data-full-width-responsive="true"> 光谱选择性隔热功能涂料的研究杨景发,张玮,申文增,杨保柱,闫其庚(河北大学物理科学与技术学院,河北保定 071002)太阳给人类带来光明和温暖,同时,
它的高热辐射也给人类赖以生存的空间带来许多危害 据报道,许多发达国家中,喷淋装置、空调、冷气机和电风扇等降温致冷设备所用的能量,占全年总能耗的20 %以上[1 - 3 ] 而在我国,这些设备消耗的能量也越来越多,因此,防热节能已成为一个令人关注的社会问题太阳光经过大气层的吸收,在到达地面的的总能量中,紫外线(0 2～0 4 m) 占5 % ,可见光(0 4～0 72m) 占45 % ,红外线(0 72～2 5m) 占50 % ,太阳辐射96 %以上的能量集中在近红外和可见光范围内 常见的隔热方式是采用玻璃棉、泡沫塑料作隔热层及金属镀膜 前者虽然防热效果明显,但易造成热量困陷后者隔热效果显著,但工艺复杂和成本高 以反射太阳光中近红外为主的热反射涂料方式,因不需消耗能量、使用方便和防热效果好等优点越来越受到人们的青睐美国、英国、日本等国家对近红外反射涂料做了较系统的实验性研究 英国一项专利[ 4 ] 介绍了一种褐色日光热反射涂料,由成膜剂和近红外反射颜料构成; 日本重点探讨了建筑用太阳热反射涂料的应用,开发出了多种颜色的太阳热反射涂料,涂层由树脂、陶瓷中空珠和颜料等成分组成[5 ] 国内对热反射材料的研究也很重视,如天津大学唐翠荣[6 ] 开展了石油储罐热反射涂料反射比测量装置的研究,中科院广州能源所江晴[ 7 ] 对海灰色甲板热反射涂料传热层的传热分析作了较深入的研究,青岛海洋研究院郭年华等[8 ] 对太阳热反射涂料的基料和颜料与反射比的关系进行了探讨性研究工作,南京工业大学余丽蓉[9 ] 综述了隔热功能涂料的研究与发展趋势,马承银等[10 ] 以Ti (SO4 ) 2 为主要原料,通过化学沉积方式将TiO2 包覆在中空玻璃微珠表面,制得具有反射近红外的隔热新型材料,北京安固特化工有限责任公司[ 11 ]研制生产出CTR 系列太阳热反射隔热涂料,等等笔者综合应用阻隔、反射、辐射3 种防热机理,通过实验分析了成膜物质和反射物质的种类、颜色、高温改性、粒径、质量分数以及隔热填料等对太阳防热涂料性能的影响,研制出具有中空绝热、高反射和高辐射及强化反射特征的3 组分防热涂料1 实验材料与方法1 1 实验材料与仪器本实验采用的材料有TiO2 、硫酸钡、氧化锌、滑石粉、碳酸钙、消泡剂、多功能助剂、全丙乳液、苯丙乳液、弹性乳液、中空玻璃微珠所使用的分析仪器有GN2140 型积分球仪、NEM80C 法向辐射率测量仪、TR80 反射/ 透射材料光色性能测试箱、TP21 分析天平、QM21 型球磨机、高温坩锅炉、3ILRSCL2U 型便携式红外测温仪等1 2 实验方法将筛选出的TiO2 样品在400～900 ℃不同温度下烧结,自然冷却,研磨分样 首先将玻璃微珠按一定的厚度涂覆在铝基片上,然后将不同粒径、不同质量分数的TiO2 覆涂其上,再将纳米TiO2 涂覆在表面层2 结果与讨论2 1 涂料的成膜物质选择纯丙乳液、苯丙乳液和PG弹性乳液的光谱透射比曲线见图1 由实验可知,3 种乳液均可在室温下快速成膜,膜透明性好,膜层坚硬 苯丙乳液、弹性乳液和纯丙乳液在380～800 nm 波段的透射比分别为0 84 ,0 85和0 88 用于防热涂料的成膜物质(树脂) ,要求对可见光和近红外的吸收越低越好 树脂的透明度越高,对太阳辐射的吸收率就越低 因此在选择成膜物质时应遵循:树脂的透射率应尽可能高,且结构中不含或少含C O C ,C=O , OH 等吸热基团
图1 成膜物质的光谱透射比曲线2 2 不同白色颜料的单体及混合物对反射比的影响涂料中常用的不同单体白色颜料以及混合白色颜料对反射比的影响结果见表1 实验可知,不同单体的白色颜料中TiO2 的反射比最高, TiO2 与不同的白色颜料混合后,反射比低于单体TiO2 表1 涂敷不同白色颜料和混合白色颜料的样品的反射比
根据散射理论,涂料对太阳光辐射的散射能力取决于颜料和树脂折光系数的差异 散射能力用散射率m表示( m = n颜料/ n树脂) 反射物质与树脂的折射率差值越大,对光线的散射程度越大,光线在介质中产生的光程越短,使得涂层对光线的吸收机会减小,提高了涂层的反射比 因此,折光系数最大的白色单体颜料金红石型TiO2 是研制隔热涂料反射物质的最佳选择2 3 高温处理对TiO2 发射比影响高温处理对TiO2 的发射比影响见表2 经发射比测量和X 线衍射分析可知, TiO2 的发射比在800～900 ℃最高,说明高温煅烧后TiO2 的晶型发生变化,金红石型占主要成分,更稳定而致密,可实现在长波红外的高辐射,保证涂层将更多的热量发射出去,进一步降低涂层温度表2 高温处理对TiO2 的发射比的影响
2 4 颜料的粒径对降温特性的影响涂敷不同粒径TiO2 涂层的罐体内的温度结果见表3 实验可知,随着TiO2 粒径的减小,罐体内的升温减小 根据散射理论,颜料的最佳粒径d 与散射波长、折射率m 的关系为
理论计算可知,随TiO2 粒径增大,能散射波长更长的红外辐射 因此TiO2 的粒径在150～300 nm 内分布得越多,涂层对可见光和近红外的热反射能力越强,降温效果就应越显著表3 涂敷不同粒径TiO2 涂层的罐体内的温度
2 5 TiO2 的质量分数对涂料反射比的影响不同TiO2 质量分数的涂料的光谱反射比测试结果见图2 实验可知,随着TiO2 质量分数的增加,涂层的反射比逐渐增大,增长趋势趋缓 究其原因,可能是因为功能颜料都是颗粒,随着涂层体系中TiO2 质量分数增加,涂层内颜料的相对密度增多,起反射(散射) 作用的颜料粒子数目增多,遮盖力增加,故反射比增大;但是质量分数过高时,由于TiO2 粒子的聚集使散射的表面积减小,散射效率降低,故反射比增长减缓,且颜料与树脂的比例过高还可能使涂层的使用性能变差,所以, TiO2 的质量分数不是越大越好,综合实验及文献报道[12 - 13 ] , TiO2 的质量分数为35 %～40 %最好
图2 TiO2 含量对涂层反射比的影响2 6 玻璃微珠阻热层对隔热效果的影响玻璃微珠与TiO2 的不同混合方式对降温特性的影响结果见表4 实验可知,玻璃微珠和TiO2 分2 层涂敷要比混合涂敷的隔热效果好 从传热学的角度分析,选择中空绝热的白色空心玻璃微珠作为涂层的底层,可在基材表面形成有效的热阻屏障,减少了热在涂层内的蓄积,具有了良好的隔热和耐腐双重性能表4 玻璃微珠与TiO2 的不同混合方式涂敷罐体内的温度
2 7 太阳防热涂料的模拟实验效果应用模拟实验条件下,模拟储油罐与对比罐在空罐和装水情况下罐内温度变化曲线见图3 ,图4 实验可知,模拟储油罐与对比罐在空罐和装水情况下罐内温度分别相差9 ℃和6 ℃
本防热涂料底层采用中空玻璃微珠隔热,降低热传导;中间层采用高温处理对可见光及近红外高反射,在常温下远红外高发射的双功能材料表层采用纳米级TiO2 ,填充了凹凸不平的腔体,提高了表面的光滑度,减少了腔体效应带来的表层吸收,可以进一步强化反射,达到了更好的综合防热效果3 结论综上所述,该涂料是具有中空绝热、高反射和高辐射及强化反射特征的3 组分防热涂料,它的发射率达到0 92 ,反射率达到0 88 模拟实验证实温度可降低6～8 ℃ 该太阳防热涂料涂在金属、混凝土、木材、泡沫塑料、玻璃等表面,可广泛应用于住宅、厂房、车辆、冷库、帐篷、临时建筑及石油化工储罐等,也可以进行规模化的应用研究,研制隔热系列产品,具有很高的实用价值和广阔的市场前景参 考 文 献:[1 ] DAVID H Protecting the roof that protect s you[J ] Const ruction Repaire ,1989 ,3 (8) :24 - 25[2 ] BERDA HL PBuilding energy efficiency and fire safety aspect s of reflective coatings[J ] Energy and Buildings , 1995 ,22 :187 - 191[3 ] 薛允连 建筑屋顶保温隔热节能技术措施[J ] 建筑技术开发,1999 ,24 (9) :40 - 42[4 ] RICHARD C E Method for reducing temperature of heat sensitive subst rate : U K, GB2169297[ P] 1986207209[5 ] 武居二郎 太阳热反射涂料[J ] 涂装与涂料,1978 ,12 :38 - 44[6 ] 唐翠荣,孟庆英,乔亚莉,等 太阳能反射涂层屏蔽热辐射的研究[J ] 涂料工业,1996 ,4 :12 - 13[7 ] 江晴,卢显强 海灰色选择性热反射涂料的实验研究[J ] 太阳能学报,1999 (10) :55 - 57[8 ] 郭年华,陈先 太阳热反射涂料[J ] 涂料工业,1999 (5) :37 - 40[9 ] 余丽蓉,陆春华,高树军,等 隔热功能涂料的研究与发展趋势[J ] 材料导报,2006 (10) :52 - 55[10 ] 马承银,李延升,段远琼 TiO2 包覆中空玻璃微珠制备近红外反射材料[J ] 中南大学学报,2004 (5) :806[11 ] 北京安固特化工有限责任公司 丙烯酸树脂隔热功能复合材料:中国,CN1405248[ P] 2003203226[12 ] 李延升 反射近红外辐射涂料的研究[D] 长沙:中南大学化学化工学院,2004[13 ] 杨富民 红外热反射涂料的研究[D] 北京:北京工业大学材料科学与工程学院,2002
