黑色颜料品种及掺量对涂料太阳能反射比的影响

黑色颜料品种及掺量对涂料太阳能反射比的影响

时志洋1,王旭盛2,张华2
(1.同济大学材料科学与工程学院,上海200092;2.上海市建科检验有限公司,上海201108)

0 前言
太阳能反射隔热涂料对于南方地区特别是热带地区的建筑节能以及建筑保护有重要意义[1-2]。目前,国内对太阳热反射隔热涂料的研究仍主要集中于金红石型钛白粉为主要原料的白色隔热涂料领域[3-5]。目前已发布的JC/T 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》和JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》2 个行业标准及国家标准GB/T 25261—2010《建筑用反射隔热涂料》中的太阳能总反射比测试方法及指标中都只规定了对白色涂料或浅色涂料的测试方法及指标。但实际工程应用中,大量使用白色涂料将带来光污染问题,因此,建筑设计师多采用各种彩色涂料,甚至是深色涂料。在彩色涂料中,特别是对于深色调的彩色涂料,黑色颜料是涂料配色中非常重要的品种,在涂料中加入黑色颜料的主要目的是降低颜色的明度,在已有颜色的基础上,加入不同比例的黑色颜料,就可使混合色吸收的入射光比原色多,反射光比原色少,从而得到不同明度的各种颜色。例如,铁红色涂料中加入不同比例的黑色颜料,可得到不同深度的紫棕色;白色涂料中加入不同比例的黑色颜料,可得到不同深度的灰色;而在黄色涂料中加入不同比例的黑色颜料,可得到不同深度的墨绿色[6]。但是黑色颜料的添加通常会大幅降低涂料的太阳能总反射比,使涂层的热反射能力大幅降低。本文将测试并分析添加不同品种及比例黑色颜料色浆对白色涂料太阳能反射比的影响,从而比较哪种黑色颜料最适宜用于隔热涂料。

1 实验设计
1.1 原材料
1.1.1 白色热反射涂料
以苯丙乳液为基料,以金红石钛白粉为主要白色颜料,金红石钛白粉PVC 含量为26%,配制白色热反射涂料,经测试其太阳能总反射比为85.6%。
1.1.2 色浆与灰色漆
用炭黑、铜铬黑、氧化铁黑和铬铁黑配制色浆,色浆中颜料固含量60%~70%。将不同比例的色浆与白色涂料混合成灰色涂料,色浆占色漆质量比为2%、5%、10%、20%。
1.2 主要实验仪器
主要采用PerkinElmer Lambda 950 分光光度计测试灰色涂料涂层干燥后的太阳能反射比,并按5 nm 的光谱波长增量绘制出反射比曲线。
1.3 测试方法
制样和测试方法主要按照JC/T 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》中规定的方法进行,而太阳能总反射比的计算方法按照GJB 2502—1996《卫星热控涂层试验方法》进行。

2 结果与讨论
2.1 炭黑掺量对涂料太阳能分光反射比的影响
将白漆与不同比例的炭黑色浆混合,炭黑色浆占色漆的质量百分比分别为2%、5%、10%、20%,制得灰色~黑色系列漆,测试其250~2500 nm 太阳能分光反射比,结果见图1。

图1 不同炭黑色浆掺量涂料的太阳能分光反射比
分析图1 可以发现,炭黑对于太阳能全光谱都具备强吸收的性能,即使只添加2%炭黑,在380~780 nm 的可见光光谱范围,太阳能分光反射比在14%~19%,而在800~2500 nm的近红外光谱范围,涂料太阳能分光反射比均在14%以下。根据GJB 2502—1996 计算不同炭黑色浆掺量的涂料太阳能总反射比和近红外反射比,结果见表1。
表1 不同炭黑色浆掺量涂料的太阳能总反射比和近红外反射比

2.2 铜铬黑掺量对涂料太阳能分光反射比的影响
将白漆与不同比例的铜铬黑色浆混合,铜铬黑色浆占色漆的质量百分比分别为2%、5%、10%、20%,制得灰色系列涂料,测试其250~2500 nm 太阳能分光反射比,结果见图2。

图2 不同铜铬黑色浆掺量涂料的太阳能分光反射比
分析图2,铜铬黑在380~2500 nm 全太阳能光谱范围具有较均匀的吸收特性,但其吸收能力远小于炭黑。按GJB2502—1996 计算不同铜铬黑色浆掺量的涂料太阳能总反射比和近红外反射比,结果见表2。
表2 不同铜铬黑色浆掺量涂料的太阳能总反射比和近红外反射比

对比图1 和图2 可以发现,在380~780 nm 范围,相同比例掺量时,铜铬黑色浆所形成黑度效果远小于炭黑色浆,铜铬黑掺量为20%时的黑度效果还略小于炭黑色浆掺量2%时。同时,在相对近似的黑度条件下,铜铬黑色浆的800~2500 nm近红外范围反射效果也未优于炭黑色浆。
2.3 氧化铁黑掺量对涂料太阳能分光反射比的影响
将白漆与不同比例的氧化铁黑色浆混合,氧化铁黑色浆占色漆的质量百分比分别为2%、5%、10%、20%,制得灰色系列涂料,测试其250~2500 nm 太阳能分光反射比,结果见图3。

图3 不同氧化铁黑色浆掺量涂料的太阳能分光反射比
分析图3,与铜铬黑类似,氧化铁黑在380~2500 nm 全太阳能光谱范围具有较均匀的吸收特性,但其吸收能力远小于炭黑。根据GJB 2502—1996 计算不同氧化铁黑色浆掺量涂料的太阳能总反射比和近红外反射比,结果见表3。
表3 不同氧化铁黑色浆掺量涂料的太阳能总反射比和近红外反射比

2.4 铬铁黑掺量对涂料太阳能分光反射比的影响
将白漆与不同比例的铬铁黑色浆混合,铬铁黑色浆占色漆的质量百分比分别为2%、5%、10%、20%,制得灰色系列涂料,测试其250~2500 nm 太阳能分光反射比,结果见图4。

图4 不同铬铁黑色浆掺量涂料的太阳能分光反射比
分析图4,铬铁黑在380~800 nm 可见光波段有较强的吸收特性,但与金红石钛白粉综合作用下,在800~2500 nm 近红外波段表现出较好的反射特性。根据GJB 2502—1996 计算不同铬铁黑色浆掺量涂料的太阳能总反射比和近红外反射比,结果见表4。
表4 不同铬铁黑色浆掺量涂料的太阳能总反射比和近红外反射比

3 结果分析
分析表1~表4 发现,铜铬黑、氧化铁黑和铬铁黑3 种色浆掺量20%的灰色系列涂料与炭黑色浆掺量2%的涂料可见光反射能力相近,因此,其与炭黑掺量2%的比较,分析其可见光反射比和近红外反射比的效果(见表5)
表5 黑色颜料的可见光反射与近红外反射能力比较

注:Rv ( 2%)、Rir ( 2%)和Rt ( 2%)是指炭黑掺量2%涂料的可见光、近红外和总太阳能反射比;Rv ( 20%)、Rir ( 20%)和Rt ( 20%)指对应其它几种黑色颜料的可见光、近红外和总太阳能反射比。
可以发现:
(1)4 种黑色颜料中,炭黑的可见光遮盖力远大于另外3种,2%炭黑色浆掺量涂料的可见光反射比只有铜铬黑20%色浆掺量的84.4%,氧化铁黑20%色浆掺量的83.7%,更只有铬铁黑20%色浆掺量的70.6%。即3 种颜料20%色浆掺量所造成的可见光反射比下降基本只有炭黑2%掺量的70%~84%。
(2)铜铬黑和氧化铁黑的近红外吸收也很大,在实现近似可见光反射比条件下,铜铬黑与炭黑近似:Rv ( 2%)∶Rv ( 20%)=0.844,而Rir ( 2%)∶Rir ( 20%)=0.858,两者近似,即铜铬黑涂料在明度约为1.19 倍(0.844 的倒数)炭黑涂料的情况下,近红外反射也约为后者的1.16 倍(0.858 的倒数);而氧化铁黑近红外反射能力比炭黑还差,Rv ( 2%)∶Rv ( 20%)=0.837,而Rir ( 2%)∶Rir ( 20%)=0.997,后者大于前者,即氧化铁黑涂料在明度约为炭黑涂料1.19 倍(0.837 的倒数)的情况下,近红外反射已经和炭黑涂料近似。
(3)铬铁黑在实现近似可见光反射比的条件下,近红外反射能力较强:Rv ( 2%)∶Rv ( 20%)=0.706,而Rir ( 2%)∶Rir ( 20%)=0.208,当铬铁黑涂料的明度约为炭黑涂料的1.4 倍(0.706 的倒数)时,近红外反射大约是炭黑涂料的5 倍(0.208 的倒数)。

4 结论
铜铬黑、氧化铁黑和炭黑相比,在近红外光谱范围的反射能力没有优势,而且会增加颜料或色浆的用量;而铬铁黑在和金红石钛白粉的综合作用下,其近红外反射能力较强,比较适用于配制高太阳能反射比的深色涂料。

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