金属氧化物颜料对隔热涂料发射率和反射率的影响

何 燕，张 雄，管 建

（1.同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804；2.中广核工程有限公司，广东 深圳 518000）

传统的建筑隔热体系，如聚苯乙烯板玻纤网格布聚合物砂浆体系和现浇混凝土模板内置保温体系等，存在施工繁琐、成本高、保温层过厚、易脱落开裂以及防火隐患等不足［1］.因此，有必要研究开发薄层、高性能、施工简便的外墙保温节能涂料，以满足建筑围护结构保温体系的市场需求［2－5］.

Akbari等［6］研究表明，节能涂料对太阳光具有很高的反射率，能延缓热能向物体内部传导，进而影响周围环境温度，降低制冷设备能耗.Shi等［7］运用Energy Plus 4.0作为建筑能耗模拟平台，研究了围护结构外表面光学性能对建筑全年空调能耗的影响，研究表明在热带和亚热带地区，随着建筑围护结构外表面太阳能反射率和长波发射率的增大，建筑空调能耗有较大幅度的降低.Cheng等［8］研究表明，利用彩色屋顶冷材料，可将屋顶太阳能反射率从0.08提高至0.30～0.50，可降低用电能耗15%～30%.Cheung等［9］研究香港的高层建筑高效节能维护结构，结果表明降低30%太阳能吸收率，全年可节省12%空调制冷能耗.

如何因地制宜地根据建筑围护结构外表面所需的太阳能反射率及长波发射率配制相应的节能涂料，还需要研究涂料组分对其长波发射率及太阳能反射率的影响.目前，国内外主要是通过大量选择配比试验来确定涂料配制方案［10］，对颜填料本身光学性质特征的研究及其反射原理的认识还不够深入.因此，有必要对颜填料自身属性进行详细分析，为涂料配制工作提供理论依据.本文主要研究了金属氧化物颜料对涂料太阳能反射率及长波发射率的影响，并对各颜料的光学性质进行分析，为配制高发射率、高反射率节能涂料奠定理论基础.

1 试验

1.1 原材料

基料：苯丙乳液（苯乙烯－丙烯酸酯共聚乳液，SAE），其性能参数见表1；金属氧化物颜料：铬铁黑、氧化铁黑、铜铬黑、氧化铁红、氧化铁黄及钛铬黄等，均为工业品；另选用特定分散剂、润湿剂、消泡剂、助溶剂及增稠剂等共同配制涂料.

表1 苯丙乳液性能参数Table 1 Property parameters of styrene acrylic emulsion

1.2 试验方案

分别称取不同种类的金属氧化物颜料，加入苯丙乳液中，同时加入适量成膜助剂，利用电动搅拌器充分搅拌至颜料均匀分散于乳液中，制成不同种类的色浆涂料将其涂布于水泥基板上制成100mm×100mm×5mm的湿膜，在标准养护条件（（23±2）℃，相对湿度（50±5）%）下干燥养护48h，干膜厚度为20μm 左右.

采用美国Devices ＆Services Company生产的AE1型辐射率仪、Shimadzu UV 3600型紫外－可见光谱仪和EQUINOXSS／HYPERION 2000红外光谱仪对所制备涂料进行发射率、太阳能反射率以及红外吸收光谱分析.

2 结果与讨论

2.1 金属氧化物颜料光学性质分析

对金属氧化物颜料在涂料中反射、吸收的可见光和近红外光进行分析，结果见表2.由表2 可知，氧化铁黑有很宽的光谱吸收特性，是一种380～2 500nm全太阳光谱范围内高吸收率的颜料，由此导致涂料的太阳能反射率大幅下降.铬铁黑涂料在紫外波段和可见光波段可实现0.95，0.94的高吸收率；在近红外波段吸收率下降到0.45，反射率为0.38.铬铁黑是铬绿（Cr2O3）和赤铁矿（Fe2O3）经高温固相反应生成的混相金属氧化物，其晶体结构仍保持铬绿的晶体结构，仅少量Cr3＋被Fe3＋替代.铁红在近红外波段的吸收率只有0.33，但在近红外波段的透射率为0.24，因此铁红应用于涂料时，近红外波段的反射率将受到基层及涂料中其他配合颜料的影响.铁红对可见光（380～780nm）有较强的吸收，因而呈现红色，对近红外吸收较低.铁黄在近红外波段的吸收率为0.13，小于铁红在近红外波段的吸收比.但透射率很高，为0.54.所以若用铁黄来配制高近红外反射率的颜料（如金红石钛白粉），或应用于高反射率的基层（如白色或金属基层），可以获得较高太阳能反射率效果.

表2 金属氧化物颜料的光学性能Table 2 Optical properties of colorants with metallic oxide

2.2 金属氧化物颜料对涂料发射率的影响

分别在水泥基板发射率为0.05和0.95的标准背景下测试苯丙乳液干膜发射率，结果见表3.采用苯丙乳液作为基料，分别配制铬铁黑、氧化铁黑、铜铬黑、氧化铁红、氧化铁黄和钛铬黄色浆，其中色浆中金属氧化物颜料固含量（质量分数）均为60%.分别测试各色浆的长波发射率，结果见表4.对比表3，4可知，金属氧化物颜料对苯丙乳液基料的发射率影响很小，可用于配制高发射率涂料.

表3 苯丙乳液干膜发射率Table 3 Spectral emissivity of dried emulsion film

表4 色浆长波发射率Table 4 Spectral emissivity of color paste

2.3 金属氧化物颜料对涂料太阳能反射率的影响

利用铜铬黑、氧化铁黑、铬铁黑、铁黄、钛铬黄及铁红分别配制色浆涂料，其中的色浆掺量（质量分数）为2%，5%，10%，15%及20%，测试各色浆涂料在300～2500nm 光谱范围内的太阳能分光反射率，结果见图1.

黑色颜料作为涂料配色非常重要的品种，在涂料中的主要作用是降低颜色的明度.由图1（a）～（c）可知，3种黑色金属氧化物色浆涂料中铜铬黑和氧化铁黑吸收特性相似，在380～2 500nm 全太阳能光谱范围均具有均匀的吸收特性；铬铁黑色浆涂料仅在380～780nm 可见光波段具有较强的吸收特性，但与其他助剂综合作用后，在780～2 500nm 近红外波段表现出较好的反射特性.

计算不同色浆掺量下涂料太阳能总反射率Rt，380～780nm可见光反射率Rv及780～2 500nm 的近红外反射率Rir，结果见表5.

将掺量为15%的铜铬黑、氧化铁黑和铬铁黑色浆涂料的可见光反射率Rv（15%）和近红外反射率Rir（15%）分别与掺量为5%的炭黑色浆的可见光反射率Rv（5%）和近红外反射率Rir（5%）进行对比，结果见表6.

由表6可见，由于炭黑的可见光遮盖能力远大于其他黑色颜料，掺5%炭黑色浆涂料的可见光反射率为掺15%铜铬黑色浆涂料的1.12 倍，为掺15%氧化铁黑色浆涂料的1.11倍.由表6还可见，铜铬黑和氧化铁黑色浆涂料在近红外波段的吸收比较大，在实现近似可见光反射率的条件下，铜铬黑与炭黑色浆涂料基本相当.这是因为Rir（5%）∶Rir（15%）＝0.97，铜铬黑色浆涂料在与炭黑色浆涂料明度近似的情况下，其近红外反射能力与炭黑色浆涂料近似，而氧化铁黑色浆涂料的近红外反射能力也几乎与炭黑色浆涂料近似.而铬铁黑色浆涂料在实现近似可见光反射率的条件下，近红外反射能力较强，这是因为Rv（5%）∶Rv（15%）＝0.92，而Rir（5%）∶Rir（15%）＝0.26，当铬铁黑色浆涂料的明度与炭黑色浆涂料近似时，其近红外反射大约是炭黑色浆涂料的4倍.因此铬铁黑色浆涂料在其他助剂的综合作用下，其近红外反射能力较强，比较适用于配制高太阳能反射率的深色涂料.

分析图1（e）～（f）可知，铁黄和钛铬黄色浆均可显著增加涂料在380～550nm 光谱范围内的吸收率，但在550～700nm 光谱范围内仍具备较高反射率，因而两者均表现出黄色.但添加铁黄色浆可降低涂料在780～1 300nm 光谱范围内的反射率，且随铁黄色浆掺量的增加，涂料的反射率下降程度增加，且铁黄色浆也可降低涂料在1 300～2 500nm 光谱范围内的反射率，但影响程度较小.与铁黄色浆不同的是，添加钛铬黄色浆，对涂料在800～1 200nm 光谱范围内的反射率无显著降低作用，且添加钛铬黄色浆对涂料在1 300～2 500nm 光谱范围内反射率的降低影响很小.

图1 不同色浆掺量涂料的太阳能分光反射率Fig.1 Solar spectral reflectance of coatings in various color paste contents

表5 不同色浆掺量下涂料的太阳能反射率Table 5 Solar spectral reflectance in various ranges of coatings in various color paste contents

续表

表6 黑色颜料可见光与近红外光反射能力对比Table 6 Comparison of black pigments reflectivity in visible light with that of near－infrared spectrums

对比掺5%铁黄色浆涂料与掺15%钛铬黄色浆涂料可见光波段太阳能分光反射率，结果见图2.

图2 黄色金属氧化物色浆涂料太阳能分光反射率比较Fig.2 Solar spectral reflectance comparative analysis of yellow metallic oxide coating

由图2可见，掺5%铁黄色浆涂料与掺15%钛铬黄色浆涂料在380～600nm 可见光波段的分光反射率曲线几乎重合，在600～780nm 光谱范围内钛铬黄色浆涂料反射率略高于铁黄色浆涂料，因而钛铬黄比铁黄更偏红相；两者在780～1 200nm 近红外光谱范围内差别较大，此波段钛铬黄色浆涂料的反射率显著高于铁黄，在1 200～2 500nm 光谱范围内两者反射率趋于重合.由于近红外波段中的780～1 300nm 光谱范围反射率是提高涂料近红外反射能力的关键，因此钛铬黄色浆涂料的热反射能力优于铁黄色浆涂料.由表5可知，掺5%铁黄色浆涂料的近红外反射率为0.762 4，而掺15%钛铬黄色浆的涂料在相近的可见光反射率条件下，其近红外反射率达到0.871 5，与白色涂料基本相当，且钛铬黄色浆涂料的近红外反射率基本不随色浆掺量的增加而变化，因此钛铬黄是一种更优异的热反射黄色颜料.

分析图1（d），（e）可发现，在1 000～2 500nm光谱范围内，色浆掺量相同的铁红和铁黄色浆涂料的反射率曲线基本重合，但在800～1 000nm 光谱范围内，铁红色浆涂料较铁黄色浆涂料具有更强的吸收能力.

3 结论

（1）氧化铁黑在300～2 500nm 全太阳光谱范围内具有高吸收率；铬铁黑在紫外波段和可见光波段可实现0.95，0.94的高吸收率，在近红外波段吸收率下降至0.45，反射率为0.38；铁红在近红外波段的吸收率只有0.33，但在近红外波段的透射率为0.24；铁黄在近红外波段的吸收率小于铁红，为0.13，但其透射率很高，为0.54.

（2）金属氧化物颜料对水性乳液基料的发射率影响很小，可用于配制高发射率涂料.苯丙乳液在可见光光谱和近红外光谱范围均具备很小的吸收率，分散于其中的颜料可充分反射可见光及近红外光，适用于配制高太阳能反射率的乳胶漆.

（3）铜铬黑涂料和氧化铁黑涂料在近红外波段的吸收比较大；铬铁黑涂料近红外反射能力较强，在明度与炭黑涂料近似时.其近红外反射率大约是炭黑涂料的4倍；铁黄和钛铬黄均可显著增加涂料在380～550nm 光谱范围的吸收比，但在550～700nm光谱范围仍具备较高反射率；与添加铁黄色浆不同的是，添加钛铬黄色浆，对涂料在800～1 200nm 光谱范围的反射率无显著影响，对涂料在1 300～2 500nm光谱范围的反射率降低程度影响很小；色浆掺量为15%的钛铬黄涂料近红外反射率达到0.871 5；在1 000～2 500nm 光谱范围，色浆掺量相同的铁红涂料和铁黄涂料的反射率曲线基本重合，但在800～1 000nm 光谱范围，铁红涂料较铁黄涂料具有更强的吸收能力.

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