楊光，鄧安仲,*，陳靜波

（1.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401311；2.中國人民解放軍62026部隊，陜西 西安 710032）

中明度建筑節(jié)能涂層的制備及性能

楊光1，鄧安仲1,*，陳靜波2

（1.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401311；2.中國人民解放軍62026部隊，陜西 西安 710032）

以鐵鋅鉻棕與二氧化鈦混合物作為顏料，以硅溶膠?苯丙復(fù)合乳液為基料，制備了建筑節(jié)能涂層，并探究了2種顏料的質(zhì)量比(分別為5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4和1∶5)對涂層性能的影響。采用X射線衍射儀、掃描電鏡、紫外/可見光/近紅外分光光度計、紅外輻射率測量儀及精密色差儀表征了顏料和涂層的晶體結(jié)構(gòu)、截面形貌、反射比、半球發(fā)射率和Lab色空間值，采用紅外燈模擬太陽熱源測試了涂層的隔熱性能。結(jié)果表明，制備的9種涂層均屬于中明度涂層(40 < L* < 80)。鐵鋅鉻棕含量減少使涂層的近紅外反射比和明度增加，但對半球發(fā)射率的影響不大。當(dāng)鐵鋅鉻棕與二氧化鈦的質(zhì)量比為1∶5時，所制涂層的近紅外反射比最大，為0.660 1。涂覆該涂層的石棉水泥板的平衡溫度比空白板低9.4 °C，隔熱效果明顯，且各項性能符合JG/T 235–2014《建筑反射隔熱涂料》的要求。

建筑涂層；鐵鋅鉻棕；二氧化鈦；反射比；半球發(fā)射率；明度；隔熱

傳統(tǒng)的建筑節(jié)能體系如保溫砂漿、墻體內(nèi)置隔熱板存在施工繁瑣、易發(fā)生火災(zāi)、價格較高等缺陷[1-3]，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用，因此研發(fā)薄層建筑節(jié)能涂料來滿足日益緊張的能源需求十分必要。Santamouris等[4]認為節(jié)能涂料的反射率較高，可反射部分太陽光，進而降低室內(nèi)溫度，起到節(jié)能降耗的作用。Guo等[5]運用能耗軟件分析了建筑圍護結(jié)構(gòu)在夏熱冬冷地區(qū)對全年能耗的影響，結(jié)果表明其反射率及半球發(fā)射率是關(guān)鍵影響因素。近年來關(guān)于節(jié)能涂料的報道較多，趙蘇[6]和孫明杰[7]等提出應(yīng)使用紅外透過性高、吸收率低的樹脂作為節(jié)能涂層的基體樹脂，以苯丙乳液和氟碳樹脂為宜。Thongkanluanga[8]和Liang[9]等制備了具有高近紅外反射率的新型顏料，并考察了晶形、晶胞參數(shù)、色度值等的影響，拓寬了顏料種類。還有研究者[10-11]制備了不同種類和摻量的隔熱涂料，測試了涂層的光學(xué)性能，并優(yōu)化了制備工藝及涂層結(jié)構(gòu)。鐵鋅鉻棕是一種深棕色復(fù)合無機顏料(complex inorganic color pigment)，由于顏色深且明度低，較少應(yīng)用在建筑節(jié)能涂料方面。本文制備了鐵鋅鉻棕與二氧化鈦按不同比例共混的中明度涂層，考察了涂層的太陽光/近紅外反射比、半球發(fā)射率、色空間值等性能，初探了鐵鋅鉻棕與二氧化鈦混合物在建筑節(jié)能涂料中的應(yīng)用，為制備彩色中明度建筑節(jié)能涂層提供一定的借鑒意義。

1 實驗

1. 1 原料

硅溶膠JN-30，青島海洋化工有限公司；苯丙乳液601，德國巴斯夫化工有限公司；鐵鋅鉻棕B3301，湖南巨發(fā)科技有限公司；金紅石型二氧化鈦R902+，美國杜邦；羥乙基纖維素，德國TRD集團有限公司；成膜助劑Texanol，美國伊斯曼有限公司；分散劑BYK-163，德國畢克有限公司；消泡劑L-1311，美國亞什蘭有限公司；多功能助劑AMP-95，美國陶氏羅門哈斯。以上均為工業(yè)品。KH560，分析純，湖北武大有機硅新材料有限公司；去離子水，自制；鋁板，100 mm × 80 mm × 1 mm，重慶鴻發(fā)不銹鋼有限公司；石棉水泥板，150 mm × 70 mm × 5 mm，重慶科盾實驗器材有限公司。

1. 2 涂料的制備

向100.00 g硅溶膠中加入0.75 g KH560，60 °C恒溫攪拌4 h后加入400.00 g苯丙乳液，繼續(xù)恒溫攪拌2 h，加入100.00 g顏料和4.00 ～ 6.00 g分散劑?？刂粕澳C轉(zhuǎn)速為800 r/min，混合均勻后，加入4.00 ～ 8.00 g消泡劑、8.00 g成膜助劑和2.00 ～ 4.00 g多功能助劑。調(diào)低砂磨機轉(zhuǎn)速至400 r/min攪拌0.5 h，加入2.00 ～ 4.00 g增稠劑羥乙基纖維素和適量去離子水至黏度為34 mm2/s，最后過濾出料。其中顏料為鐵鋅鉻棕與二氧化鈦分別按質(zhì)量比5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4以及1∶5混合所制，所得涂料對應(yīng)編號為S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8和S9。

1. 3 涂層的制備

稱取一定量的涂料注入噴涂裝置中，控制噴涂壓力為0.3 MPa，保持噴槍與基材垂直相距300 mm，均勻噴涂在鋁板和石棉水泥板表面，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件[溫度(23 ± 2) °C，相對濕度50% ± 5%]下放置168 h至完全干燥，干膜厚度約為150 μm。

1. 4 表征與性能測試

2 結(jié)果與討論

2. 1 顏料的基本性能

2. 1. 1 晶體結(jié)構(gòu)

圖1為鐵鋅鉻棕和二氧化鈦的XRD譜圖?？梢婅F鋅鉻棕為Fe、Zn、Cr以及O四元摻雜混合物，其主相為(Zn,Fe)(Fe,Cr)2O4，晶型為尖晶石型，分別在30.22°、35.56°、62.74°和62.78°處存在尖銳的特征衍射峰，且譜線中基本無雜峰，說明高溫煅燒制備的鐵鋅鉻棕的結(jié)晶度較好。與JCPDS卡片211276號對比[13]，發(fā)現(xiàn)二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu)為金紅石型，分別在27.44°、36.08°、54.32°和41.28°處具有強烈的特征衍射峰。

2. 1. 2 太陽光/近紅外反射比

圖2為鐵鋅鉻棕和二氧化鈦在太陽光和近紅外波段的反射率曲線。由圖2可知，鐵鋅鉻棕在太陽光波段的反射比隨波長增大而逐漸增加，在988 nm和1 950 nm處存在一定的反射峰，而在1 152 nm和2 212 nm處有吸收峰。二氧化鈦在整個太陽光波段都表現(xiàn)出較高的反射比。通過計算，得到鐵鋅鉻棕的近紅外平均反射比為0.665 2，擁有較強的近紅外反射力，其在太陽光波段的平均反射比為0.551 5。而二氧化鈦在太陽光和近紅外波段的反射比基本相同，前者為0.840 7，后者為0.862 5，均在0.84以上。

圖1 鐵鋅鉻棕和二氧化鈦的XRD譜圖Figure1 XRD patterns of iron zinc chrome brown and titania

圖2 鐵鋅鉻棕和二氧化鈦的太陽光/近紅外反射光譜Figure2 Solar/near-infrared reflection spectra of iron zinc chrome brown and titania

2. 2 涂層的性能

2. 2. 1 反射比

S1?S9涂層的太陽光/近紅外反射性能的測試結(jié)果如圖3所示?？梢娝型繉臃瓷渎是€的變化趨于一致。隨著二氧化鈦共混比例增大，涂層的近紅外反射比逐漸增加，原因是二氧化鈦具有比較高的近紅外反射。另外由于鐵鋅鉻棕的影響，涂層在988 nm處也存在較強的反射峰。表1列出了S1?S9涂層的太陽光反射比、近紅外反射比、污染和人工氣候老化后的反射比變化率。由表1可知，S9涂層的近紅外反射比最大，達0.660 1。被污染和人工氣候老化后，所有涂層的太陽光反射比均有不同程度的下降，但變化率滿足JG/T 235–2014規(guī)定的不大于15%(污染)和5%(人工氣候老化)的要求。

圖3 不同涂層的太陽光和近紅外反射光譜Figure3 Solar/near-infrared reflection spectra of different coatings

表1 不同涂層的反射比Table 1 Reflectance of different coatings

2. 2. 2 斷面微觀形貌

用液氮將S9涂層脆斷，進行表面噴金處理后觀察涂層的斷面微觀形貌及顏料在涂層中的分布情況，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，鐵鋅鉻棕粒子、二氧化鈦粒子和硅溶膠中的二氧化硅粒子均較好地分散在涂層中，只有少部分顏料粒子發(fā)生團聚。顏料粒子與涂層結(jié)合緊密，即使在外力作用(液氮脆斷)下仍未脫離涂層斷面，達到涂層材料的基本力學(xué)要求。

圖4 S9涂層的SEM照片F(xiàn)igure4 SEM image of No.S9 coating

2. 2. 3 半球發(fā)射率

S1?S9涂層的半球發(fā)射率依次為0.86、0.88、0.88、0.88、0.88、0.88、0.87、0.88和0.86?？梢婅F鋅鉻棕和二氧化鈦的共混比例對涂層的半球發(fā)射率影響不大，所有涂層的半球發(fā)射率均較高，這是因為成膜基料和2種顏料的半球發(fā)射率均不低，所以涂層的半球發(fā)射率始終在一個較高的水平，不小于0.86。高半球發(fā)射率有助于涂層將吸收的太陽熱以輻射波的形式散掉，即“輻射制冷”，繼而進一步增強涂層的降溫節(jié)能性能[14]。

2. 2. 4 色空間值

S1?S9涂層色空間值的測試結(jié)果列于表2。由表2可知，9種涂層均屬于JG/T 235–2014定義的中明度涂層(40 < L* < 80)。隨著二氧化鈦共混比例增大，由于其優(yōu)異的折射率，涂層的明度呈現(xiàn)增加的趨勢，L*從最低的44.33增至76.55，接近于高明度涂層；而a*、b*和c*逐漸減小，表明涂層的紅色和黃色相變淡，色彩飽和度降低。

表2 鐵鋅鉻棕與二氧化鈦不同質(zhì)量比所制涂層的色空間值Table 2 Lab values of coatings prepared with different mass ratios of iron zinc chrome brown to titania

2. 2. 5 隔熱性能

為直觀地考察涂層的隔熱性能，選擇S9涂層和空白石棉水泥板，用紅外燈模擬太陽熱源，利用聚苯乙烯板搭建了如圖5所示的隔熱性能測試裝置，測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，2種試板均在12 min左右達到溫度平衡，其中空白石棉水泥板的平衡溫度為71.7 °C，S9涂層板的平衡溫度為62.3 °C，后者比前者低9.4 °C，證明S9涂層雖不是高明度涂層，但仍擁有較好的隔熱效果，適合做建筑節(jié)能涂料。

圖5 隔熱性能測試裝置的示意圖Figure5 Schematic diagram of device for testing thermal insulation performance

圖6 S9涂層板和空白石棉水泥板的溫度?時間曲線Figure6 Temperature vs. time curves of asbestos cement board coated with No.S9 coating and blank one

3 結(jié)論

尖晶石型鐵鋅鉻棕和金紅石型二氧化鈦的近紅外反射能力較強，用二者不同比例的混合物制備了建筑節(jié)能涂料。2種顏料粒子均能較好地分散在涂層中并與其結(jié)合緊密。隨著鐵鋅鉻棕比例減少，涂層的近紅外反射比和明度增加，但半球發(fā)射率的變化不大。鐵鋅鉻棕與二氧化鈦的質(zhì)量比為1∶5時制得的S9涂層石棉水泥板的平衡溫度比空白石棉水泥板低9.4 °C，隔熱效果明顯。所制9種涂層的性能均符合JG/T 235–2014的要求，具有一定的應(yīng)用價值。

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[ 編輯：杜娟娟 ]

Preparation and properties of medium-brightness energy-efficient coatings for building

Y ANG Guang,

DENG An-zhong*, CHEN Jing-bo

Architectural energy-efficient coatings were prepared using a mixture of iron zinc chrome brown and titania as pigments and silica sol–styrene–acrylic emulsion as binder. The effect of mass ratio, which is 5:1, 4:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3, 1:4 and 1:5 respectively, of the two kinds of pigment on coating properties was studied. The crystal structure, cross-section morphology, reflectance, hemispherical emittance and Lab color space value of pigments and coatings were characterized by X-ray diffractometer, scanning electron microscope, ultraviolet/visible light/near infrared spectrophotometer, infrared radiometer and precision colorimeter. The heat insulation performance of the coatings was tested by simulating sunlight using an infrared lamp. The results showed that all the 9 coatings have medium brightness with a L* between 40 and 80. Near infrared reflectance and brightness of coatings are increased with decreasing content of iron zinc chrome brown, while the hemispherical emittance is not much affected. The coating obtained with a mass ratio of iron zinc chrome brown to titania being 1:5 has the biggest near infrared reflectance of 0.6601. The asbestos cement board coated with it has an equilibrium temperature 9.4 °C lower than that of the blank one, showing a remarkable effect of thermal insulation. Furthermore, its properties meet the requirements of JG/T 235–2014 Architectural Reflective Thermal Insulation Coating.

architectural coating; iron zinc chrome brown; titania; reflectance; hemispherical emittance; brightness; thermal insulation

TQ630.7

A

1004 – 227X (2017) 06 – 0301 – 05

10.19289/j.1004-227x.2017.06.007

2016–11–23

2016–12–21

楊光（1990–），男，河北邯鄲人，在讀碩士研究生，研究方向為建筑節(jié)能材料。

鄧安仲，教授，(E-mail) denglin929@126.com。

First-author’s address:Logistic Engineering University of PLA, Chongqing 401311, China