0 前言
太阳能是人类生存的必备条件,但强烈的辐射也给工业生产和日常生活带来诸多问题和不便。在日光的照射下,热量不断地积聚在被辐照物体表面,使其表面温度不断升高,增加能耗。随着社会对集约型发展的要求以及地球温室效应的加重,具有反射太阳热能力和被动辐射制冷的材料日益受到人们的关注中国建材网cnprofit.com。这些材料中,热反射型涂料是一种简便易行、效果明显的节能材料。
为适应建筑业、石油工业、运输业、兵器工业等迅速发展,自1970年以来,英、美、日等国陆续开发了相关领域的隔热涂料。在国内,隔热涂料的研究也取得了显著进展。颜料的选择对热量的吸收起决定性作用。白色属于冷色调,故白色涂料热反射性能最佳,但白色涂料可造成光污染,且涂膜易沾灰污染;
深色涂料则可弥补此种不足。传统的深色涂层,含有炭黑、铬黄等可强烈吸收太阳辐射能量的颜料,导致涂层隔热降温效果差。在深色中,灰色在可见光范围内较其他颜色的吸收率更强,因此提高灰色涂层的太阳热反射性能更困难。
本文试验了多种热反射性能优异的颜料,在研究比较其对涂料热反射性能影响的基础上,制备出了一种性能优异的热反射型氟涂料。
1 试验部分
1.1 主要原材料
氟树脂;BYK163,毕克化学;钛白粉R930,日本石原;钛白粉R996,四川龙蟒;钛白粉R606,宁波新福;铁红,上海一品;铁黄,德国朗盛;炭黑,上海焦化;酞菁蓝,德国巴斯夫;有机膨润土增稠流变剂,杭州精益;硫酸钡,岳阳中远;消光剂,嘉善三江;二甲苯,醋酸丁酯。
1.2 试验仪器
电子天平BS2000S,北京赛多利斯仪器有限公司;砂磨分散多用机JSF-4000,上海现代环氧工程技术研究所;加速老化仪QUV/Spay,美国Q-Panel公司;盐雾腐蚀试验仪Q-FOG-CCT1100,美国Q-Panel公司;电子拉力机WDW-20,上海华龙测试仪器厂;测厚仪MINITEST600,德国EPK公司;附着力测定仪(划圈法)QFZ,天津建筑仪器试验机厂;光泽度测定仪,天津信光科技开发公司;电热鼓风干燥箱,天津泰斯特有限公司;UV-3600紫外/可见/近红外分光光度计,日本岛津公司。
1.3 制漆工艺
按照色漆配方表1,除消光剂外,将各种原料分散混合均匀后,用砂磨机过2~3道,至细度达到20μm下,补加消光粉后,检测调整,合格后过滤包装。
色漆的配方组成
1.4 涂料和涂膜性能基本测试(见表2)
涂膜基本性能
2 试验结果与讨论
2.1 海灰热反射涂层的设计要求
太阳热反射涂料属于太阳光谱选择性涂料的一种。由图1,可见光区(0.3~0.76 μm)和红外区(0.76~2.15 μm)所占太阳辐射能占太阳辐射能量的95%。设太阳光投射到涂层表面的辐射功率为P0,进入涂层表面后被吸收的功率为Pα,被涂层表面反射的功率为Pρ,透过涂层的功率为Pτ,P0、Pα、Pρ、Pτ间关系如图2所示。
太阳辐射光谱
太阳辐射与涂层作用能量分配示意图
根据能量守恒定律:
P0 = Pα + P + Pτ (1)
则:
Pα/P0 + P /P0 + Pτ/P0 = 1 (2)
通常将涂层吸收功率与太阳光入射功率之比定义为吸收率α,α= Pα/P0;涂层反射功率与太阳光入射功率之比定义为反射率,=P /P0;涂层透射功率与太阳光入射功率之比定义为透射率τ,τ=Pτ/P0。
则公式(2)可写为:
由于涂层中含有颜填料,太阳热反射涂层一般为红外不透明物质,近似认为透射率τ=0,即:
由公式(4)可知,提高涂层反射率,就可降低涂层吸收率α,即降低涂层表面对太阳辐射能的吸收,减缓涂层表面在太阳辐射下表面温度升高的幅度,即在太阳辐射能量集中的近红外区(0.72~2.5 μm)涂层反射率尽可能高。根据Kirchhoff's law,在一定温度下,涂层的辐射率与吸收率相同。
如果涂层在 8~14μm等“大气窗口”波段范围内辐射较强,就可以将物体吸收热量直接辐射到外层空间,达到真正冷却的效果。故热反射涂层还应在远红外“大气窗口”区域(8~14 μm)拥有尽可能高的吸收率。
2.2 涂层热反射性能测试方法
MIL-E46117A、46136A等一系列美军军标作废后,国外大多使用紫外/可见/近红外分光光度计测量和计算太阳热反射涂料的反射比。测定粉末样品及不透明样品的镜反射、漫反射或颜色特性曲线需要名为积分球的反射检测附件。积分球亦称光度球,是一个球形空腔,一般由2个内壁涂以白色漫反射层(硫酸钡或氧化镁)的半球壳组装而成,积分球光路图如图3所示。
积分球光路图
来自单色器的光束经反射镜到达样品表面,样品所反射的光经球壁多次漫反射后,使整个球壁上的照度均匀分布,因此通过球壁上的窗口射到光电检测器上的光通量正比于样品表面所反射的总光通量,故可用于测定样品在不同波长处的反射比。
本试验使用UV-3600紫外/可见/近红外分光光度计(波长范围250~2 500 nm)测定热反射涂料的热反射比。在测量涂料反射比前,先使用标准氧化镁白板测定一次全反射。之后整个测试过程的检测与记录均由计算机完成,最后得到待测涂层反射比随波长分布的一条曲线。
2.3 成膜物对涂料热反射性能的影响
成膜物是涂料中最关键的组成部分,对涂膜性能起主导作用。热反射涂料的成膜物质要求透明度高达80%以上,即尽可能地降低对可见光和红外光的吸收。有些基团吸热,故尽量选用含C—O—C、C=O、—OH等吸热基团少的树脂。涂膜的耐沾污性对涂层热反射性能也有很大影响,涂层表面吸附污物,会提高涂层对热能的吸收。
试验中,所选用的氟树脂具有优良的化学性能,透明度高。如图4所示,本试验所选用的氟树脂制备的热反射氟涂料的热反射比在500~2 500 nm区域内均高于常规普通热反射涂料。
这说明试验中选用的氟树脂对红外光的吸收量远低于普通树脂。由于氟树脂F—C键极性小,其表面自由能远比其他树脂低,氟涂料的涂膜和水的接触角达110°~120°,具有优良抗粘性和防沾污性,使其具有优良的耐沾污性能,进一步降提升氟涂层对太阳辐射能的反射。
氟涂层与普通涂层的热反射曲线
2.4 红外反射颜料对涂料热反射性能的影响
由图5可以看出,试验所制的海灰色热反射涂层的热反射比在250~500 nm范围内的热反射比与普通涂层相近,但在500~2 500 nm的区域内,热反射率远高于普通涂层。热反射曲线表明,在红外区,含有红外热反射颜料的涂料的热反射率强于普通涂料,即试验制得的热反射涂层具有有效的热反射能力。
热反射涂层与普通涂层的热反射曲线
2.5 钛白粉性能对热反射性能的影响
热反射涂层反射红外线的能力用散射率来衡量,散射率越高,反射红外线的能力越强。散射率M定义为:
M = nP/ nR (5)
式中,nP为颜料的折射系数;nR为基料的折射系数。由式(5)可知,要得到高散射率,必须采用折射系数高的颜料和折射系数低的基料,即颜料和基料的折射系数的差值越大则涂层对太阳光的反射就越强。
当树脂的折光系数一定时,颜料的折光系数越高,涂料的热反射率就越高。金红石型钛白粉晶体结构紧密,光学活性小,耐候性、耐光性、耐热、耐稀酸和碱性好,可高效反射可见光和近红外光,且折光指数高,很适合用于太阳热反射涂料。
试验选用日本产的R930与国产的R996、R606这3种金红石型钛白粉,研究这3种钛白粉对热反射氟涂料的热反射率的影响。如图6可知,在500~2 500nm的区域内,使用R930制成的氟涂层的热反射率远高于另外两种涂层;使用R996和R606制成的氟涂层的热反射率相差不大,R996制得的涂层的热反射率略微高一点。
这是因为R930的表面处理方式与R996、R606不同。有研究表明,涂层体系中单分散性粒子较多,粒径分布适宜,可增加光线的折射效果,进而提高涂层热反射率。当二氧化钛颗粒之间相互聚集,折射比表面积会随之降低,折射率进而降低,最后导致涂层热反射率降低。R930颗粒表面性能优于另外两种,其颗粒在涂层体系中与其他颜填料能均匀混合,二氧化钛聚集体相对较少。
不同钛白粉涂层的热反射曲线
2.6 涂层膜厚对涂料热反射性能的影响
本试验选取同一样品,喷涂了不同厚度的涂层,研究了膜厚对涂层热反射性能的影响。反射曲线见图7。从图7可以看出,膜厚为40 μm的热反射涂层的热反射曲线与膜厚80 μm的热反射曲线基本重合。
试验所制的海灰色涂层,可以近似看为红外不透明物质,即透射率为0;由公式(3)可知,当透射率近似为0时,涂层的热吸收率与热反射率成反比,即提高热反射率才能有效提高提高涂层的热反射能力。由图7可以看出,提高太阳热反射涂层的膜厚,并不能提高涂层的热反射率,即无法改变涂层的热反射能力。
这是因为,对于未添加空心微珠等反射填料的涂层,单纯提高涂层厚度不能提高涂层的热反射能力。这说明,本试验所制的热反射涂层,受涂层膜厚影响较低,在40 μm膜厚时也能得到较好的热反射效果。
不同膜厚涂层的热反射曲线
3 结语
本研究研制的灰色太阳热反射氟涂层,通过所用成膜物质、颜填料和助剂的合理选择,涂层的平均反射比可达70%,超过美军军标深色漆在50%以上的规定。可以有效降低涂覆物的温度,达到节省能源、保护、装饰等多重作用。
吕 钊,肖玲,李旭朝,陈正涛
(海洋化工研究院有限公司,山东青岛 266071)