粒径为25μm铜粉作填料时，这说明填料的超细化是提高涂层发射率的一种有效手段.因为微观松散粒子的间距较大，粒子间基本上无相互作用力，从外界投射的辐射能够全部进入这层物质中，无论是在物质表面还是在物质内部基本上都无反射现象发生，辐射能在传播过程中被物质逐渐吸收.漂浮型铝银浆掺量为40%时，涂层相应波段的吸收峰最弱，掺量为50%次之；漂浮型铝粉掺量为50%时，涂层相应波段的吸收峰最弱，掺量为40%次之；铜铝粉复掺时，铜铝粉质量比为5∶5时，涂层相应波段的吸收峰最弱.

2.3 EPDM 基涂层的太阳能反射率分析

分别计算涂层可见光反射率、紫外光反射率以及太阳能总反射率，结果见表4.由表4可见，Ⅱ型和Ⅴ型EPDM 基涂层的太阳能总反射率可达到50%以内，基本满足高原和寒冷地区节能涂料的要求.

表4 EPDM 基涂层太阳能反射率Table 4 Solar reflectance of coatings with EPDM adhesive

2.4 EPDM 基涂层的保温特性及物理性能分析

将表4中5种EPDM 基涂层分别置于保温箱内，测试装置内与冰箱内的相对温降（Δt）.图6为EPDM基涂层在保温箱内温度随时间变化曲线.由图6中可以看出，Ⅰ型和Ⅱ型EPDM 基涂层平衡时相对温降最大，约为4℃，说明其保温效果最好，其次为Ⅳ型EPDM 基涂层，相对温降约为3 ℃.这同样证明了EPDM／铜粉涂料以及EPDM／铝粉涂料在仅向外界辐射热量的过程中，具有低发射低反射性能，因而其降温速率明显低于另外两种涂料，保温效果明显.

图6 EPDM 基涂层在保温箱内温度随时间变化曲线Fig.6 Temperature－time curves of coatings with EPDM adhesive in thermal insulation space

3 结论

（1）制备了EPDM 基低发射低反射涂层，其中EPDM／铜粉和EPDM／铝粉涂层红外发射率达0.33～0.40，太阳能反射率达0.38～0.53，平衡时相对温降达3～4℃.

（2）同为片状铜粉，粒径为5 μm 的铜粉对EPDM 基涂层发射率的降低效果优于粒径为25μm的铜粉；铜粉掺量在40%～50%时，EPDM 基涂层的红外发射率最低，红外反射率最高，太阳能反射率最低.

（3）漂浮型铝颜料对EPDM 基涂层发射率的降低效果优于非漂浮型铝颜料，且漂浮型铝粉所形成的涂层比漂浮型铝银浆形成的涂层发射率低；铝颜料掺量在30%～40%左右时，EPDM 基涂层发射率最低，红外反射率最高，太阳能反射率最低.

［1］SHI Zhiyang，ZHANG Xiong.Analyzing the effect of the longwave emissivity and solar reflectance of building envelopes on energy－saving in building in various climates［J］.Solar Energy，2011，6（85）：28－37.

［2］YU Huijuan，XU Guoyue，SHEN Xingmei，et al.Preparation of leafing Cu and its application in low infrared emissivity coatings［J］.Journal of Alloys and Compounds，2009，484，（1／2）：395－399.

［3］余慧娟，徐国跃，邵春明，等.EPDM 基涂层在8～14μm 波段红外低发射率的研究［J］.红外技术，2008，30（3）：154－157.YU Huijuan，XU Guoyue，SHAO Chunming，et al.Study on low infrared emissivity coatings with EPDM adhesive at spectral range of 8－14μm［J］.Infrared Technology，2008，30（3）：154－157.（in Chinese）

［4］张永娟，沈中林，张雄.金属颜料对保温涂料发射性和反射性的影响［J］.同济大学学报：自然科学版，2013，41（12）：1855－1860.ZHANG Yongjuan，SHEN Zhonglin，ZHANG Xiong.Influence of metal paint on emissivity and solar reflectance of insulation coating［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2013，41（12）：1855－1860.（in Chinese）

［5］HU Chen，XU Guoyue，SHEN Xingmei，et al.The epoxysiloxane／Al composite coatings with low infrared emissivity for temperature applications［J］.Applied Surface Science，2010，256（3）：3459－3461.

［6］SHAO Chunming，XU Guoyue，SHEN Xingmei，et al.Infrared emissivity and corrosion－resistant property of maleic anhydride grafted ethylene－propylene－dieneterpolymer（EPDM－g－MAH）／Cu coatings［J］.Surface ＆Coatings Technology，2010，20（4）：4075－4080.