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热反射颜料对彩色反射隔热涂料的影响,研究了热反射颜料的光学性能对彩色反射隔热涂料隔热性能的影响,中国化工网,okmart.com
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热反射颜料对彩色反射隔热涂料的影响,研究了热反射颜料的光学性能对彩色反射隔热涂料隔热性能的影响
2020年02月24日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

建筑热反射隔热涂料作为建筑节能设计应用最为广泛的建筑外饰材料,近年来已成为研究的热点 。建筑外表面接受太阳辐射可以分为三部分:紫外区(295~400 nm)、可见光区(400~720 nm)、红外光区(720~2 500),其中可见光区和红外光区占太阳辐射能量的95% 。


由于无机颜料和有机颜料在可见光区对特定波长光辐射的吸收,使得常规颜料对热反射隔热涂料的隔热性能产生不利影响,为了获得较高的热反射性能,国内大多采用浅色体系热反射隔热涂料,因此研究具有高红外光反射比的热反射颜料是突破这一问题的关键中国化工网okmart.com


国外基于近红外反射功能颜料开发的屋面和建筑外墙冷却材料研究成果很多 ,美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)和橡树岭国家实验室(ORNL)在20 世纪90 年代就开始研究颜料的太阳光反射比和半球发射率,并将颜料分为几类分别测试研究了材料的性能、成分组成、粗糙度、纯度等对太阳光反射比的影响 。


国内关于热反射颜料对热反射隔热涂料的影响研究较少 ,本实验研究了不同种类的热反射颜料的光学性能对涂料隔热性能的影响,制备的彩色反射隔热涂料与普通反射隔热涂料装饰效果相同,热反射隔热性能显著提高。

 

1 实验部分

1. 1 实验原料

二氧化钛: CR - 826: 科美基; R - 998: 国产;ALTIRIS - 550、800: 亨斯迈; 热反射无机颜料:10C411A、10C909A、10C112、10C272、10C873:薛特颜料公司;V778、V9415、V9415、V9248、G10241:福禄颜料公司;CPB-9134、CPB-9117、PG550:科勒颜料公司;通用水性建筑色浆:国产;纯丙乳液AC-261:陶氏公司;空心微珠:美国3M 公司。


1. 2 实验仪器

高速分散机、KS-370 快速涂料分散试验机:上海现代环境工程技术有限公司;色差仪:北京辰泰克仪器;紫外-可见光-近红外分光光度计:岛津公司;红外成像仪:英福泰克。


1. 3 涂料制备与性能测试

1. 3. 1 白色热反射隔热涂料的制备

根据表1 配方制备涂料待用。

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白色热反射隔热涂料基础配方

白色隔热涂料基础配方中颜料二氧化钛的添加量可根据调色的需要适当调整,调制浅色隔热涂料一般添加量为涂料体系总质量的15%,中色为7%~10%,深色为0~3%。本实验研究热反射颜料对隔热性能的影响,不明确指出的白色基础漆二氧化钛添加量为7%。

1. 3. 2 光学性能测试

颜色测试:使用色差仪测试颜料及涂层的表面颜色参数L∗、a∗、b∗值,不同颜色的色差值△E,测量采用符合CIE1976 标准D65光源。颜色可根据其明度范围划分,当L∗值小于40 为深颜色,L∗值在40~80 之间为中等颜色,L∗值大于80 为浅颜色 。太阳光反射比和近红外反射比测试:参考GJB2502. 2—2006 航天器热控涂层反射率和发射率测试方法第2 部分:太阳吸收比测试。

1. 3. 3 隔热性能测试

红外成像仪监测涂料样板表面温度,精确到0.1 ℃。

 

2 结果与讨论

2. 1 热反射颜料光学性能研究

2. 1. 1 二氧化钛的光学性能测试

金红石型二氧化钛是热反射效果最好的白色颜料,是影响白色反射隔热涂料基础漆隔热性能的关键因素。因制造商的表面处理工艺不同,会带来其性能上的差异。试验测试了不同牌号和厂家二氧化钛颜料的太阳光反射比和L∗、a∗、b∗值,测试结果见表2 和图1。

二氧化钛颜料的光学性能数据

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注:(1)—TSR 为总太阳光反射比,即在紫外光、可见光和近红外波段(300~ 2 500 nm) 反射与入射的太阳辐射能量的比值;(2)—RNIR为近红外反射比,即在近红外波段(720~2 500 nm)反射与入射的太阳辐射能量的比值。

二氧化钛的太阳光反射比

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由图1 和表2 的数据可以看出,二氧化钛颜料明度值L∗均在88 左右,外观颜色基本一致。同为金红石型二氧化钛颜料对太阳光的反射率曲线形貌基本一致,除了2#国产样品TSR 相对较低外, 其他二氧化钛颜料均具有较高的TSR。在可见光区,1# 和4# 样品太阳反射比较高在90%左右;在长波近红外光区(1 100~2 500 nm)3#和4#样品具有相对较高的近红外反射比。本研究选择4#二氧化钛样品制备白色热反射隔热基础涂料浆,二氧化钛用量为7%,PVC 为60%。


2. 1. 2 热反射颜料的光学性能测试

具有近红外反射功能的热反射颜料大多由几种金属混合物经过高温煅烧化合而成,其组成成分和烧结工艺的不同导致其热反射能力存在差异。试验测试了不同色系热反射颜料的光学数据,见表3。


深色热反射涂料太阳光反射比见图2,浅色和中等色系太阳光反射比见图3。

不同色系热反射颜料光学数据

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深色热反射颜料太阳光反射比

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浅色和中色热反射颜料太阳光反射比


由表3 和图2 可以看出,黑色和棕色热反射颜料度值L∗ 较低,在17~27 之间,太阳光反射比TSR也相对较低在12%~20%之间,在可见光区几乎吸收90%的太阳光辐射,在近红外光区显示出优异的热反射性能,除了1# 样品其他样品的近红外反射比都在40%以上。


在短波近红外区(720~1 100 nm)不同类型的黑色热反射颜料表现出性能差异,其中2# 样品的热反射比较高。在长波近红外区4#样品的热反射比最高可以达到70%。黄色热反射颜料明度值L∗ 在61~81 之间,相近颜色在可见光区表现出相似的反射峰。在近红外光区普遍具有较高的热反射比(在70%以上)。


蓝色和绿色颜料的明度值L∗ 在40~50 之间,在近红外光区不同颜色的热反射比差异明显,在短波近红外区热反射比在60%以上;在长波近红外反射区(1 100~ 2 500 nm)12# 绿色颜料热反射比在70%以上,11# 绿色颜料和蓝色颜料反射比相对较低,在1 100~2 000 nm范围内表现出对太阳光谱的强烈吸收。


2. 2 热反射隔热涂料与普通隔热涂料的热反射性能对比研究

试验优选黄色(10C112)、棕色(10C873)、黑色(10C909A)热反射颜料制备色浆,添加到白色热反射隔热涂料基础漆中调配彩色反射隔热涂料(以下简称热反射隔热涂料),添加量分别为基础漆质量的0. 5%、2%、4%;同时选择水性通用色浆添加到白色基础漆中配制相同颜色普通彩色隔热涂料(以下简称普通隔热涂料)。人眼能够区分颜色色差最小值


为1. 0[13] ,本研究在调色过程中允许颜色差值△E≤3。2 种彩色反射隔热涂料的光学性能数据见表4 和图4。

热反射隔热涂料与普通涂料光学性能数据

注:1—B 为灰色,Z 为棕色,Y 为黄色;添加量0. 5%、2%、4%分别用1#、2#、3# 表示,如B-1 是添加量为0. 5%的灰色涂料;2—P 代表相近颜色的普通涂料。

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不同色系热反射隔热涂料与普通隔热涂料热反射比差值

  由表4 和图4 可以看出,彩色反射隔热涂料相比普通隔热涂料TSR 和RNIR 有不同程度的提高,黑色系和棕色系颜料提升效果尤为明显,随着色浆含量的提高涂层颜色变深,明度值L∗降低。明度越低,两者的热反射比差值越大。


黑色系深色彩色反射隔热涂料的近红外反射比为45. 51%,普通涂料为14. 07%,彩色隔热涂料是普通涂料的3. 23 倍。黄色颜料由于颜色较浅,添加量提高涂料的明度值变化不明显,L∗在70~86 之间,近红外反射比较高在73% ~ 82%之间,热反射颜料浆的加入对于涂层TSR 和RNIR的提升不明显。考虑到色差因素的影响,可以认为黄色热反射颜料与普通颜料作用相同。


2. 3 热反射涂料与普通涂料的隔热效果测试

建筑热反射隔热涂料通过反射太阳辐射能来达到降低建筑物表面温度的效果,从而降低空调能耗。为了直观地观察彩色反射隔热涂料的隔热效果,本研究采用红外成像仪来监测隔热涂料样板的表面温度。


试验地点为建筑屋顶;环境温度25 ℃;风速2 级微风;观测距离为0. 5 m,监测时间为2013 年10 月4 日12 点至14 点,14 点整记录监测数据。监测数据见图5。

彩色反射隔热涂料表面温度监测图

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图5 中红外热像图上所示数据为所划定区域的温度平均值。由图5 数据可以看出,黄色样板表面温度绝对值较低,但是热反射隔热涂料和普通隔热涂料温差不明显。棕色和灰色样板的表面温度绝对值较高,但是表面温差明显。颜色越深表面温差越大,最高可达6~7 ℃,降温效果显著。颜色浅则温差值较小,温差为1. 5 ~ 2. 4 ℃。温度监测所得结论与2. 2中太阳反射比测试结果相吻合。

 

3 结 语

白色颜料二氧化钛具有最高的可见光和近红外热反射性能。黄色热反射颜料具有较高的热反射性能,配制成浅色和中等颜色反射隔热涂料与普通黄色颜料作用相同。黑色和棕色热反射颜料因其在近红外光区出色的热反射性能,可以显著提高深色系热反射隔热涂料的隔热性能。


通过合理的配方设计和热反射颜料的加入,可以制备色彩丰富且具有高热反射性能的彩色反射隔热涂料。


曹延鑫,王晓燕,冯 喆,冀志江,王 静

(中国建筑材料科学研究总院,绿色建筑材料国家重点实验室,北京100024)


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