基于儲能發光涂層的隧道用照明系統的開發

摘要：利用儲能發光材料的吸光-發光特點，針對現有隧道用照明系統耗能大、眩光對駕乘人員存在安全隱患等問題，自制儲能發光涂料，在物化性能檢測合規的情況下，搭配LED激發燈以及水紋燈形成具有舒緩照明功能的隧道照明系統，該系統在都（勻）香（格里拉）高速六（盤水）威（寧）段高速黃家屋基隧道進行了示范應用，取得了優于傳統照明方式的效果。經評估，基于儲能發光涂料的照明系統具有安全、舒緩、節能、應急等優點可以在隧道照明中大范圍推廣。

關鍵詞：隧道照明儲能發光涂層制備工藝節能

中圖分類號：U453.7

DevelopmentofaTunnelLightingSystemBasedonEnergy-StorageLuminescentCoatings

TIANJingsu1LUOHeng2CHENJun3ZHANGJingyu2

1.GuizhouMaterialTechnologyInnovationBase，Guiyang，GuizhouProvince，550014China;2.GuizhouJucaiTechnologyCo.，Ltd.，Guiyang，GuizhouProvince，550014China;3.GuizhouXinengElectro-OpticalTechnologyDevelopmentCo.，Ltd.，Guiyang，GuizhouProvince，550001China

Abstract：Byutilizingthelight-absorbingandluminescentcharacteristicsofenergy-storageluminescentmaterials，aself-madeenergy-storageluminescentcoatingisdevelopedtoaddresstheproblemsofhighenergyconsumptionandthepotentialsafetyhazardofglarefordriversandpassengersinexistingtunnellightingsystems，whichiscombinedwithLEDexcitationlightsandwaterripplelampstoformthetunnellightingsystemwithsoothingilluminationfunctionsinthecaseofcompliancewithitsphysicalandchemicalperformancetesting.ThesystemhasbeendemonstratedandappliedintheHuangjiawujiTunneloftheLiupanshui-WeiningsectionoftheDuyun-Shangri-LaExpresswayandachievedbetterresultscomparedtotraditionallightingmethods.Afterevaluation，thelightingsystembasedonenergy-storageluminescentcoatingshassafe，soothing，energy-savingandemergencyadvantages，anditcanbewidelypromotedintunnellighting.

KeyWords：Tunnellighting；Energy-storageluminescentcoating；Preparationprocess；Energysaving

隨著我國經濟的飛速發展，高速公路里程迅速增長，公路隧道里程也顯著增多，特別在多山地區，公路隧道長度在某些地區甚至達到了公路長度的30%。隧道照明是公路交通安全的最基礎設施之一，對于行車安全具有極為重要的意義[1-4]。傳統解決方法通常是安裝大量的照明燈，但是需要常年每天24h開啟照明燈，會消耗大量的電力資源。為了降低隧道照明電力的消耗，現在已經開始逐漸使用蓄能發光材料的涂料來代替照明燈使用在公路以及公路隧道內[5]。所謂蓄能發光材料，顧名思義就是吸收外部光源能量之后，利用本身材料特性儲存部分能量，后續以可見光的形式釋放，這個過程比較緩慢，因此在無光的條件下可以主動長時間發光[6]，蓄能發光材料的優勢在于激發-發光的過程可以無限次地進行。Matsuzawa等人[7]利用SrAl2O4解釋了蓄能發光材料的工作原理，認為電子在外部光源激發時發生基態到激發態的躍遷儲存能量，停止激發時則通過空穴從價帶遷移至激發態產生的電子與空穴復合效應，產生長余輝發光[8-9]。儲能發光涂料在隧道中的應用對隧道照明可以起到一定的作用[10-15]，但是由于蓄光型自發光材料在蓄能后發光的亮度在一定時間內會持續衰減，并不能高效地發揮其作用。例如：鋁酸鹽體系的蓄能發光體，起始發光亮度>2000mcd/m2，10min后發光亮度>200mcd/m2，60min后發光亮度>50mcd/m2，120min后發光亮度>20mcd/m2，余暉時間大于12h，但是在實際生活中，亮度低于200mcd/m2時，司機視覺感受即已相對較低。隧道內開車通行的車燈雖然可以補充一部分外界輸入光能，但是仍然需要通過隧道的主照明燈補充光能才能維持蓄能發光材料的發光作用。因此，本文針對此問題作者配置了儲能發光涂料并對發光涂料耐酸堿、耐水性等進行了測試，并對輔助照明系統進行了開發，并將新型照明方式與傳統照明方式能耗進行了對比。

1試驗部分

1.1試劑

試驗選取儲能發光涂料為自行配置，主要成分包括：3W纖維素、多功能助劑、消泡劑、乙二醇、潤濕劑、分散劑、煅燒高嶺土、金紅石鈦白、重鈣、十二醇酯、防霉防腐劑、LR303、增稠劑及鋁酸鹽系列儲能發光粉。

1.2試驗樣板的制備

采用無石棉纖維水泥板作為基材，基板符合《纖維水泥平板第1部分：無石棉纖維水泥平板》（JC/T412.1—2006）的相應規定，按照《色漆和清漆標準試板》（GBT9271—2008）的規定進行表面處理。將蓄能發光材料攪拌均勻之后進行制板。

1.3物理性能檢測

耐水、耐堿、耐酸性檢測、耐人工氣候老化性檢測。

1.4蓄能材料發光亮度和余輝時間的檢測

采用照度測量儀檢測：測量范圍為10～1′105Lx，分辨率為1Lx；測光探頭感光面直徑為8～12mm；測量范圍為0.01～2′106mcd/m2。測試時間不超過1440min。

2結果與討論

2.1試板制備

采用不銹鋼制成的線棒涂布器制作樣板。制樣前在150mm′70mm耐堿性無石棉水泥平板先預涂兩遍白色涂料，漆膜反射率應為（85±2）%。再采用80線棒涂至厚度4mm，涂膜采用分次涂，每次間隔時間6h，每個測試樣涂4片。

2.2耐水、耐堿、耐酸性檢測

2.2.1耐水性檢測

將制好的試板浸入玻璃水槽中，水槽溫度（23±2）℃的，保持水溫，使每塊試板長度的2/3浸于水中。進行檢測的三塊試板均未出現國家標準要求的變色、起泡、掉粉等現象的出現，按照《漆膜耐水性測定法》（GB/T1733—1993）的要求，儲能發光涂層耐水性合規。

2.2.2耐堿性檢測

在溫度（23±2）℃下，將Ca（OH）2加入三級水中配制堿溶液，密閉放置一晝夜后取上層清液作為試驗用溶液，將試板封背后放入上述堿溶液中，2/3試板長度要浸入溶液中。進行檢測的3塊試板均未出現國家標準要求的變色、起泡、剝落、粉化等現象，按照《建筑涂料涂層耐堿性的測定》（GBT9265—2009）要求，儲能發光涂層耐堿性合規。

2.2.3耐酸性檢測

在溫度（23±2）℃下，在500mL水中攪拌加入6mLH2SO4（98％）、3mLHNO3（65％～68％）、1mLHCl（36％～38％），配成混合酸溶液，在適量水中加入混合酸溶液配成pH＝3.0的酸溶液。將試板封背后放入上述堿溶液中，2/3試板長度要浸入溶液中。進行檢測的3塊試板均未出現國家標準要求的起泡、掉粉、明顯變色等現象，按照《色漆和清漆耐液體介質的測定》（GB/T9274—1988）要求，儲能發光涂層耐酸性合規。

耐水耐堿耐酸性檢測結果如表1所示。

2.3發光亮度和余輝時間的測定

使用D65標準光源作為激發光源，以一定的照度直接照射在涂膜表面，照射至規定時間后關閉光源。通過發光亮度測量儀測試照射停止后涂膜表面在不同時間的亮度值，即為發光亮度；從激發光源照射停止到發光亮度降至0.32mcd/m2所持續的時間即為余輝時間。

激發光源選擇D65光源，開啟光源后，在試板被照明區域中央以及在試板表面外緣相互成90°的4個點上放置試驗墊，試驗環境內不應有外部光源和環境雜散光源，且溫度保持在24℃。

將試板放入特定的樣品盤，以使激發光源直接照射在儲能涂膜上，5min后停止，記錄激發停止的時間T1、激發停止10min后試板的發光亮度和激發停止1h時試板的發光亮度，當發光亮度降至0.32mcd／m2時，記錄時間T2。

按照式1計算余輝時間：

式（1）中：Ty為余輝時間，單位為小時（h）；T1為激發停止的時間，單位為小時（h）；T2為發光亮度降至0.32mcd/m2的時間，單位為小時（h）。

結果如表2所示。

2.4耐人工氣候老化性

所謂的人工氣候老化性是指儲能涂層經人工氣候老化或人工輻射暴露過程中性能的改變。用經濾光器濾過的疝弧燈光對涂層進行人工氣候老化，其目的是使涂層在經受一定的暴露輻射能后，使選定的性能產生一定程度的變化，或者使涂層達到一定程度的老化所需要的暴露輻射能。

按照如表3所示的周期性循環將樣板潤濕，期間輻射曝露不中斷，測試時間為1000h。

試驗結束之后檢測樣板的外觀、粉化以及變色等物理外觀的變化情況，結果如表3所示，同時按照式（2）進行發光亮度下降率的檢測。

式（2）中：X為涂層發光亮度下降率，％；A為涂層初始的發光亮度（照射停止1h時），單位mcd/m2；B為涂層經人工氣候老人工化試驗后的發光亮度（照射停止1h時），單位mcd/m2。

2.5實際工程應用

通過以上檢測，獲得的儲能發光涂料物理化學性能均滿足國家標準，同時滿足實際使用需求選擇其在黃家屋基隧道的中間段進行“隧道駕駛舒適性改造”工程試驗。黃家屋基隧道總長共1978m，本工程在隧道中間樁號YK16+218～YK16+818這600m區域段內設為隧道駕乘舒緩段，在該區域的前后50m（即YK16+155～YK16+205跟YK16+828～YK16+878）作為隧道駕乘舒緩過渡段，配合LED激發燈以及水紋投影天棚進行工程檢測。隧道實際效果如圖1所示。隧道照明綜合能耗對比見表5，隧道照明系統綜合性能見表6。

3結論

（1）自行配制了隧道用儲能發光涂料；按照相應國家標準，其物理化學性能符合要求。

（2）在黃家屋基隧道實際工程應用中，搭配激發燈以及水紋天棚，比傳統隧道用照明設備效果小，成本低起到舒緩照明的效果。

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