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湖南巨发--国内首家研发生产的红外反射颜料及其应用

发表人:tryine发表时间:2012-02-01

王文强 (湖南巨发科技有限公司 411100)

  要:综述了应用于涂料与塑料等领域的红外反射颜料的定义、品种、作用原理及其在保温隔热方面的应用。

关键词:红外反射颜料;太阳光总反射率(TSR) ;隔热降温;辐射

前言

    太阳辐射能的波长覆盖面很广,照射到地球的大部分能量被上层大气吸收,到达地面空间的波长在30Onm2500nm之间,按太阳光线光谱波长分为三大部分,各部分所占有的能量比例不同:

紫外区(UV)295400 nm,占地球接收到的太阳总能量的5%。

可见光区(VIS)400720 nm,占地球接收到的太阳总能量的45%左右,不同的颜色反射不同波段不同程度的光。

红外区(IR)7202500 nm,占地球接收到的太阳总能量的50%左右。不同文献对红外波长范围的划分不尽相同。美国试验和材料协会(ASTM)规定7002500 nm为近红外区(NIR)NIR常被划分为短波近红外(SWNIR)和长波近红外(LWNIR),其波段范围分别为700

1100nml1002500nm。其中大部分能量集中在720l100nm,即短波近红外区范围里。

地球上万物生长靠太阳。太阳把自己的能量传递给地球上的生物,使他们能不断成长。在给予人类恩惠的同时,太阳光也给人类的生活带来许多负面的,甚至是破坏性的影响。射向地球的太阳光中的紫外线,大部分被吸收,主要损伤和降解有机材料,如涂料与塑料中的聚合物,对人体的皮肤也有一定的危害性。物体接收到的可见光和不可见的红外光发出的大量热能辐射,这些辐射既可被吸收,又可被反射。吸收可致材料升温,并通过远红外区将能量散发出去会使其表面温度升高,给人类的日常生活带来诸多问题和不便。房屋的屋顶和墙面接收到的热能,通过各种方式(传导,辐射,对流等形式)使室内的温度升高,降低生活的舒适度。为使室内温度降低到适宜的程度,人们大量使用空调、冷气机、电风扇和喷淋设备,需要消耗大量的电能等能源。一些化工容器和露天的反应釜,在炎热的夏天因受到太阳光的直接照射,表面温度升高,罐内液体温度随之升高,带来一定危险性。高温不利于粮食、蔬菜、药品的贮存,加速了材料的腐蚀、老化和降解过程,降低材料的使用寿命,限制了某些材料的应用。如何降低、消除太阳光线对人类造成的这些负面影响,越来越引起科学工作者的注意。

任何表面对接收到的太阳光都会产生不同程度的反射。我们把从一定表面反射的入射到地面的太阳光能量测试值称为太阳光总反射率(TSRtotal solar reflectivity),以百分数表示。如果一个物体表面的太阳光总反射率为75%,则可认为它吸收了25%的入射能量。

如果有一种颜料,通过制成涂料涂于物体表面,或着色成塑料、陶瓷等材料,它能高效反射太阳光的能量,就能明显地降低物体的表面温度,避免表面温度升高引起的诸多不利影响。能不能找到或开发这种颜料,它既可在可见光区吸收和反射一定波长的光以呈现需要的色彩,同时又能反射一定量的红外区的光以降低物体的表面温度?开发和研究一种具有反射功能的有色颜料已成为当今的一个热门的课题。

湖南巨发是国内首家专业研发生产彩色混相无机颜料的厂家,近年来率先深入进行了红外反射颜料的研究,并使该系列颜料逐步推向市场。

巨发人经研究发现,不同的颜料反射不同量的红外线,因此升温的程度各不相同,白颜料是升温最低的,二氧化钛可反射太阳总能量的70%以上,传统的黑颜料炭黑,可吸收大部分可见光及红外线,反射量仅有5%。

通过人为设计的红外反射颜料可最大限度地反射太阳能,同时满足对色彩的需求,这就是彩色混相无机颜料着色技术,暨复合无机颜料技术,该技术生产的颜料就是彩色混相无机颜料。它们具有高度耐候、耐热、耐化学品性,且环保无毒,用在耐候涂料配方体系中,可维续3O年而无明显降解,由其制成的涂料、塑料因升温低,热降解也低。复合无机颜料化学技术的最新进展是已开发出新型红外反射黑颜料,早期研究的产品有3倍炭黑的反射率,而最新品的反射率已超出炭黑5倍,而且黑度不变,效果极其明显。

反射型IR颜料

研究发现,一种颜料可以反射可见光区的光,吸收紫外区的光,透射红外区的光,或是任何其中3种情况的组合。这样它们既有一定的色彩,甚至是较深的颜色,又能反射一部分红外光,减少热量的集结,起到降温作用。我们把在可见光区呈现一定的色彩,在红外区具有反射红外光性能的颜料称为红外反射颜料(简称IR颜料,Infrared Reflective Pigment)。具有这种特性的红外反射无机颜料由金属氧化物,碳酸盐,醋酸盐,或氧化物混合后经800~C以上高温煅烧、反应,原料中的金属离子和氧离子重新排列,形成更稳定的尖晶石(Spine1)结构或金红石型(Rutile)结构。这些颜料里通常含有钛、镍、铬、锰、铁、钴等金属离子。常用的深色颜料有: P.G.50P.B.28P.Br.29P.Br.24P.Br. 33P.B.36, P.Y.53P.Bk.12 P.Bk.30P.G. 17P.G.26等。以湖南巨发司的CI P.G. 17 铬绿黑为例,它在红外区有较大的反射,TSR达到25%,而普通黑色颜料的TSR只有5%左右(见图1)

       巨发颜料


湖南巨发司的CI P.G. 17 铬绿黑与普通黑色颜料的反射率对比

我们对几个不同公司提供的IR颜料进行了对比试验,用它们分别配制了相似深色的乳胶漆。为避免钛白粉的高反射率的影响,这些乳胶漆样品里不含钛白粉。色粉的配比和样板的TSR测试结果如表1所示。

几种IR颜料的对比试验


颜料

来源

配方

IR黑颜料1#

湖南巨发

 

0.23

 

 

 

IR黑颜料2#

塞特

1.66

 

 

 

 

IR黑颜料3#

BASF

 

 

3.45

 

 

IR黑颜料4#

霍伊

 

 

 

1.23

 

铁黑浆

科莱恩

 

 

 

 

2.13

铁红浆

 

0.80

0.89

1.14

0.29

0.75

铁黄浆

 

0.83

0.33

2.60

0.98

0.78

TRS/%

 

25.2

32.5

26.1

28.2

8.3


 

测试结果表明:虽然它们在可见光区域的反射/吸收性能相近(表现为相近的视觉颜色)IR颜料的太阳光总反射率(TSR)明显高于普通颜料。

2是部分常见颜料太阳光总反射率TSR值。

部分常见部分颜料的太阳光总反射率(TSR)


各色颜料品种

C.I.

TSR/%

湖南巨发生产的

红外反射颜料型号

黑色

 

 

 

Carbon Black(炭黑)

P.Bk.7

5

 

Black Iron Oxide(铁黑)

P.Bk.11

5

 

Copper Chromite Black Spinel (铜铬黑)

P.Bk.28

7

JF- B2852

Chromium Green-Black Hematite (铬绿黑)

P.G.17

25

 

Chromium Iron Oxide Black (铁铬黑)

P.Br.29

30

JF-A2901 JF-A2910

蓝色

 

 

 

Phthalo Blue 15:4(酞菁蓝)

P.B.15:4

18-20

 

Cobalt Chromite Blue-Green Spinel (钴蓝)

P.B.36

44

JF-A(B)3601

Cobalt Aluminate Blue Spinel (钴蓝))

P.B.28

49

JF-B2805

绿色

 

 

 

Phthalo Green (酞菁绿)

P.G.7

20-22

 

Chromium Oxide Green(铬绿)

P.G.17

38

 

Cobalt Titanate Green Spinel (钴绿)

P.G.50

33

JF-B5003

黄色

 

 

 

Iron Hydrate Yellow(铁黄)

P.Y.119

36

 

Chrome Antimony Titanium Buff Rutile(钛铬棕或钛铬黄)

P.Br.24

66

JF-B2406

Nickel Antimony Titanium Yellow Rutile( 钛镍黄)

P.Y.53

75

JF-B5302

棕色

 

 

 

Brown Iron Oxide (铁棕)

P.Br.6

6

 

Zine Iron Chromite Brown (铁锌铬棕)

P.Br.33

34-38

JF-B3301

白色

 

 

 

Zine Sulphide(硫化锌)

P.W.5

81

 

Titanium Oxide(钛白)

P.W.6

90+

 


 

经模拟高强度日光照射涂层热积累试验,较之相同颜色的其他颜料,可以降温5-15℃,参见下图2

          巨发颜料


热积累试验

 

系列IR颜料红外线近红外反射数据参见下图3

             巨发颜料


彩色混相无机颜料系列的TSR

 

影响IR颜料红外反射的因素有:

(1)颜料的混合:任何IR颜料与白颜料混合后,其TSR都比单独的1R颜料要高。不同的IR颜料在不同的波长段有吸收性,两种以上的IR颜料混合后总反射率会低于单一的IR颜料。例如一个IR蓝颜料和一个IR黑颜料,各自的TSR都在25%一30%左右。当它们混和使用时,混合物的TSR低于各自单独的TSR(见图4)

巨发颜料

混合颜料的TSR

(2)颜料的分散:无论用于溶剂型涂料还是水性涂料,颜料都必须得到适当的研磨细度。过度的研磨会破坏颜料的颗粒结构,使主色调变淡,TSR变小,见图5

巨发颜料

研磨时间的影响

 

(3)涂层的不透明性:IR无机颜料一般都有较好的可见光遮盖力。它对红外光有反()射和透射的作用。较薄的涂层虽然视觉上有满意的遮盖力,但它可能不能完全反射红外光,让一部分红外光透射到底材。因此需要更厚的涂层来保证对红外光的反射。另外涂料的PVC对涂料的红外反射性能也起着重要作用。

(4)污染:IR颜料如果与红外吸收的颜料混合,其红外反射性能会急剧下降(6)。因此在使用IR颜料的过程中要非常注意不能受到一些普通颜料,尤其是炭黑、铁黑等颜料的污染。研磨设备必须清洗干净,保证没有交叉污染。在可见光区,颜料的遮盖力取决于颜料与基料的折光指数之差。差值越大,其遮盖力越高。颜料对红外光也有其对红外光的“遮盖力”。这两种遮盖力在涂层里的表现是不一致的(见图7),受到颜料本身性质,涂料的颜基比,涂膜厚度等的影响。

巨发颜料

污染对IR颜料TSR的影响

巨发颜料

颜基比的影响

透射型IR颜料

对于某些颜料,它在红外区域虽然不能对红外光有较大的反射率,但它也不像炭黑等颜料一样对红外光有较高的吸收率,而是对红外光有很好的透过率,尤其是部分有机颜料,如萘酚红,酞菁蓝。通过研究,人们发现在使用这种颜料时只要涂层下面的底材或底涂有较高的红外反射性能,整个涂层同样具有较好的红外反射功能,同样可以降低表面温度。有人把这类对红外光具很低的吸收率,但有较高透射率的颜料也称为IR颜料。图81个有机IR颜料黑的反射曲线。

从图6中可以看出:它对可见光波段的光几乎全部吸收,所以在人们的视觉里呈黑色。但它在红外区域对红外光的透射率较高,所以在白色底材上,红外光透过深色的涂层,到达白色基材后被白色基材强烈反射。而如果到达黑色的基材,则红外光被基材的黑色强烈吸收。

巨发颜料

有机IR颜料黑的反射曲线

 

使用具有红外透射性能的黑色有机IR颜料,与使用炭黑相比,配制同样的深蓝涂料(颜料质量浓度20 ),涂膜厚度为40lam时的TSR测试结果如表3所示。

 

黑色有机IR颜料与炭黑在深蓝涂料中的应用对比

巨发颜料

测试结果表明:使用炭黑的A样品在白色和黑色底材上的TSR是一样的,但使用IR黑颜料的B样品,在白色底材上的TSR要比黑色底材上大14% 。

 

几种颜料的对比

我们对反射型红外颜料,透射型红外颜料的热反射率进行了测试,同时与炭黑色浆作对比。把它们分别以不同比例的颜料量,用于不含钛白的涂料里,配成相近的颜色,然后分别在涂有白色底涂和黑色底涂的底板上涂刷制膜。按JCT10402007《建筑外表面用热反射隔热涂料》规定的方法测试太阳反射率,结果如表4所示。

巨发颜料

从表4太阳反射率的测试结果可以看到:

(1)IR颜料的涂膜在白色底涂基面和黑色底涂基面上的太阳反射率不一样。白色底涂板上涂层的反射率明显比黑色底涂的高。

(2)具有透射性能的IR颜料的涂膜,在两种底涂上的太阳反射率相差20%以上。

(3)炭黑由于有几乎完全的吸收性,所以它无论在白色或黑色的基面上,反射率相近,都很低。

(4)在足够的遮盖力基础上,颜料的添加量对反射率没有影响。

根据这个原理,有人开发了在无机白颜料或填料外面包覆彩色有机颜料且具有红外反射性能的新型颜料。这种新型颜料具有鲜艳的有机颜料的色相,在配色性能上也具有类似有机颜料的性能,但其在红外区反射太阳能的功能实际上来自无机部分。许多结构的有机颜料,如蒽醌、酞菁、靛青、硫靛、喹吖啶酮、苝系、二噁嗪、异吲哚啉、吲哚啉酮环类等,都具有这种透射红外光的性能,可以用来制作这种包覆型IR颜料。现在已经有科学工作者对有机颜料的红外反射性能进行研究和筛选。一个重要的起始点是叶绿素。人们发现叶绿素有很强的太阳热能的反射功能,人们在树荫底下明显感到凉爽就是一个例子。

红外反射颜料的应用

红外反射颜料的应用已经越来越受到重视,它突出的节能效果,在储罐、化工容器、建筑物、尤其是屋顶上都取得了明显的效果。以黑色屋顶板为例。黑色沥青屋顶板只能反射4%左右的太阳光,即它吸收了地表阳光辐射的96%,该类颜料一些品种同时具有仿叶绿素功能,可用于防伪涂料与塑料制品,在国防军事领域具有非常重要的意义。

这些吸收的能量使其表面温度升高,被传导、转换并通过辐射进入建筑结构中去。以ASTM设定的太阳光强度平均值900W/m2计算,这将转换成864 W/m2的能量吸收。如果使用IR颜料制得的涂层,其TSR可达到30%左右,这一巨大的反射意味着地表阳光的辐射仅有70%被吸收,吸收能量为630w/m2 。相对于沥青屋顶板,红外反射技术在能量吸收上降低了26%的净值(234 W/m2 )。如果采用TSR更高的IR颜料,并配以红外反射的底涂,可以得到阳光总反射率为47%的屋顶板,这样它仅吸收477 W/m2 的能量,比沥青屋顶板少吸收387W/m2 ,减少了对电能的需求。

国外有一个使用实例:在同一地区建造了2个设计相同的小学,A小学屋顶用反射率为12%的普通绿色颜料,B小学屋顶用反射率为29%的绿色IR颜料。

与屋顶使用普通绿色颜料的小学相比,屋顶使用IR颜料的小学,第一年节省的电费为$8803,预计20年可节省电费$101650

红外反射颜料的降温节能效果,越来越受到人们的关注。红外反射颜料的技术,尤其是无机IR颜料的开发和利用,正在不断地取得进步。随着人们对环保、节能要求的提高,科学技术的进步日新月异,红外反射颜料一定会得到快速的发展和使用。

 

参考资料

(1)   太阳热反射涂料与红外反射颜料-中国涂料-2007B01

(2)   红外反射颜料及其应用-上海涂料-200812

(3)   油罐用太阳热反射涂料研究进展--《化工新型材料》201001


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