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        金屬氧化物顏料對隔熱塗料發射率和反射率的影響,基於熱帶和亞熱帶地區對外牆塗料光學性能的要求,研究了塗料組分中各類金屬氧化物顏料對其長波發射率及太陽能反射率的影響
        2019年12月18日    閱讀量:48633    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

        傳統的建築隔熱體系,如聚苯乙烯板玻纖網格布聚合物砂漿體系和現澆混凝土模板內置保溫體系等,存在施工繁瑣、成本高、保溫層過厚、易脫落開裂以及防火隱患等不足.因此,有必要研究開發薄層、高性能、施工簡便的外牆保溫節能塗料,以滿足建築圍護結構保溫體系的市場需求.Akbari等研究表明,節能塗料對太陽光具有很高的反射率,能延緩熱能向物體內部傳導,進而影響周圍環境溫度,降低製冷設備能耗.


        Shi等運用Energy Plus 4.0作為建築能耗模擬平台,研究了圍護結構外表面光學性能對建築全年空調能耗的影響,研究表明在熱帶和亞熱帶地區,隨著建築圍護結構外表面太陽能反射率和長波發射率的增大,建築空調能耗有較大幅度的降低.Cheng等研究表明,利用彩色屋頂冷材料,可將屋頂太陽能反射率從0.08提高至0.30~0.50,可降低用電能耗15%~30%.Cheung等研究香港的高層建築高效節能維護結構,結果表明降低30%太陽能吸收率,全年可節省12%空調製冷能耗.


        如何因地制宜地根據建築圍護結構外表面所需的太陽能反射率及長波發射率配製相應的節能塗料,還需要研究塗料組分對其長波發射率及太陽能反射率的影響.目前,國內外主要是通過大量選擇配比試驗來確定塗料配製方案,對顏填料本身光學性質特徵的研究及其反射原理的認識還不夠深入.


        因此,有必要對顏填料自身屬性進行詳細分析,為塗料配製工作提供理論依據.本文主要研究了金屬氧化物顏料對塗料太陽能反射率及長波發射率的影響,並對各顏料的光學性質進行分析,為配製高發射率、高反射率節能塗料奠定理論基礎.

         

        1 試驗

        1.1 原材料

        基料:苯丙乳液(苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液,SAE),其性能參數見表1;金屬氧化物顏料:鉻鐵黑、氧化鐵黑、銅鉻黑、氧化鐵紅、氧化鐵黃及鈦鉻黃等,均為工業品;另選用特定分散劑、潤濕劑、消泡劑、助溶劑及增稠劑等共同配製塗料.

        苯丙乳液性能參數

        金屬氧化物顏料對隔熱塗料發射率和反射率的影響,基於熱帶和亞熱帶地區對外牆塗料光學性能的要求,研究了塗料組分中各類金屬氧化物顏料對其長波發射率及太陽能反射率的影響 中國建材網,cnprofit.com

        1.2 試驗方案

        分別稱取不同種類的金屬氧化物顏料,加入苯丙乳液中,同時加入適量成膜助劑,利用電動攪拌器充分攪拌至顏料均勻分散於乳液中,製成不同種類的色漿塗料將其塗佈於水泥基板上製成100mm×100mm×5mm的濕膜,在標準養護條件((23±2)℃,相對濕度(50±5)%)下乾燥養護48h,干膜厚度為20μm左右.

        採用美國Devices &Services Company生產的AE1型輻射率儀、Shimadzu UV 3600型紫外-可見光譜儀和EQUINOXSS/HYPERION 2000紅外光譜儀對所製備塗料進行發射率、太陽能反射率以及紅外吸收光譜分析.

         

        2 結果與討論

        2.1 金屬氧化物顏料光學性質分析

        對金屬氧化物顏料在塗料中反射、吸收的可見光和近紅外光進行分析,結果見表2.

        金屬氧化物顏料的光學性能

        金屬氧化物顏料對隔熱塗料發射率和反射率的影響,基於熱帶和亞熱帶地區對外牆塗料光學性能的要求,研究了塗料組分中各類金屬氧化物顏料對其長波發射率及太陽能反射率的影響 中國建材網,cnprofit.com

        由表2可知,氧化鐵黑有很 寬的光譜吸收特性,是一種380~2 500nm全太陽光譜範圍內高吸收率的顏料,由此導致塗料的太陽能反射率大幅下降.

        鉻鐵黑塗料在紫外波段和可見光波段可實現0.95,0.94的高吸收率;在近紅外波段吸收率下降到0.45,反射 率為0.38.鉻鐵黑是鉻綠(Cr2O3)和赤鐵礦(Fe2O3)經高溫固相反應生成的混相金屬氧化物,其晶體結構仍保持鉻綠的晶體結構,僅少量Cr3+被Fe3+替代.


        鐵紅在近紅外波段的吸收率只有0.33,但在近紅外波段的透射率為0.24,因此鐵紅應用於塗料時,近紅外波段的反射率將受到基層及塗料中其他配合顏料的影響.


        鐵紅對可見光(380~780nm)有較強的吸收,因而呈現紅色,對近紅外吸收較低.鐵黃在近紅外波段的吸收率為0.13,小於鐵紅在近紅外波段的吸收比.但透射率很高,為0.54.所以若用鐵黃來配製高近紅外反射率的顏料(如金紅石鈦白粉),或應用於高反射率的基層(如白色或金屬基層),可以獲得較高太陽能反射率效果.

        2.2 金屬氧化物顏料對塗料發射率的影響

        分別在水泥基板發射率為0.05和0.95的標準背景下測試苯丙乳液干膜發射率,結果見表3.

        採用苯丙乳液作為基料,分別配製鉻鐵黑、氧化鐵黑、銅鉻黑、氧化鐵紅、氧化鐵黃和鈦鉻黃色漿,其中色漿中金屬氧化物顏料固含量(質量分數)均為60%.分別測試各色漿的長波發射率,結果見表4.

        苯丙乳液干膜發射率,色漿長波發射率

        金屬氧化物顏料對隔熱塗料發射率和反射率的影響,基於熱帶和亞熱帶地區對外牆塗料光學性能的要求,研究了塗料組分中各類金屬氧化物顏料對其長波發射率及太陽能反射率的影響 中國建材網,cnprofit.com



        2.3 金屬氧化物顏料對塗料太陽能反射率的影響

        利用銅鉻黑、氧化鐵黑、鉻鐵黑、鐵黃、鈦鉻黃及鐵紅分別配製色漿塗料,其中的色漿摻量(質量分數)為2%,5%,10%,15%及20%,測試各色漿塗料在300~2500nm光譜範圍內的太陽能分光反射率,結果見圖1.

        不同色漿摻量塗料的太陽能分光反射率

        不同色漿摻量塗料的太陽能分光反射率

        黑色顏料作為塗料配色非常重要的品種,在塗料中的主要作用是降低顏色的明度.由圖1(a)~(c)可知,3種黑色金屬氧化物色漿塗料中銅鉻黑和氧化鐵黑吸收特性相似,在380~2 500nm全太陽能光譜範圍均具有均勻的吸收特性;鉻鐵黑色漿塗料僅在380~780nm可見光波段具有較強的吸收特性,但與其他助劑綜合作用后,在780~2 500nm

        近紅外波段表現出較好的反射特性.計算不同色漿摻量下塗料太陽能總反射率Rt,380~780nm可見光反射率Rv及780~2 500nm的近紅外反射率Rir,結果見表5.

        不同色漿摻量下塗料的太陽能反射率

        金屬氧化物顏料對隔熱塗料發射率和反射率的影響,基於熱帶和亞熱帶地區對外牆塗料光學性能的要求,研究了塗料組分中各類金屬氧化物顏料對其長波發射率及太陽能反射率的影響 中國建材網,cnprofit.com

        不同色漿摻量下塗料的太陽能反射率

        將摻量為15%的銅鉻黑、氧化鐵黑和鉻鐵黑色漿塗料的可見光反射率Rv(15%)和近紅外反射率Rir(15%)分別與摻量為5%的炭黑色漿的可見光反射率Rv(5%)和近紅外反射率Rir(5%)進行對比,結果見表6.


        黑色顏料可見光與近紅外光反射能力對比

        由表6可見,由於炭黑的可見光遮蓋能力遠大於其他黑色顏料,摻5%炭黑色漿塗料的可見光反射率為 摻15%銅鉻 黑色漿塗 料的1.12倍,為 摻15%氧化鐵黑色漿塗料的1.11倍.由表6還可見,銅鉻黑和氧化鐵黑色漿塗料在近紅外波段的吸收比較大,在實現近似可見光反射率的條件下,銅鉻黑與炭黑色漿塗料基本相當.這是因為Rir(5%)∶Rir(15%)=0.97,銅鉻黑色漿塗料在與炭黑色漿塗料明度近似的情況下,其近紅外反射能力與炭黑色漿塗料近似,而氧化鐵黑色漿塗料的近紅外反射能力也幾乎與炭黑色漿塗料近似.


        而鉻鐵黑色漿塗料在實現近似可見光反射率的條件下,近紅外反射能力較強,這是因為Rv(5%)∶Rv(15%)=0.92,而Rir(5%)∶Rir(15%)=0.26,當鉻鐵黑色漿塗料的明度與炭黑色漿塗料近似時,其近紅外反射大約是炭黑色漿塗料的4倍.


        因此鉻鐵黑色漿塗料在其他助劑的綜合作用下,其近紅外反射能力較強,比較適用於配製高太陽能反射率的深色塗料.分析圖1(e)~(f)可知,鐵黃和鈦鉻黃色漿均可顯著增加塗料在380~550nm光譜範圍內的吸收率,但在550~700nm光譜範圍內仍具備較高反射率,因而兩者均表現出黃色.


        但添加鐵黃色漿可降低塗料在780~1 300nm光譜範圍內的反射率,且隨鐵黃色漿摻量的增加,塗料的反射率下降程度增加,且鐵黃色漿也可降低塗料在1 300~2 500nm光譜範圍內的反射率,但影響程度較小.與鐵黃色漿不同的是,添加鈦鉻黃色漿,對塗料在800~1 200nm光譜範圍內的反射率無顯著降低作用,且添加鈦鉻黃色漿對塗料在1 300~2 500nm光譜範圍內反射率的降低影響很小.對比摻5%鐵黃色漿塗料與摻15%鈦鉻黃色漿塗料可見光波段太陽能分光反射率,結果見圖2.

        金屬氧化物顏料對隔熱塗料發射率和反射率的影響,基於熱帶和亞熱帶地區對外牆塗料光學性能的要求,研究了塗料組分中各類金屬氧化物顏料對其長波發射率及太陽能反射率的影響 中國建材網,cnprofit.com

        黃色金屬氧化物色漿塗料太陽能分光反射率比較

        由圖2可見,摻5%鐵黃色漿塗料與摻15%鈦鉻黃色漿塗料在380~600nm可見光波段的分光反射率曲線幾乎重合,在600~780nm光譜範圍內鈦鉻黃色漿塗料反射率略高於鐵黃色漿塗料,因而鈦鉻黃比鐵黃更偏紅相;兩者在780~1 200nm近紅外光譜範圍內差別較大,此波段鈦鉻黃色漿塗料的反射率顯著高於鐵黃,在1 200~2 500nm光譜範圍內兩者 反 射 率 趨 於 重 合.由 於 近 紅 外 波 段 中 的780~1 300nm光譜範圍反射率是提高塗料近紅外反射能力的關鍵,因此鈦鉻黃色漿塗料的熱反射能力優於鐵黃色漿塗料.由表5可知,摻5%鐵黃色漿塗料的近紅外反射率為0.

        金屬氧化物顏料對隔熱塗料發射率和反射率的影響,基於熱帶和亞熱帶地區對外牆塗料光學性能的要求,研究了塗料組分中各類金屬氧化物顏料對其長波發射率及太陽能反射率的影響 中國建材網,cnprofit.com

        762 4,而摻15%鈦鉻黃色漿的塗料在相近的可見光反射率條件下,其近紅外反射率達到0.871 5,與白色塗料基本相當,且鈦鉻黃色漿塗料的近紅外反射率基本不隨色漿摻量的增加而變化,因此鈦鉻黃是一種更優異的熱反射黃色顏料.

        金屬氧化物顏料對隔熱塗料發射率和反射率的影響,基於熱帶和亞熱帶地區對外牆塗料光學性能的要求,研究了塗料組分中各類金屬氧化物顏料對其長波發射率及太陽能反射率的影響 中國建材網,cnprofit.com

        分析圖1(d),(e)可發現,在1 000~2 500nm光譜範圍內,色漿摻量相同的鐵紅和鐵黃色漿塗料的反射率曲線基本重合,但在800~1 000nm光譜範圍內,鐵紅色漿塗料較鐵黃色漿塗料具有更強的吸收能力.


        3 結論

        (1)氧化鐵黑在300~2 500nm全太陽光譜範圍內具有高吸收率;鉻鐵黑在紫外波段和可見光波段可實現0.95,0.94的高吸收率,在近紅外波段吸收率下降至0.45,反射率為0.38;鐵紅在近紅外波段的吸收率只有0.33,但在近紅外波段的透射率為0.24;鐵 黃 在 近 紅 外 波 段 的 吸 收 率 小 於 鐵 紅,為0.13,但其透射率很高,為0.54.

        (2)金屬氧化物顏料對水性乳液基料的發射率影響很小,可用於配製高發射率塗料.苯丙乳液在可見光光譜和近紅外光譜範圍均具備很小的吸收率,分散於其中的顏料可充分反射可見光及近紅外光,適用於配製高太陽能反射率的乳膠漆.

        (3)銅鉻黑塗料和氧化鐵黑塗料在近紅外波段的吸收比較大;鉻鐵黑塗料近紅外反射能力較強,在明度與炭黑塗料近似時.其近紅外反射率大約是炭黑塗料的4倍;鐵黃和鈦鉻黃均可顯著增加塗料在380~550nm光譜範圍的吸收比,但在550~700nm光譜範圍仍具備較高反射率;與添加鐵黃色漿不同的是,添加鈦鉻黃色漿,對塗料在800~1 200nm

        光譜範圍的反射率無顯著影響,對塗料在1 300~2 500nm光譜範圍的反射率降低程度影響很小;色漿摻量為15%的鈦鉻黃 塗料 近紅外反射 率達 到0.871 5;在1 000~2 500nm光譜範圍,色漿摻量相同的鐵紅塗料和鐵黃塗料的反射率曲線基本重合,但在800~1 000nm光譜範圍,鐵紅塗料較鐵黃塗料具有更強的吸收能力.

        金屬氧化物顏料對隔熱塗料發射率和反射率的影響

        何燕1,張雄1,管建2(1.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室,台湾201804;2.中廣核工程有限公司,台湾 台湾518000)


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