光谱选择性散热涂层的制备及性能

2017-10-11杨光邓安仲

电镀与涂饰 2017年18期

关键词：苯丙发射率试板

杨光，邓安仲*

（中国人民解放军陆军勤务学院，重庆 401311）

光谱选择性散热涂层的制备及性能

杨光，邓安仲*

（中国人民解放军陆军勤务学院，重庆 401311）

分别用钴蓝和群青这两种蓝色颜料，制备了以苯丙乳液为成膜物质的光谱选择性散热涂层，采用紫外/可见/近红外分光光度计和红外辐射率测量仪考察了颜料种类及其用量对涂层性能的影响。通过自制装置测试了涂层的隔热性能及箱体中心的辐射热流。结果表明：群青涂层的隔热性能更好，在最优掺量均为5%的情况下，相比钴蓝涂层，其全波段平均反射比高14.91个百分点，平衡温度低2.3 °C，辐射热流多降低了0.45个百分点。

光谱选择性涂层；苯丙乳液；颜料；反射比；隔热；辐射热流

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

光谱选择性散热涂层是一种针对可见光(400 ～ 780 nm)和近红外(780 ～ 2500 nm)波段进行选择性反射的功能性涂层[1]。太阳光中可见光和近红外占到了总能量的 95%[2]，因此此类涂层可以起到隔热降温的作用。它们还可将吸收的热能通过8 ～ 14 μm波段的“大气窗口”以热辐射的形式释放出去，进一步增强涂层的降温性能，因此被广泛应用于建筑节能、红外隐身等领域，具有广阔的发展前景。国际上第一个关于光谱选择性散热涂层的标准是ASTM C1483-04 Standard Specification for Exterior Solar Radiation Control Coatings on Building[3]。曹延鑫等[4]选用片状铝粉、石墨、金红石型二氧化钛、碳化硅和氧化锌，以聚氨酯为粘合剂，在金属铝罐上制备了散热涂层，比较了日光下罐体内温度的变化，认为具有高光谱反射比是光谱选择性散热材料的必要而不充分条件。王文弟[5]根据油浸变压器的工作产热因素，从填料选择及其含量、填料与树脂润湿性的角度，探讨了它们对导热散热涂层性能的影响，所制涂层在不同季节的散热性均较好。钴蓝和群青是2种常见的蓝色颜料，然而将它们应用于光谱选择性散热涂层方面却鲜有报道。本文考察了这两种颜料对光谱选择性涂层性能的影响，为它们的应用提供一定的参考。

1 实验

1.1 材料

苯丙乳液503(固含量48%)，广东特润德；钴蓝B2805(平均粒径1.5 μm)，湖南巨发；群青5003(平均粒径6.5 μm)，英国好利得；润湿剂CF-10，美国迪高；增稠剂SN-162，日本诺普科；消泡剂L-1311，美国亚什兰；分散剂BYK-163，德国毕克；成膜助剂Texanol，美国伊士曼；去离子水，自制；100 mm ×80 mm × 1 mm 铝板(用于测光学性能)、150 mm × 70 mm × 5 mm 石棉水泥板(用于测隔热性能)、120 mm ×25 mm × 0.2 mm马口铁板(用于测力学性能)，市售。

1.2 光谱选择性散热涂层的制备

向各自装有100 g苯丙乳液、4 g成膜助剂和约6 g分散剂的8个烧杯中分别加入10、20、30和40 g两种色浆[m(颜料)∶m(去离子水) = 1∶1](对应颜料掺量为5%、10%、15%和20%)，在800 r/min下研磨，混合均匀后加入4 g消泡剂。调低砂磨机转速至400 r/min，再低速搅拌0.5 h，加入4 g增稠剂调节涂料的黏度至200 mPa·s后过滤出料。

将适量涂料注入喷涂装置，在喷涂压力0.3 MPa之下，保持喷枪与基材垂直相距300 mm，向打磨、除油后的铝板和马口铁板以及除尘过的石棉水泥板表面均匀喷涂涂料，在标准养护条件[温度(23 ± 2) °C，相对湿度50% ± 5%]下放置168 h至完全干燥，干膜厚度约为50 μm。

1.3 表征与性能测试

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料和涂层的反射比ρ(λ)，用聚四氟乙烯(PTFE)进行基线校准。

采用中科院北京物理研究所的IR-2型双波段发射率测量仪测量涂层在8 ～ 14 μm波段的半球发射率，测量前先设定黑体温度为250 °C，待黑体温度稳定后，插上8 ～ 14 μm滤波片，使用3块标准样板校准。

采用如图1所示的自制隔热性能测试装置测试涂层的隔热性能以及箱体中心的辐射热流变化。红外灯的额定功率为275 W，在用聚苯乙烯泡沫制作的箱体(内部尺寸为300 mm × 300 mm × 300 mm)的顶部开一个比试板尺寸略小的槽，令其刚好卡住不致掉落。用热电偶探针每隔30 s采集一次涂层试板背面和箱体中心的温度。

图1 隔热性能测试装置Figure 1 Device for testing the thermal insulation performance

分别参照GB/T 1720–1979《漆膜附着力测定法》和GB/T 1732–1993《漆膜耐冲击测定法》，用天津精科材料试验机厂的 QFC型漆膜附着力测量仪和漆膜冲击器测试涂层的附着力和冲击强度。按 GB/T 1731–1993《漆膜柔韧性测定法》测定涂层的柔韧性。

2 结果与讨论

2.1 颜料的反射比

钴蓝和群青在可见光和近红外波段的反射比如图2所示。2种颜料均在约442 nm处有较强的反射峰，原因是它们均为深蓝色，在可见光中反射蓝色光(435 ～ 450 nm)而存在较强的反射峰。但它们在近红外波段的反射比曲线差异较大，钴蓝在1300 ～ 1500 nm波段存在较强的吸收，这是Co2+的强吸收带所致[6]。群青的反射比随波长的增大而提高。由反射比曲线计算得出的平均反射比列于表 1，群青相比钴蓝拥有高出8.86个百分点的全波段反射比。

2.2 光谱选择性散热涂层的性能

2.2.1 反射性能

图2 2种颜料的可见光−近红外反射光谱Figure 2 Vis-NIR reflection spectra of the two kinds of pigments

表1 2种颜料的反射比Table 1 Reflectance of the two kinds of pigments

颜料掺量不同的2种涂层的反射光谱如图3所示。在可见光波段，涂层的反射比曲线的变化趋势与颜料自身的反射比曲线类似，这是由于苯丙乳液固化后是无色透明的，具有较好的可见光透过性。然而在近红外波段，二者差别较大，这是因为苯丙乳液固化后的涂层本身具有一定的近红外反射性能，而且红外线的致热作用使近红外长波区(1100 ～ 2500 nm)的反射比曲线波动较大。由表2列出的不同颜料掺量下涂层的平均反射比可知，在全波段，随着颜料掺量增大，2种涂层的全波段反射比均降低，这是因为2种蓝色颜料的明度较低，掺量增加会吸收更多可见光。对于钴蓝涂层来说，其含有的Co2+离子在近红外波段存在较强的吸收带，增加其掺量令吸收带更强，这也是涂层全波段反射比下降的原因。当群青和钴蓝掺量为5%时，2种涂层的全波段反射比均最大，分别为45.95%和31.04%，由此而选择颜料掺量为5%作为后续研究的基础。相同掺量下群青涂层的全波段反射比要高于钴蓝涂层的全波段反射比，这是由于钴蓝颜料在1300 ～ 1500 nm波段存在较强的吸收，因此拉低了涂层的全波段反射比平均值。

图3 不同颜料掺量所制涂层的可见光−近红外反射光谱Figure 3 Vis-NIR reflection spectra of the coatings prepared with different pigment contents

表2 不同颜料掺量所制涂层的反射比Table 2 Reflectance of the coatings prepared with different pigment contents

2.2.2 辐射散热性能

涂层在辐射制冷的大气窗口8 ～ 14 μm波段的半球发射率可近似代表其辐射散热性能。测得2种涂层在此波段的半球发射率见表 3。因为苯丙乳液和颜料的半球发射率不低，所以涂层的半球发射率均较高。颜料的掺量对涂层的半球发射率影响不大，相同掺量下的涂层的半球发射率也基本相同，可见它们的辐射散热性能差别不大，均较好。

表3 不同颜料掺量所制涂层的半球发射率Table 3 Hemispherical emittance of the coatings prepared with different pigment contents

2.2.3 隔热性能

红外灯照射试验所得温度−时间变化曲线如图4所示。空白板、群青涂层板与钴蓝涂层板均在约15 min左右达到温度平衡。空白石棉水泥板的平衡温度为72.9 °C，因表面无涂层导致其吸收红外光较多，故平衡温度最高。而其他2块试板由于覆盖具有一定的近红外反射性能和辐射散热性能的涂层，平衡温度降低。其中群青涂层试板的平衡温度为63.1 °C，比钴蓝涂层试板的平衡温度低2.3 °C，这是因为群青涂层试板的近红外反射比更高，所以在辐射散热性能差不多的情况下，群青涂层的隔热性能更佳。

图4 空白板以及涂层试板的温度−时间曲线Figure 4 Temperature vs.time curves for blank and coated panels

2.2.4 辐射热流降低性能

当试板处于热平衡状态时，箱体中心也近似处于热平衡状态，假定红外灯照射使试板升温，其获得的热量全部通过背面辐射传递给箱体中心而没有损耗，则按式(1)可计算出试板背面对箱体中心的辐射热流q[7]：

其中，Stephan-Soltzmann常数σ = 5.67 × 10−8W/(m2·K4)，1ε和2ε分别为试板及聚苯乙烯泡沫的红外发射率(通常取0.90)，1T和2T分别是试板背面和箱体中心的平衡温度(单位为K)。不同试板对箱体中心的辐射热流见表 4。相比空白板，钴蓝涂层试板和群青涂层试板对箱体中心的辐射热流明显减小，分别降低了7.98%和8.43%，说明喷涂有光谱选择性散热涂层的石棉水泥板可明显降低“室内”的温度，起到一定的隔热节能作用。

表4 箱体中心辐射热流的变化Table 4 Variation of radiant heat flux in the center of chamber

2.2.5 力学性能

钴蓝涂层和群青涂层的基本力学性能见表 5。随着颜料掺量增加，涂层的力学性能略微下降，原因是颜料掺量增加会减弱苯丙分子的交联力。相同掺量下，群青涂层的力学性能略逊于钴蓝涂层的力学性能，但仍可满足建筑涂层的基本要求。

表5 不同颜料种类及不同用量下所制涂层的力学性能Table 5 Mechanical properties of the coatings prepared with different types and contents of pigments

3 结论

分别采用群青和钴蓝制备了光谱选择性散热涂层。当颜料掺量为5%时，2种涂层的全波段平均反射比均最大，分别为41.95%和31.04%，群青涂层比钴蓝涂层高10.91个百分点。当颜料掺量增多，涂层的全波段平均反射比均下降。不同颜料掺量的2种涂层在8 ～ 14 μm波段的半球发射率基本一致，都具有较好的辐射散热性能。群青涂层具有比钴蓝涂层更优异的隔热性能，其平衡温度更低，温差达2.3 °C，辐射热流降低率高出0.45个百分点。

[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.

[2]LEVINSON R, BERDAHL P, AKBARI H.Solar spectral optical properties of pigments—Part I: model for deriving scattering and absorption coefficients from transmittance and reflectance measurements [J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 2005, 89 (4): 319-349.

[3]李运德.太阳热反射隔热涂料标准及主要技术要点解析[J].涂料技术与文摘, 2011, 32 (6): 20-26.

[4]曹延鑫, 王晓燕, 冯喆, 等.热反射颜料对彩色反射隔热涂料的影响[J].涂料工业, 2014, 44 (4): 11-16.

[5]王文弟.油浸变压器用光谱选择性散热涂层的制备及性能研究[D].南京: 南京航空航天大学, 2016.

[6]李长洁.群青颜料表面化学修饰及应用性能研究[D].上海: 东华大学, 2011.

[7]UEMOTO K L, SATO N M N, JOHN V M.Estimating thermal performance of cool colored paints [J].Energy and Buildings, 2010, 42 (1): 17-22.

[ 编辑：杜娟娟 ]

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