多晶硅粉对白色涂层的明度与太阳光反射性能的影响

林湘生，马烨红，陈祖湘，段瑞斌，熊 健

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500；2、广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广州510500）

0 引言

热反射涂层能较好反射太阳能的能量，可降低建筑物的空调能耗，节省电能消耗，在工业建筑中得到较好应用[1,2]，在夏热冬暖地区的城市建筑也得到一定应用[3-5]。由于热反射性能良好的涂层都使用白色和浅色颜料。由于白色与浅色涂层易被污染，且也不完全符合人们的审美观。深色涂层也是人们喜欢的选择。颜料明度的调节主要有两个方向：一是将深色颜料调成浅色，通常是在深色颜料中添加诸如钛白粉，增高颜料的明度[6]；二是将浅色颜料调成深色，采用的工艺通常是添加炭黑或氧化铁黑等黑色颜料[7,8]，利用这些颜料高的消光系数，降低颜料对可见光的反射，达到降低涂层明度的目的。但炭黑对颜料的热反射性能影响较高，不利于涂层的热反射性能。洪仁鹏[9]和江向阳[10]分别用硅粉调节钛镍黄涂层和镨黄的明度，取得较好结果。本文拟利用低纯度多晶硅高的可见光折射率和一定的消光能力以及价格低的特点，添加进白色涂料中，调节白色涂层的明度，取得一定的实验结果。

1 实验

1.1 原料

长沙某公司生成的多晶硅粉，纯度99.9%；东莞某公司生产的绿森霖纳米隔热涂料（白色）。

1.2 涂层的制备

将各种规格粒度的多晶硅粉按一定比例添加进涂料中，经过搅拌分散后，真空除气，再将其通过涂布机涂布在PET聚酯膜片上，自然干燥，多次涂覆，最终得到不同明度厚度1 mm的涂层。

1.3 表征与性能测试方法

采用荷兰X′Pert Pro MPD型X射线衍射仪（XRD）分析硅粉。用S4800型扫描电镜（SEM）观察样品的形貌。利用深圳某公司NR110色差仪测量涂层的明度L*、红绿性质a*和黄蓝性质b*。用Lambda950型紫外/可见/近红外分光光度计测试涂层的太阳光反射率（TSR）。

2 结果与讨论

2.1 原料的基本性质

由图1可见，多规格粒度的混合多晶硅粉也只显示了Si这一种元素，其XRD谱图上分别在28.45°、47.31°、56.13°和76.39°处有强烈的特征衍射峰，与标准Si的衍射谱图（PDF#27-1402）的主要谱线完全一致。图2可见，使用的多晶硅粉颗粒棱角分明，表面较光滑，粒度较均匀。

图1 多晶硅粉的XRD谱图Fig.1 XRD Patterns of Silicon Powder

图2 使用的两种规格粒度的多晶硅颗粒SEM形貌Fig.2 SEM Images of Silicon Powder with Two Particle Sizes

2.2 硅粉的用量对涂层色差及热反射性能的影响

从图3a可见，在白色涂层中添加仅2.44%约4μm硅粉，涂层的明度就从96下降到约47；添加浓度4.76%后，涂层明度变化基本保持稳定，显示出硅粉对涂层中高明度有较好调节能力。从图3b可见，白色涂层在可见光区有约90%的反射比，在红外区也维持有较高的反射比。但在其中添加2.44%约4μm硅粉后，该涂层在可见光区的反射曲线就降到20%以下，在红外光区还有一定的反射能力。随着硅粉加入量的增加，涂层在可见光区的曲线相差不明显，近红外区，涂层反射比曲线逐渐下降。从图3c可见，当加入仅2.44%约4μm硅粉后，白色涂层的TSR从0.8，降到0.32，加入量4.76%时，再降到0.27，进一步增加硅粉量，涂层的TSR逐渐趋于0.22。

2.3 硅粉的粒径对涂层色差及热反射性能的影响

从图4a可见，添加20μm的多晶硅粉，相应的涂层明度约43，到添加0.5μm多晶硅粉，涂层明度约38.5，可见多晶粉粒度对白色涂层明度的影响不明显。从图4b可见，多晶硅粒度从0.5μm变化到20μm，相应的涂层热反射谱仅在1 000～1 500 nm波段有大约10%的不同。其他频段基本一致。从图4c可见，添加的多晶硅粒度从0.5μm变化到20μm，相应的涂层TSR从0.17变化到0.21，相差不显著。硅的带隙是1.1ev，该带隙对应的光波长约1 100 nm。波长短于该波长的光波会被硅吸收，故其块体颜色呈现青灰色。多晶硅具有较高的折射率和一定的遮盖力[11]。因而，硅粉可以较好的吸收入射光，降低涂层的明度。由于硅对可见光的吸收是产生光电效应，故而不同粒度的硅粉对明度影响不明显，对TSR影响也不明显。对本课题所使用的硅纯度是99.9%，杂质含量较高，属于重掺杂半导体，导致其带隙变宽，稍短于1 100 nm波长的波也会被反射，这对提高硅的红外反射性能有一定益处。

图3 多晶硅粉不同添加浓度对白色涂层的明度、热反射光谱及TSR的影响Fig.3 Effect of Different Concentration of Polycrystalline Silicon Powder on Brightness，Heat Reflection Spectrum and TSR of White Coating

图4 添加不同粒度多晶硅粉对白色涂层的明度、热反射光谱及相应的太阳能反射比的影响Fig.4 Effect of Adding Different Particle Size Polycrystalline Silicon Powder on Brightness，Heat Reflection Spectrum and Corresponding Solar Reflectance of White Coating

3 结论

⑴多晶硅粉的添加浓度对白色涂层的明度有明显的调节效果，添加量仅2.44%，白色涂层的明度从96降到约47，之后，进一步添加，涂层明度变化趋缓。同样，涂层的TSR从0.8降到0.32，进一步添加，多晶硅粉对涂层的TSR的影响趋弱。

⑵添加的多晶硅粒度对白色涂层的明度和TSR影响不显著。