反射隔熱涂層半球發(fā)射率的影響因素

王 鎮(zhèn)，周海洋，羅 蛟 （鎮(zhèn)江泛華檢測(cè)科技有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

建筑反射隔熱涂料，其涂層能夠反射和輻射太陽(yáng)輻射的能量，根據(jù)對(duì)熱傳導(dǎo)機(jī)制的不同，反射隔熱涂料可分為3類(lèi)：阻隔型、反射型、輻射型。本研究制備的反射隔熱涂料是反射和輻射復(fù)合型涂料。

半球發(fā)射率是指熱輻射體在半球方向上的輻射出射度與處于相同溫度的全輻射體（黑體）的輻射出射度的比值，體現(xiàn)了材料在特定溫度下相對(duì)黑體的輻射能力。半球發(fā)射率是反射隔熱涂料的一個(gè)重要物理性能參數(shù)。其測(cè)試?yán)碚撘罁?jù)是基爾霍夫輻射定律，即：在平衡條件下，所有物體在一定溫度下的輻射功率和輻射吸收率的比值相同，并等同于一個(gè)黑體在同一溫度下的輻射功率［1-2］。

依據(jù)反射隔熱涂料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求，半球發(fā)射率≥0.85，并且其值越大越好，發(fā)射率越大，則涂層向外輻射熱量的能力也就越大。本研究將從涂料組成、涂膜的狀態(tài)等方面分析影響涂層半球發(fā)射率的因素。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料和設(shè)備

樹(shù)脂乳液、分散劑、消泡劑、成膜助劑等；顏填料：IR-1000近紅外反射二氧化鈦、高嶺土、碳酸鈣等。高速分散機(jī)SFJ-400，現(xiàn)代環(huán)境；便攜式輻射率儀：AE1/RD1；線棒涂布器等。

1.2 涂料配方

選擇市售建筑涂料用基礎(chǔ)物料，依據(jù)表1配方進(jìn)行涂料制備并制作樣板測(cè)試。

表1 涂料配方Table 1 Coatings formula

1.3 半球發(fā)射率的測(cè)定

半球發(fā)射率的依據(jù)GB/T 25261—2018 《建筑用反射隔熱涂料》測(cè)試涂層的半球發(fā)射率。涂覆后的試板均在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件［溫度（23 ± 2） ℃，濕度（50 ± 5） %］下養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果和討論

涂料組分主要是由粉體材料、黏結(jié)劑和各種助劑組成，涂層中的有效成分是決定其半球發(fā)射率最直接的因素。涂層中的有效成分以粉體材料和黏結(jié)劑居多，這些粉體材料（非金屬無(wú)機(jī)材料）的發(fā)射率一般都在0.8以上。高發(fā)射率涂料的粉體材料主要是有著較高耐熱性能的金屬氧化物的復(fù)合物和碳化物，通常有SiO2、CuO、Fe2O3、MnO2、Cr2O3、ZrO2、A12O3、ZnO、Co2O3、石墨等。

高發(fā)射率涂料的黏結(jié)劑分為有機(jī)聚合物和無(wú)機(jī)聚合物［3］。

2.1 合成樹(shù)脂乳液對(duì)涂層半球發(fā)射率的影響

采用常用的合成樹(shù)脂乳液，如硅丙乳液、苯丙乳液、純丙乳液?jiǎn)为?dú)制成鋁基涂膜，測(cè)試其半球發(fā)射率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 合成樹(shù)脂乳液的半球發(fā)射率Table 2 Hemispherical emissivity of synthetic resin emulsion

依據(jù)表 1配方制備涂料，并制板，涂層的半球發(fā)射率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由表2、3可見(jiàn)，不同樹(shù)脂乳液的半球發(fā)射率存在差異，但制成涂料后的影響不大。其原因是乳液為主要成膜物質(zhì)，起到黏結(jié)劑的作用，其決定了涂料的基本特性，但多數(shù)乳液成膜后都呈透明或半透明的狀態(tài)，所以對(duì)涂層半球發(fā)射率的貢獻(xiàn)區(qū)別不大。

表3 涂層的半球發(fā)射率Table 3 Hemispherical emissivity of the coating

2.2 顏料體積濃度對(duì)涂層半球發(fā)射率的影響

表4 顏料體積濃度對(duì)涂層半球發(fā)射率的影響Table 4 The influences of pigment volume concentration on the hemispherical emissivity of the coating

顏料體積濃度（PVC）是指涂料中著色顏料和體質(zhì)顏料的體積與配方中所有不揮發(fā)分（包括乳液固體分、著色顏料和體質(zhì)顏料）的總體積之比。顏料體積濃度對(duì)涂層半球發(fā)射率的影響見(jiàn)表4。

從表4中可以看出，隨著顏料體積濃度的增加，涂層的半球發(fā)射率有所提高。其原因在于涂層半球發(fā)射率的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于涂料中的顏填料，高顏料體積濃度的樣品在制膜后單位面積涂層中包含了更多的顏填料粒子，從而提高了涂層的半球發(fā)射率，并且隨著PVC的提高，顏填料需要更多的樹(shù)脂乳液來(lái)包裹，涂層表面相對(duì)于低PVC的涂層稍顯粗糙。因此，高PVC涂層的半球發(fā)射率稍高。但是由于半球發(fā)射率的高低主要取決于涂層的表面狀況，同時(shí)依據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)試的涂膜厚度都在150 μm以上，涂層有足夠的厚度，也間接削弱了不同PVC濃度對(duì)結(jié)果的影響，總之隨著PVC的提高，涂層的半球發(fā)射率隨之提高，但總體影響有限。

2.3 顏色對(duì)涂層半球發(fā)射率的影響

分別使用鐵黃和鐵黑顏料與白色基礎(chǔ)漆進(jìn)行配漆，制備出不同明度值的涂料并刮板制樣，涂層半球發(fā)射率檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 顏色對(duì)涂層半球發(fā)射率的影響Table 5 The influences of color on the hemispherical emissivity of the coating

由表5可見(jiàn)，不同顏色涂層的半球發(fā)射率存在細(xì)微的差別，這可能是由于不同著色顏料對(duì)紅外輻射的吸收率不一樣所致，但總體來(lái)說(shuō)影響也不大。

2.4 涂層厚度對(duì)半球發(fā)射率的影響

半球發(fā)射率表征的是涂層對(duì)外輻射熱量的能力。涂層發(fā)射率和涂層厚度的關(guān)系比較復(fù)雜，呈“∩”型。涂層厚度對(duì)半球發(fā)射率的影響見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，當(dāng)膜厚只有20 μm時(shí)，其涂層的發(fā)射率就達(dá)到0.8以上。同時(shí)隨涂層厚度的逐漸增加，半球發(fā)射率也隨之增加。但是在涂層達(dá)到一定厚度（150 μm左右）時(shí)，基本達(dá)到平衡。繼續(xù)增加涂層的厚度，其半球發(fā)射率反而下降。其原因可能是當(dāng)涂層較厚時(shí)，阻止了熱量向涂層內(nèi)部進(jìn)行傳導(dǎo)，間接導(dǎo)致涂層表面的溫度提升，直接表現(xiàn)為半球發(fā)射率值變低。

圖1 涂層厚度對(duì)半球發(fā)射率的影響Figure 1 The influences of coating thickness on the hemispherical emissivity

2.5 表面粗糙度對(duì)涂層半球發(fā)射率的影響

采用相同的方法和同一種涂料分別制得相同膜厚的樣板A和B，將樣板B進(jìn)行拉毛處理，使得涂膜表面結(jié)構(gòu)相對(duì)較粗糙后進(jìn)行半球發(fā)射率測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 表面粗糙度對(duì)涂層半球發(fā)射率的影響Table 6 The influence of surface roughness on the hemispherical emissivity of the coating

由表6可見(jiàn)，粗糙表面的半球發(fā)射率得到提高。從主動(dòng)式測(cè)溫來(lái)講，這是由于粗糙的表面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了涂層表面對(duì)紅外輻射的多次散射和捕捉吸收的機(jī)會(huì)［4］。其次從輻射角度來(lái)看，凹凸不平的表面使輻射體的相對(duì)輻射面積增大，從而增加了輻射能，提高了涂層對(duì)紅外輻射的吸收率。

2.6 施工方式對(duì)涂層半球發(fā)射率的影響

同一種涂料采用不同的施工方式，對(duì)涂層半球發(fā)射率的影響見(jiàn)表7。

表7 施工方式對(duì)涂層半球發(fā)射率的影響

由表7可見(jiàn)，刷涂和刮涂的試板涂層半球發(fā)射率稍低于噴涂的試板。這可能是由于相較于刮涂和刷涂，噴涂的施工方式得到的涂層更加致密。同時(shí)在高PVC涂料施工過(guò)程中，采用噴涂法能使涂膜表面更易暴露裸露的顏填料粒子，使涂層半球發(fā)射率得到提高。

3 結(jié)語(yǔ)

涂層半球發(fā)射率是建筑反射隔熱涂料的一個(gè)重要的功能性技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)上述試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，涂層半球發(fā)射率的高低主要受涂層的表面狀況、涂層厚度等方面的影響，因此研發(fā)高發(fā)射率的涂料必須從這幾方面入手。同時(shí)將高反射比和低導(dǎo)熱涂層相互結(jié)合來(lái)保證涂層的隔熱保溫性能，滿足節(jié)能減排的要求，以達(dá)到降低能耗的目標(biāo)。