摘要：在對顏填料性能研究的基礎上，利用實驗室現有條件配製了有一定降溫效果的紅棕色降溫塗料。但反射率的測試結果卻不盡理想，分析了這種結果可能的原因及今後努力的方向。
關鍵詞：顏填料；降溫塗料；反射率
0 引言
降溫的方法有很多，例如採用隔熱層、金屬鍍膜和塗料等途徑。而塗料因經濟、使用方便和隔熱效果好等優點越來越受到人們的青睞。降溫塗料是通提高塗層表面的紅外發射率、反射率，達到降低建築物內輻射溫度目的的一種新型特種功能塗料。但在已應用的降溫塗料中，顏色單一，95％以上為白色。而對於軍用艦船。為增加安全性通常要求半光或無光的面漆，顏料向深灰甚至黑灰轉變。普通的甲板面漆通常為草綠。紅棕或黑灰(軍用)色。
塗料在反射外部能量的同時，還會吸收部分能量，而塗層本身也以一定的紅外波長向外輻射內部能量。相對於淺色降溫塗料而言，色素對可見光及近紅外光具有很強的吸收能力，顏色深則它的光譜反射率低，吸收率高。本文採用複合配色方法，利用輻射致冷效應配製成深色降溫塗料並對其降溫性能進行研究。
1 降溫原理及顏料的優化選擇
對用于軍事領域的深色降溫塗料來說，由於塗層在可見光區域反射率的限制(GJB1887—94)，只能盡量提高其在近紅外區的反射性能和8～13．5μm波段的熱輻射性能以達到最佳的降溫目的。
輻射致冷時要求塗料中的顏填料僅吸收8～13．5μm波段的光，而反射其他波段的光波。若塗料對8～13．5μm波段的光吸收率很高，對其他波段的光有著很高的反射比，由於黑體輻射效應的存在，可以不斷地向外界輻射內部能量，從而獲得優異的散熱效果。因此在設計降溫塗料時，就要根據其特有的性能來具體地選擇其中主要成分和添加劑。設計塗料時，為提高塗層的降溫能力，往往需要往塗料中加入幾種高反射率的顏填料，使其與固有發射波長相吻合，產生輻射致冷效應，以達到增強塗層熱輻射能力，降低表面溫度的目的。
在乳膠漆中最常用的無機顏料是氧化鐵系顏料，它具有較好的耐候性，色譜較齊全且價格低廉。且乳膠色漆漆膜出現褪色變色較少。鐵紅能吸收陽光中的紫外光譜，且折光指數較高，有反射隔熱作用；鐵黃具有屏蔽紫外光輻射的作用，在535nm處有強吸收峰，且對光的反射比較高；鐵黑比炭黑易於研磨。在功能性方面鐵黃可和鐵紅、鐵黑等配成棕色，其混合物有較高的著色力和遮蓋力。鐵棕能吸收幾乎所有紫外段的光譜，以鐵棕製成的塗料，具有與樹木、青草、沙地等相同的紅外反射，這些添加物質的使用可以大大提高塗料在8～13．5μm以外波段的反射率。本實驗我們以鐵紅、鐵黃、鐵黑分別製得色漿。然後通過正交設計法優化三者的配比，最終確定的色漿比例為鐵紅：鐵黃：鐵黑=1．5：1．5：1。
2 輔助顏料及填料的選擇及塗料配方設計
金紅石型鈦白粉能吸收紫外線，有很好的耐候性，是外牆基礎漆的主要白色顏料；二氧化硅、滑石粉等是常用的填料，它們在整個可見光和近紅外區域是透明的，不產生反射，而且不干擾其它顏填料的性能，但它們對8～13．5μm以上波段的光吸收率較大。硅灰石粉具有一定的屏蔽紫外線功能，對於提高外牆乳膠漆耐候性有一定的作用。將它們與二氧化鈦混合使用，可以形成理想的輻射致冷塗層。本實驗選擇金紅石型二氧化鈦、二氧化硅、滑石粉、硅灰石(CaSiO3)作為深色降溫塗料所用的顏填料，成膜劑選用耐候性好且對基材附著性好的硅丙乳液。通過正交實驗優化配方，最終確定的塗料配方如表1所示。
表1 紅棕色降溫塗料的配方
2．1 實驗方法
在容器中依次加入助溶劑、潤濕劑、分散劑、消泡劑、pH調節劑，分散攪拌、砂磨，分散均勻后按照吸油量的大小依次加入TiO2、滑石粉、SiO2、硅灰石粉，進行高速分散，然後慢慢加入經稀釋的色漿分散均勻，在砂磨機中研磨2h左右達到一定細度后，即獲得塗料產品。
2．2 實驗裝置
SDF-400試驗分散砂磨機及配套設備、石英珠、精度為0．1g的電子天平、粘度計(塗-4杯)、刮板細度計、接觸式表面溫度計。
2．3 測試方法
目前，降溫塗料的測試沒有統一的國家標準，因此我們只能參照國內外相關的實驗測試方法並結合我們的具體情況，制定自己的實驗室測試方法，其測試裝置系統見圖1。
圖1 實驗室測試裝置
3 實驗結果及分析
3．1 試板降溫塗屢裹面溫度
以鋼板為基板，囂於測試台上。樣品的背面緊貼熱電偶，並墊保溫材料。正上方掛紅外燈，模擬太陽的近紅外輻射。測試時緊閉門窗，用空調調節室內的溫度恆為(27±1)℃。測試試板經紅外燈照射一定時間后的升溫情況和關閉紅外燈后的降溫情況，通過用表面溫度計記錄試板背面的溫度獲得(表2)。
表 2 紅外燈照射下試板背面的溫度 ℃
塗層的厚度用道數表示，1道的標準大約是5g/cm2。由表可見：同種塗料不同厚度的塗層對降溫塗料的降溫效果影響不大。因此，在塗覆時，要恰當地選擇塗層厚度，這樣可以充分發揮塗層的反射效果，而且節約能源。
可能的原因分析：如圖2所示，左圖表示了光路在塗層中受到散射的示意圖，此厚度足以使光線反射到塗層外部，而右側塗層較薄，光線易透過塗層，從而被基質所吸收，起不到反射隔熱的功能。但超過一定厚度時，厚度差異對塗層的反射效率影響不大。
圖 2 不同厚度塗層內的光路示意圖
塗層厚度的增加會阻礙熱量的傳導，測得的溫度降低很可能是因為厚度對熱量傳導的阻礙，故而對增強降溫效果沒有實際意義。同時厚度增加，使塗層吸收的熱量不能很快散去，熱量困在塗層中，影響了塗層的降溫速度。所以，為了節省資源降低成本，最大膜厚只用2道即可。
3．2 單天模擬箱體內部溫度
實驗室模擬太陽光(如紅外燈、鏑燈等)直射塗有降溫塗料的試板，背面置點溫度計探頭。這種測量方法的特點是：簡單、直觀，易於對比性研究。但由於模擬太陽光不是自然太陽光，自然太陽光在波長為200～2600nm光學及近紅外區集中了90％的太陽能，且試板塗層表面溫度測量從傳熱學角度分析均有一些不合理性，必須完全排除空氣流動的影響，故模擬太陽光波長是有局限性的，難以全面反映光學及近紅外範圍內塗料的降溫性能。為此設計了箱體對比實驗，環境溫度為38℃。塗有降溫塗層的箱體比未塗該塗層的空白箱體內部溫度低大約5℃，如圖3所示。
圖 3 陽光曝晒下箱體的內部溫度
3．3 降溫塗層的反射光譜
為驗證此結果的準確性，委託廣東省技術監督玻璃產品質量監督檢驗站，用日本島津產UV3101PC帶積分球的紫外-可見-紅外分光光度計依據GB／T2680--1994測定降溫塗層的反射率值及反射率光譜(圖4)。
圖4 塗料的反射率圖譜
3．4 降溫塗層表面發射率
利用HY-2001G型紅外熱像儀，測試、兩溫度下塗層(在一塊試板一側塗有待測塗料，另一側塗有已知發射率的黑磁漆)的中心溫度，利用下述公式計算塗層的表面發射率。
塗層的表面發射率
其中εR為黑磁漆輻射率(εR≈0．97)，工作波段為8～l3．5μm，n=4。計算得到塗層在8～13．5μm波段的發射率值。
3．5 塗料綜合性能
塗料的綜合性能檢測結果見表3。
表3 塗料性能檢測結果
從表3看出，塗層的常規性能合格，而反射率值偏低。
4 結語
通過對實驗室自製的紅棕色降溫塗料進行性能測試，發現塗層反射率測試結果不盡理想，可能的原因分析如下：
(1)由於深色色漿的加入，增大了塗層的吸收率，減小了塗層反射率。(2)對著色顏料性能分析得到的結論，可能並不適用於色漿復配，因為色漿的性能及加入方法對塗料的降溫性能都有影響，也可能是復配的色漿未達到最優化所致。(3)因為塗料的細度、顏填料的粒徑對塗料的降溫性能有一定的影響，可能顏填料分散不夠引起了塗料反射率的降低。(4)塗層塗覆厚度不均勻，以致影響了塗層反射率的測試結果。
下一步應該做的工作：
(1)加大對塗料加工工藝、漆膜微觀特徵的研究。(2)加大對單顏填料反射和發射圖譜的研究，優化組合成理想的復配顏填料，製備理想的降溫塗層。(3)期待能找到更好的黑色顏料，可以利用輻射致冷效應研製理想的紅棕色降溫塗料。
