何 燕，張 雄，張永娟

（同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

Shi等［1］通過(guò)建筑能耗分析軟件Energy Plus分析了高原和寒冷地區(qū)14個(gè)城市的建筑物全年空調(diào)能耗、空調(diào)采暖能耗峰值、空調(diào)制冷能耗峰值與涂料紅外發(fā)射率和太陽(yáng)能反射率的關(guān)系.研究表明，在高原地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)，具備“雙低”性能的涂料可較大幅度地降低建筑物全年空調(diào)能耗.綜合各方面因素，得出這2類(lèi)地區(qū)建筑保溫涂料的合理光學(xué)性能參數(shù)紅外發(fā)射率為0.3～0.4，太陽(yáng)能反射率為0.3～0.5.此成果為高原和寒冷地區(qū)節(jié)能涂料的光學(xué)性能設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù).

一般建筑節(jié)能涂料主要由基料、顏料及各種助劑組成.基料和顏料是影響涂料紅外發(fā)射率及太陽(yáng)能反射率的主要因素.研究表明，三元乙丙橡膠（EPDM）作為一種紅外透明聚合物，既有較高的紅外發(fā)射率，又有較好的物理機(jī)械性能，是較理想的基料.金屬顏料因其在紅外波段的強(qiáng)反射、低發(fā)射性能，被廣泛應(yīng)用于低發(fā)射率涂料的研制中.國(guó)內(nèi)外大量研究表明［2－3］，金屬顏料的形貌、粒徑和摻量對(duì)涂料紅外發(fā)射率具有較大影響.因此，優(yōu)化金屬顏料與三元乙丙橡膠（EPDM）組合來(lái)制備低發(fā)射低反射涂料，是提高高原和嚴(yán)寒地區(qū)外墻保溫性能，降低建筑能耗的關(guān)鍵.同時(shí)本文還分析了涂層反射率、發(fā)射率和化學(xué)結(jié)構(gòu)等對(duì)紅外發(fā)射率及太陽(yáng)能反射率的影響機(jī)理；對(duì)低發(fā)射低反射涂層的保溫性能、耐溫性能以及機(jī)械性能進(jìn)行了研究，為高原和嚴(yán)寒地區(qū)的建筑節(jié)能涂料應(yīng)用提供了一定的理論和試驗(yàn)基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

基料：國(guó)產(chǎn)三元乙丙橡膠.顏料：上海試劑公司產(chǎn)Ni粉、250目（58μm）球狀Cu粉；上海旦澤電子有限公司產(chǎn)5μm 片狀Cu粉、25μm 片狀Cu粉；上海華亭燙金銀粉廠產(chǎn)325 目（45μm）漂浮型鋁銀漿、325目（45μm）非漂浮型鋁銀漿；上海崇明冶金材料廠產(chǎn)12μm 漂浮型鋁粉.測(cè)試基料和顏料的發(fā)射率，結(jié)果分別見(jiàn)表1，2.

表1 EPDM 發(fā)射率Table 1 Emissivity of EPDM

表2 顏料發(fā)射率Table 2 Emissivity of pigments

1.2 試驗(yàn)方案

按照表3所示的配合比，稱取EPDM 置于燒杯中，待完全溶解后，加入顏料和助劑，利用電動(dòng)攪拌器加熱攪拌10min，并利用超聲波震蕩提高分散度，制得涂料.

表3 EPDM 基涂料配合比Table 3 Mix proportion of coatings with EPDM adhesive g

（1）發(fā)射率及反射率測(cè)試 將所制備的涂料刮涂于潔凈光滑的玻璃平板上制成100mm×100mm×5mm的厚濕膜，自然烘干，形成干膜.采用美國(guó)Devices ＆Services Company生產(chǎn)的AE1型輻射率儀測(cè)量涂層的長(zhǎng)波發(fā)射率.利用PE Lambd 950紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)試涂層的可見(jiàn)光及近紅外光透射率、可見(jiàn)光及近紅外反射率.利用Spectrum GX－Ⅲ型傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試涂層的紅外吸收光譜.

（2）保濕性能測(cè)試 將所制備的涂料刮涂于潔凈光滑的玻璃平板上制成300 mm×300 mm×5mm的厚濕膜，自然烘干，形成干膜.將涂層置于300mm×300mm×300mm 的木箱底部，木板厚度約為10mm，木箱的頂部覆蓋聚乙烯薄膜蓋板，木箱四周及底部用40mm 厚的泡沫塑料板（導(dǎo)熱系數(shù)為0.028W／（m·K））包覆，用硅膠粘結(jié)密封.在其中1個(gè)側(cè)面中心處打1個(gè)直徑約6mm的小孔，將熱電偶插入木箱中心.將保溫裝置及測(cè)量?jī)x器置于露天環(huán)境1h，使其與環(huán)境溫度平衡，待冰箱溫度恒定為0℃時(shí)，將裝置置于BD／BC－318H 型冰柜內(nèi)，冰柜門(mén)保持敞開(kāi)狀態(tài)，每隔5min測(cè)量裝置內(nèi)溫度及冰箱溫度.平衡時(shí)裝置內(nèi)與冰箱內(nèi)的溫差為相對(duì)溫降（Δt）.

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬顏料對(duì)EPDM 基涂層發(fā)射率的影響

圖1～3分別表示不同金屬顏料、不同形貌銅粉以及不同形態(tài)鋁顏料對(duì)EPDM 基涂層發(fā)射率的影響.

由圖1可以看出，隨著鎳粉摻量的增加，EPDM基涂層發(fā)射率的降低程度較小，降低幅度在0.25之內(nèi)；隨著銅粉和鋁粉摻量的增加，EPDM 基涂層發(fā)射率的降低程度有所增大，降低幅度在0.40～0.50左右.由此可見(jiàn)，銅粉和鋁粉使EPDM 發(fā)射率降低的程度遠(yuǎn)大于鎳粉.

圖1 不同金屬顏料對(duì)EPDM 基涂層發(fā)射率的影響Fig.1 Effects of metallic pigments on emissivity of coatings with EPDM adhesive

圖2 不同形態(tài)銅粉對(duì)EPDM 基涂層發(fā)射率的影響Fig.2 Effects of copper powder forms on emissivity of coatings with EPDM adhesive

圖3 不同形態(tài)鋁顏料對(duì)EPDM 基涂層發(fā)射率的影響Fig.3 Effects of aluminite powder forms on emissivity of coatings with EPDM adhesive

由圖2可以看出，片狀銅粉致使EPDM 基涂層發(fā)射率降低的程度大于球狀銅粉.這是因?yàn)殂~粉在紅外波段主要為漫散射，在同等體積的情況下，片狀結(jié)構(gòu)的填料比針狀、球狀等結(jié)構(gòu)的填料具有更大的比表面積，而且存在邊緣散射，因而對(duì)于光的散射衰減也更強(qiáng)烈，故片狀銅粉比球狀銅粉的發(fā)射率低.同為片狀銅粉，粒徑為5μm 的銅粉對(duì)EPDM 涂層發(fā)射率的降低效果優(yōu)于粒徑為25μm 的銅粉.

雖然粒徑為5μm 的銅粉單個(gè)微粒的散射截面較小，但是粒徑越小，單位體積的微粒數(shù)越多.因而EPDM／5μm 片狀銅粉涂層的散射系數(shù)大于EPDM／25μm片狀銅粉涂層.根據(jù)能量守恒定律及基爾霍夫定律，散射越大，紅外輻射在其中的衰減越多，吸收越小，因而EPDM／5μm 片狀銅粉涂層發(fā)射率低于EPDM／25μm 片狀銅粉涂層.因此填料粒子粒徑對(duì)涂層熱反射性能起關(guān)鍵作用.當(dāng)光束經(jīng)過(guò)粒子時(shí)，除了發(fā)生折射、散射外，還會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象.衍射現(xiàn)象越明顯，光的能量越分散，吸收的能量越少.

由圖2還可看出，隨著銅粉摻量的增加，EPDM基涂層的發(fā)射率先降低后升高，當(dāng)銅粉摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為40%～50%時(shí)，EPDM 基涂層的發(fā)射率平均值最低.EPDM／5μm 片狀銅粉涂層的發(fā)射率在銅粉摻量為50%時(shí)為0.33，EPDM／25μm 片狀銅粉涂層的發(fā)射率在銅粉摻量為40%時(shí)為0.39.在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加銅粉摻量，涂層發(fā)射率反而升高.這是因?yàn)楫?dāng)銅粉摻量較小時(shí)，銅粉不能完全覆蓋在基料表面，銅粉之間存在空隙，不能充分反射紅外光；當(dāng)銅粉摻量達(dá)到40%～50%時(shí)，銅粉在基料中的空間占有率較高，銅粉均勻分布在涂層內(nèi)，形成致密且光滑平整的表面［4］，此時(shí)可近似認(rèn)為輻射與物體的相互作用發(fā)生在二維界面上，因而反射率最高，發(fā)射率最低.但若繼續(xù)增加銅粉摻量，銅粉不能均勻分散于涂料中，導(dǎo)致涂層表面凹凸不平，輻射在此表面會(huì)發(fā)生多次漫反射，增加了對(duì)紅外輻射吸收的機(jī)會(huì)，也減少了表面法向反射功率，因而發(fā)射率增大.

由圖3可知，漂浮型鋁顏料對(duì)EPDM 基涂層發(fā)射率的降低效果優(yōu)于非漂浮型鋁顏料，且漂浮型鋁粉所形成的涂層比漂浮型鋁銀漿形成的涂層發(fā)射率低.這是因?yàn)槠⌒弯X粉是葉展型鋁，能在流體介質(zhì)中形成連續(xù)的漂浮薄膜，且由于溶劑揮發(fā)而形成的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)會(huì)將密度低的漂浮型鋁粉帶至涂層的基料空氣界面間.干燥后片狀鋁便緊密平行排布在涂層表面，形成連續(xù)致密光澤度高的金屬鋁膜，這樣紅外輻射就被很大程度地反射掉［5］.因而EPDM／漂浮型鋁銀漿涂層的發(fā)射率高于EPDM／漂浮型鋁粉涂層.鋁顏料摻量對(duì)涂層發(fā)射率的影響與銅粉相似，在40%左右達(dá)到最低，此時(shí)EPDM／漂浮型鋁粉涂層發(fā)射率為0.40，EPDM／漂浮型鋁銀漿涂層發(fā)射率為0.47，EPDM／非漂浮型鋁銀漿涂層發(fā)射率為0.51.

圖4為銅鋁粉復(fù)摻對(duì)EPDM 基涂層發(fā)射率的影響.

由圖4可知，銅鋁復(fù)摻對(duì)EPDM 基涂層發(fā)射率的降低效果不及銅鋁單摻時(shí)好，其中當(dāng)銅鋁質(zhì)量比為5∶5時(shí)，EPDM 基涂層發(fā)射率最低為0.49.這是因?yàn)殂~粉的粒徑比鋁粉小，二者不能均勻分散于基料中，且銅粉不能完全填充于鋁粉的空隙中，導(dǎo)致該涂層表面致密性降低、粗糙度增加［6］.

2.2 EPDM 基涂層的紅外光譜分析

圖5為EPDM 基涂層紅外光譜圖.

圖4 銅鋁粉復(fù)摻對(duì)EPDM 基涂層發(fā)射率的影響Fig.4 Effects of copper and aluminite mixed powder on emissivity of coatings with EPDM adhesive

圖5 EPDM 基涂層紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrograms of coatings with EPDM adhesive

由圖5 可見(jiàn)，EPDM／Cu涂層、EPDM／Al涂層以及EPDM／Cu－Al涂層的紅外反射光譜的吸收峰相似.在2 960～2 850cm－1處有相對(duì)較強(qiáng)的吸收峰，對(duì)應(yīng)甲基和亞甲基的飽和C—H 伸縮振動(dòng)；在1 900～1 650cm－1附近的吸收峰對(duì)應(yīng)羰基的伸縮振動(dòng)；在1 300～1 000cm－1處的吸收峰對(duì)應(yīng)C—O伸縮振動(dòng)，其吸收峰相對(duì)較弱；在2 360，2 335cm－1附近出現(xiàn)的較弱吸收峰為空氣中CO2的特征吸收峰.其中粒徑為5μm 銅粉和粒徑為25μm 銅粉摻量均為40%時(shí)，涂層相應(yīng)波段的吸收峰最弱.根據(jù)基爾霍夫定律，對(duì)于不透明物體，反射率與吸收率之和等于1，故其紅外反射率較高.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)用粒徑為5μm銅粉作填料時(shí)，涂層的吸收峰強(qiáng)于用粒徑為25μm銅粉作填料時(shí)，這說(shuō)明填料的超細(xì)化是提高涂層發(fā)射率的一種有效手段.因?yàn)槲⒂^松散粒子的間距較大，粒子間基本上無(wú)相互作用力，從外界投射的輻射能夠全部進(jìn)入這層物質(zhì)中，無(wú)論是在物質(zhì)表面還是在物質(zhì)內(nèi)部基本上都無(wú)反射現(xiàn)象發(fā)生，輻射能在傳播過(guò)程中被物質(zhì)逐漸吸收.漂浮型鋁銀漿摻量為40%時(shí)，涂層相應(yīng)波段的吸收峰最弱，摻量為50%次之；漂浮型鋁粉摻量為50%時(shí)，涂層相應(yīng)波段的吸收峰最弱，摻量為40%次之；銅鋁粉復(fù)摻時(shí)，銅鋁粉質(zhì)量比為5∶5時(shí)，涂層相應(yīng)波段的吸收峰最弱.

2.3 EPDM 基涂層的太陽(yáng)能反射率分析

分別計(jì)算涂層可見(jiàn)光反射率、紫外光反射率以及太陽(yáng)能總反射率，結(jié)果見(jiàn)表4.由表4可見(jiàn)，Ⅱ型和Ⅴ型EPDM 基涂層的太陽(yáng)能總反射率可達(dá)到50%以內(nèi)，基本滿足高原和寒冷地區(qū)節(jié)能涂料的要求.

表4 EPDM 基涂層太陽(yáng)能反射率Table 4 Solar reflectance of coatings with EPDM adhesive

2.4 EPDM 基涂層的保溫特性及物理性能分析

將表4中5種EPDM 基涂層分別置于保溫箱內(nèi)，測(cè)試裝置內(nèi)與冰箱內(nèi)的相對(duì)溫降（Δt）.圖6為EPDM基涂層在保溫箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線.由圖6中可以看出，Ⅰ型和Ⅱ型EPDM 基涂層平衡時(shí)相對(duì)溫降最大，約為4℃，說(shuō)明其保溫效果最好，其次為Ⅳ型EPDM 基涂層，相對(duì)溫降約為3 ℃.這同樣證明了EPDM／銅粉涂料以及EPDM／鋁粉涂料在僅向外界輻射熱量的過(guò)程中，具有低發(fā)射低反射性能，因而其降溫速率明顯低于另外兩種涂料，保溫效果明顯.

圖6 EPDM 基涂層在保溫箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Temperature－time curves of coatings with EPDM adhesive in thermal insulation space

3 結(jié)論

（1）制備了EPDM 基低發(fā)射低反射涂層，其中EPDM／銅粉和EPDM／鋁粉涂層紅外發(fā)射率達(dá)0.33～0.40，太陽(yáng)能反射率達(dá)0.38～0.53，平衡時(shí)相對(duì)溫降達(dá)3～4℃.

（2）同為片狀銅粉，粒徑為5 μm 的銅粉對(duì)EPDM 基涂層發(fā)射率的降低效果優(yōu)于粒徑為25μm的銅粉；銅粉摻量在40%～50%時(shí)，EPDM 基涂層的紅外發(fā)射率最低，紅外反射率最高，太陽(yáng)能反射率最低.

（3）漂浮型鋁顏料對(duì)EPDM 基涂層發(fā)射率的降低效果優(yōu)于非漂浮型鋁顏料，且漂浮型鋁粉所形成的涂層比漂浮型鋁銀漿形成的涂層發(fā)射率低；鋁顏料摻量在30%～40%左右時(shí)，EPDM 基涂層發(fā)射率最低，紅外反射率最高，太陽(yáng)能反射率最低.

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