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红棕色降温涂料的配方设计及性能研究

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在对颜填料性能研究的基础上,利用实验室现有条件配制了有一定降温效果的红棕色降温涂料。但反射率的测试结果却不尽理想,分析了这种结果可能的原因及今后努力的方向。

关键词:颜填料;降温涂料;反射率

0 引言

降温的方法有很多,例如采用隔热层、金属镀膜和涂料等途径。而涂料因经济、使用方便和隔热效果好等优点越来越受到人们的青睐。降温涂料是通提高涂层表面的红外发射率、反射率,达到降低建筑物内辐射温度目的的一种新型特种功能涂料。但在已应用的降温涂料中,颜色单一,95%以上为白色。而对于军用舰船。为增加安全性通常要求半光或无光的面漆,颜料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。

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。相对于浅色降温涂料而言,色素对可见光及近红外光具有很强的吸收能力,颜色深则它的光谱反射率低,吸收率高。本文采用复合配色方法,利用辐射致冷效应配制成深色降温涂料并对其降温性能进行研究。

1 降温原理及颜料的优化选择

对用于军事领域的深色降温涂料来说,由于涂层在可见光区域反射率的限制(GJB1887—94),只能尽量提高其在近红外区的反射性能和8~13.5μm波段的热辐射性能以达到最佳的降温目的。

辐射致冷时要求涂料中的颜填料仅吸收8~13.5μm波段的光,而反射其他波段的光波。若涂料对8~13.5μm波段的光吸收率很高,对其他波段的光有着很高的反射比,由于黑体辐射效应的存在,可以不断地向外界辐射内部能量,从而获得优异的散热效果。因此在设计降温涂料时,就要根据其特有的性能来具体地选择其中主要成分和添加剂。设计涂料时,为提高涂层的降温能力,往往需要往涂料中加入几种高反射率的颜填料,使其与固有发射波长相吻合,产生辐射致冷效应,以达到增强涂层热辐射能力,降低表面温度的目的。

在乳胶漆中最常用的无机颜料是氧化铁系颜料,它具有较好的耐候性,色谱较齐全且价格低廉。且乳胶色漆漆膜出现褪色变色较少。铁红能吸收阳光中的紫外光谱,且折光指数较高,有反射隔热作用;铁黄具有屏蔽紫外光辐射的作用,在535nm处有强吸收峰,且对光的反射比较高;铁黑比炭黑易于研磨。在功能性方面铁黄可和铁红、铁黑等配成棕色,其混合物有较高的着色力和遮盖力。铁棕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,这些添加物质的使用可以大大提高涂料在8~13.5μm以外波段的反射率。本实验我们以铁红、铁黄、铁黑分别制得色浆。然后通过正交设计法优化三者的配比,最终确定的色浆比例为铁红:铁黄:铁黑=1.5:1.5:1。

2 辅助颜料及填料的选择及涂料配方设计

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、滑石粉等是常用的填料,它们在整个可见光和近红外区域是透明的,不产生反射,而且不干扰其它颜填料的性能,但它们对8~13.5μm以上波段的光吸收率较大。硅灰石粉具有一定的屏蔽紫外线功能,对于提高外墙乳胶漆耐候性有一定的作用。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。本实验选择金红石型二氧化钛、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,成膜剂选用耐候性好且对基材附着性好的硅丙乳液。通过正交实验优化配方,最终确定的涂料配方如表1所示。

表1 红棕色降温涂料的配方

表1 红棕色降温涂料的配方

2.1 实验方法

在容器中依次加入助溶剂、润湿剂、分散剂、消泡剂、pH调节剂,分散搅拌、砂磨,分散均匀后按照吸油量的大小依次加入TiO2、滑石粉、SiO2、硅灰石粉,进行高速分散,然后慢慢加入经稀释的色浆分散均匀,在砂磨机中研磨2h左右达到一定细度后,即获得涂料产品。

2.2 实验装置

SDF-400试验分散砂磨机及配套设备、石英珠、精度为0.1g的电子天平、粘度计(涂-4杯)、刮板细度计、接触式表面温度计。

2.3 测试方法

目前,降温涂料的测试没有统一的国家标准,因此我们只能参照国内外相关的实验测试方法并结合我们的具体情况,制定自己的实验室测试方法,其测试装置系统见图1。

图1 实验室测试装置

图1 实验室测试装置

3 实验结果及分析

3.1 试板降温涂屡裹面温度

以钢板为基板,嚣于测试台上。样品的背面紧贴热电偶,并垫保温材料。正上方挂红外灯,模拟太阳的近红外辐射。测试时紧闭门窗,用空调调节室内的温度恒为(27±1)℃。测试试板经红外灯照射一定时间后的升温情况和关闭红外灯后的降温情况,通过用表面温度计记录试板背面的温度获得(表2)。

表 2 红外灯照射下试板背面的温度 ℃

表 2 红外灯照射下试板背面的温度 ℃

涂层的厚度用道数表示,1道的标准大约是5g/cm2。由表可见:同种涂料不同厚度的涂层对降温涂料的降温效果影响不大。因此,在涂覆时,要恰当地选择涂层厚度,这样可以充分发挥涂层的反射效果,而且节约能源。

可能的原因分析:如图2所示,左图表示了光路在涂层中受到散射的示意图,此厚度足以使光线反射到涂层外部,而右侧涂层较薄,光线易透过涂层,从而被基质所吸收,起不到反射隔热的功能。但超过一定厚度时,厚度差异对涂层的反射效率影响不大。

图 2 不同厚度涂层内的光路示意图

图 2 不同厚度涂层内的光路示意图

涂层厚度的增加会阻碍热量的传导,测得的温度降低很可能是因为厚度对热量传导的阻碍,故而对增强降温效果没有实际意义。同时厚度增加,使涂层吸收的热量不能很快散去,热量困在涂层中,影响了涂层的降温速度。所以,为了节省资源降低成本,最大膜厚只用2道即可。

3.2 单天模拟箱体内部温度

实验室模拟太阳光(如红外灯、镝灯等)直射涂有降温涂料的试板,背面置点温度计探头。这种测量方法的特点是:简单、直观,易于对比性研究。但由于模拟太阳光不是自然太阳光,自然太阳光在波长为200~2600nm光学及近红外区集中了90%的太阳能,且试板涂层表面温度测量从传热学角度分析均有一些不合理性,必须完全排除空气流动的影响,故模拟太阳光波长是有局限性的,难以全面反映光学及近红外范围内涂料的降温性能。为此设计了箱体对比实验,环境温度为38℃。涂有降温涂层的箱体比未涂该涂层的空白箱体内部温度低大约5℃,如图3所示。

图 3 阳光曝晒下箱体的内部温度

图 3 阳光曝晒下箱体的内部温度

3.3 降温涂层的反射光谱

为验证此结果的准确性,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UV3101PC带积分球的紫外-可见-红外分光光度计依据GB/T2680--1994测定降温涂层的反射率值及反射率光谱(图4)。

图4 涂料的反射率图谱

图4 涂料的反射率图谱

3.4 降温涂层表面发射率

利用HY-2001G型红外热像仪,测试、两温度下涂层(在一块试板一侧涂有待测涂料,另一侧涂有已知发射率的黑磁漆)的中心温度,利用下述公式计算涂层的表面发射率。

涂层的表面发射率

涂层的表面发射率

其中εR为黑磁漆辐射率(εR≈0.97),工作波段为8~l3.5μm,n=4。计算得到涂层在8~13.5μm波段的发射率值。

3.5 涂料综合性能

涂料的综合性能检测结果见表3。

表 3 涂料性能检测结果

表3 涂料性能检测结果

从表3看出,涂层的常规性能合格,而反射率值偏低。

4 结语

通过对实验室自制的红棕色降温涂料进行性能测试,发现涂层反射率测试结果不尽理想,可能的原因分析如下:

(1)由于深色色浆的加入,增大了涂层的吸收率,减小了涂层反射率。(2)对着色颜料性能分析得到的结论,可能并不适用于色浆复配,因为色浆的性能及加入方法对涂料的降温性能都有影响,也可能是复配的色浆未达到最优化所致。(3)因为涂料的细度、颜填料的粒径对涂料的降温性能有一定的影响,可能颜填料分散不够引起了涂料反射率的降低。(4)涂层涂覆厚度不均匀,以致影响了涂层反射率的测试结果。

下一步应该做的工作:

(1)加大对涂料加工工艺、漆膜微观特征的研究。(2)加大对单颜填料反射和发射图谱的研究,优化组合成理想的复配颜填料,制备理想的降温涂层。(3)期待能找到更好的黑色颜料,可以利用辐射致冷效应研制理想的红棕色降温涂料。

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