颜填料对涂料降温性能的影响

摘要：为了满足军事上深色降温涂料的需要，往往需要向白色涂料中加入一定量的色浆，设计了具有可比性的三种涂料：B涂料、Z涂料、TU涂料，考察了颜填料对深色降温涂料降温性能的影响。最后通过仪器测试，说明了这种影响之间的关系。
降温涂料是近年来在民用领域迅速发展起来的一种特种功能涂料，它主要利用现代军事中的红外技术，以提高涂层表面的红外发射率、反射率，达到降低建筑物内的辐射温度，减少空调能源消耗，节约能源的目的。
目前的降温涂料大部分是白色或较浅的颜色，因为一种涂料如果做成灰色或其它颜色，它在可见光段必然会吸收太阳能。而对于军用舰船为增加隐蔽性，现在要求半光或无光的面漆，颜料逐渐向深灰甚至黑灰转变，普通的甲板面漆通常为草绿，红棕或黑灰(军用)色。因此，对用于军事领域的深色降温涂料来说，由于对涂层在可见光区域反射率的限制(GJB1887-94)。只能尽量地提高涂层在近红外区的反射性能和其热辐射性能以达到最佳的降温目的。因此在设计降温涂料时，就要根据其特有的性能来具体的选择其中主要成分和添加剂。
1、降温原理
涂料在反射外部能量的同时，还会吸收部分能量，而涂层本身也以一定的红外波长向外辐射内部能量。一般来说，好的吸收体是好的发射体，而差的吸收体必然是差的发射体。辐射体的散热大于吸收，就会出现降温现象。
太阳辐射96%以H的能量集中在2.5μm以下的波段内，而一般常温下的物体所发出辐射能量96%集中在6μm以上，而大气对红外辐射的吸收主要分布在3-5μm、8-13.5μm范围之外。因此地面H的物体在发射红外辐射时，在这两区域内的能量能最大限度地辐射到外界空间去。所以，设计的具有降温效果的涂料应对8-13.5μm波段的吸收率很高，但对其他波段的反射比，从而能获得优异的降温效果。为提高涂层的降温能力，往往需要往涂料中加入高反射率和高发射率的颜填料，使其达到降低表面温度的目的。
2、涂料的配制
为了考察颜填料对深色溆料降温能的影响，规定如下：只有白色颜填料和树脂配制的涂料定为B涂料，只有色浆和树脂制的涂料定为Z涂料，既有白色颜填料又有色浆和树脂一起配制的涂料定为TU涂料。
2.1 B涂料的配制
金红石型钛白粉能吸收紫外线，有很好的耐候性，是外墙基础漆的主要白色颜料；二氧化硅、滑石粉等是常用的颜填料，它们对8um以上波段的吸收率较大，将它们与二氧化钛混合使用，可以形成理想的辐射致冷涂层。硅灰石粉具有一定的屏蔽紫外线的功能，对于提高外墙乳胶漆的耐候性有一定的作用。所以本实验选择余红石型二氧化钛、二氧化硅、滑石粉、硅灰石(CaSiO3) 作为深色降温涂料所用的颜填料。通过正交实验优化配方，确定的最终颜填料的配方为：
表1B涂料配方
项目质量/G硅丙乳液
70助溶剂18.3助剂适量滑石粉9钛白粉(R)8二氧化硅12硅酸钙72.2 Z涂料的配制
目前，在乳胶漆中最常用的彩色无机颜料是氧化铁系颜料，它具有较好的耐候性、色谱较齐全、价格低廉，且乳胶漆膜很少出现褪色变色现象。铁红能吸收阳光中的紫外光谱且折光指数较高，对涂层有反射隔热作用，铁黄具有屏蔽紫外光辐射的作用，可以延长涂层应用寿命：铁黑比碳黑易干研磨。在功能性方面铁黄可和铁红、铁黑等配成棕色，其拼混物有较高的着色力、遮盖力能吸收几乎所有紫外段的光谱。以铁棕制成的涂料，具有与树木、青草、沙地等相同的红外反射，它们的使用是可以大大提高涂料在8-13.5μm以外波段的反射率的。
色浆生产工艺流稈如图1所示同。由于将未经稀释的色浆快速加入任何基料中，都会发生絮凝，所以在用色浆配制涂料时应先将配好的色浆稀释。
固定树脂的量与上述B涂料中树脂的量相同，其在Z涂料的具体配方如表2所示。
表2 Z涂料配方
项目质量/G硅丙乳液
70助溶剂2.5助剂适量铁红色浆4.5铁黄色浆4.5铁黑色浆3表3 TU涂料配方
项目质量/G硅丙乳液
70助溶剂20助剂适量色浆12
颜填料36有色乳胶漆必须检验色浆和乳液的相容性，具体方法为:指研法取白漆100g，加入2-3g待试色浆，充分搅匀后，涂布在被涂物表面，待快要凝结时，用手指研磨涂膜表层部分，待漆膜干透后，观察用手指研擦过和未经研擦过的地方是否有色差，结果讦明实验配制的色浆与砖丙乳液的相容性好。
2.3 TU涂料的制备
由于乳胶漆中色浆有最大添加量的问题(据文献报导无机颜料色浆最大添加量为10-15%)，所以在设计TU涂料配方时色浆的加入量需要固定在一定的范围内。为了突出颜填料对降温性能的影响，TU涂料配方中的颜填料即为B涂料中所确定的颜填料及加入量，色桨即为Z涂料中所确定的色浆的配比及加入量，树脂的量与Z涂料和T涂料中的树脂量相同。确定的TU涂料的配方如表3所示。
3、功能性测试
制备的具有可比性的三种涂料：B涂料、Z涂料、TU涂料，对其分别进行功能性测试，以得出颜填料对深色降温涂料降温性能的影响。
以下实验中所用到的涂层的反射率数值均是委托广东省技术监督玻璃产品质量监督检验站，用日本岛津产UV3101-PC带积分球的紫外可见红外分光光度计依据GB/T2680-1994测出的数据反射率数值及图谱。
3.1反射率测试
测试计算所得的涂料的反射率值如表4所示。
表4涂料的各波段的反射率
仪器测试的反射率图谱如图2所示。
图2涂料的反射率图谱
从表4和图2中可以看出：
1)B涂料的反射率大干TU涂料的反射率大干Z涂料的反射率，但二者波形相似。
2)乙涂料的反射率均低于B涂料和TU涂料的反射率，表明色浆能显著降低涂层的反射率。
3)B涂料全波段的反射率比其近红外的反射率略大，而TU涂料和Z涂料的全波段反射率却比其近红外的反射率略小，表明深色：涂料能提高其近红外的反射率。
3.2表面发射率测试发射率的测试是用HY-2000G型红外热像仪测试涂层试板在T、I2两温度下涂层(在一块试板的一侧涂有待测涂料，另一侧涂有已知发射率的黑磁漆)中小的温度，利用下述公式计算涂层的表面发射率。
ε波段范围为8μm-13.5um，n=4。计算所得的涂层8μm-13.5um波段的发射率数值如表5所示。表5 涂料的发射率
从表5中可以看出：
1)B涂料的表面发射率明显的比Z涂料和TU涂料的表面发射率低，验证了涂料的吸收率约等于发射率的结论，因为白色涂料的吸收率低所以发射率低，深色涂料的吸收率大所以发射率大。
2)Z涂料的表面发射率和TU涂料的表面发射率相近，三者的表面发射率都在0.80以上，验证了涂料总是，固化在物体表面所以其表面发射率相差不大的结论。
4、结论
本文将反射或辐射结合应用进行研究，对实验室自行设计的二种涂料进行7反射率和表面发射率测试，得到了颜填料对涂料降温性能的影响关系：
1)有色颜填料的加入能显著降低涂料的反射率，但能保持图谱波形相似。
2)深色涂料(Z涂料、TU涂料)的近红外反射率比，其全波段反射率略大，表明深色涂料能提高在近红外区的反射率。
3)白色涂料的吸收率低所以发射率小，深色涂料的吸收率高所以发射率大。
4)颜填料的加入对表面发射率的影响较小。颜填料是涂料降温效果优劣的最重要的影响因素，合理选择颜填料、加强颜填料的单体性能和颜填料的复配之间的研究，充分发挥颜填料的辐射致冷效果，配制颜色较深的军用领域降温涂料是有待下一步解决的问题。
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