紅外反射色漿應(yīng)用于冷涂料

隨著人們對(duì)大城市熱島效應(yīng)的關(guān)注以及降低能耗需求，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注能夠反射紅外線以減少熱量積聚材料的色漿。此外許多國(guó)家開(kāi)始制定法規(guī)，要求通過(guò)使用“冷”涂料來(lái)減少能源的消耗。為了滿足這些新的要求，涂料配方設(shè)計(jì)師正在尋找原材料來(lái)支持他們的研發(fā)。

我們知道太陽(yáng)光是紅外線能量的主要來(lái)源。當(dāng)這些光波被任何戶外表面所吸收時(shí)，表面會(huì)變得越來(lái)越熱。在黑色的表面，更是會(huì)熱得足以讓皮膚灼傷。在夏天烈日炎炎的高氣溫時(shí)段內(nèi)，黑色的柏油馬路很熱，因?yàn)樯钌砻娌荒馨褋?lái)自太陽(yáng)紅外線的能量反射出去。此外，這種效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致深色屋頂建筑物的室溫升高。在不配置空調(diào)的建筑物內(nèi)，室內(nèi)溫度過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)。而使用空調(diào)降低室內(nèi)溫度則會(huì)增加成本。

在涂料中使用紅外反射顏料是將涂層表面的紅外線能量反射到大氣中的一種方法。這能夠降低表面溫度。雖然屋頂涂料正是這些色漿的用武之地，其實(shí)紅外反射色漿應(yīng)用于其它領(lǐng)域也將有益于人類(lèi)和環(huán)境。本文概述了紅外反射色漿的技術(shù)和用途。

太陽(yáng)總輻射

太陽(yáng)輻射能中包括約3%的紫外線（UV）、44%的可見(jiàn)光線和53%的紅外線。來(lái)自紫外線的能量大部分都被大氣層吸收。另外，大氣層散射大量的可見(jiàn)光中的藍(lán)色光波，這就是天空為什么會(huì)呈現(xiàn)藍(lán)色的原因。然而，紅外光的大部分能量會(huì)到達(dá)地球表面，紅外光會(huì)產(chǎn)生熱量。近紅外光（約700-2500納米）包含了太陽(yáng)光產(chǎn)生的大部分熱能。圖1給出太陽(yáng)輻射光譜圖，包括大氣上界的太陽(yáng)輻射，以及在地球表面的太陽(yáng)輻射中紫外線、可見(jiàn)光和紅外線能量的分布。

通常在白天地球吸收太陽(yáng)輻射能，夜間以輻射形式傳送回太空。到達(dá)地球大氣層中的太陽(yáng)輻射能中，大約有23%被大氣吸收、31%輻射回太空、46%被地球表面吸收。地球表面會(huì)把吸收的太陽(yáng)輻射能輻射回太空，通過(guò)長(zhǎng)波輻射，潛熱和顯熱等熱交換形式。

當(dāng)輸入和輸出的輻射處于平衡狀態(tài)時(shí)，地球表面的整體溫度沒(méi)有變化。然而由于地球表面被吸熱材料如黑屋頂、涂覆涂層的混凝土、瀝青或其它深色表面覆蓋，輸入和輸出的輻射能量平衡就可能發(fā)生改變。

抵消吸收的紅外光輻射

為了抵消吸收的紅外光輻射的影響，涂層會(huì)將紅外線從涂覆的表面反射回大氣中。紅外反射涂層可以使用各種顏料、金屬（如鋁）或其它原材料配制，以形成一個(gè)紅外反射屏障層。這些原材料會(huì)反射產(chǎn)生熱量多的近紅外區(qū)光譜。由于反射了這些紅外線，涂覆紅外反射涂料的表面與使用傳統(tǒng)涂料的表面相比會(huì)具有較低的溫度。

了解這個(gè)概念是如何發(fā)揮作用的一種方法是考慮白色為什么會(huì)出現(xiàn)在可見(jiàn)光區(qū)。因?yàn)榘咨瓷淇梢?jiàn)光譜中的所有波長(zhǎng)，所以顏色在人的眼中會(huì)呈現(xiàn)白色。事實(shí)上，鈦白粉，這是大多數(shù)白色涂料中使用的一種原材料，能反射紅外線輻射及可見(jiàn)光輻射。相反，不能反射可見(jiàn)光的材料會(huì)顯示為黑色。炭黑也吸收大部分的紅外光波長(zhǎng)，因此變得比其它大多數(shù)顏色更熱。如果我們能夠看到材料在紅外光波長(zhǎng)范圍內(nèi)顯現(xiàn)的顏色，能夠反射所有紅外光波長(zhǎng)的涂層也會(huì)呈現(xiàn)白色。圖3描述了這種現(xiàn)象，通過(guò)展示用非紅外反射顏料如炭黑和紅外反射顏料分別配制的灰色在可見(jiàn)光區(qū)和紅外光區(qū)的情況。

當(dāng)談到對(duì)表面進(jìn)行著色時(shí)，人們渴望有更多的選擇，對(duì)于許多用途來(lái)說(shuō)白色涂料不適合?，F(xiàn)在有眾多著色材料能提供寬范圍的顏色以及反射紅外光波長(zhǎng)。這些材料已經(jīng)由Chromaflo Technologies配制成液體分散體，從而易于被涂料配方設(shè)計(jì)師使用。

使用紅外光反射色漿的顏色選擇

當(dāng)確定顏色選項(xiàng)以及紅外反射系數(shù)時(shí)，需要考慮材料的總太陽(yáng)能反射率（TSR）。TSR是從材料表面反射掉的太陽(yáng)輻射能，以百分比表示。在較高的TSR值時(shí)，表面將吸收較少的太陽(yáng)輻射能，從而表面溫度較低。溫度的變化以度來(lái)衡量，被稱(chēng)為Heat Build（熱量積聚）。白色涂料的TSR值約為75%。其原因是由于二氧化鈦能將大約700-1300納米之間的紅外線反射掉90%以上，能將約2500納米的波長(zhǎng)反射掉約30%。炭黑涂層的TSR值約為5-10%。涂料中使用的著色材料的TSR值的范圍約為25%?70%。將任何紅外反射色漿混合會(huì)改變純色漿的TSR值。因此，對(duì)于終確定顏色的目標(biāo)TSR值，色漿的正確選擇對(duì)于特定顏色空間非常重要。

目前該技術(shù)已用于屋頂涂料、建筑外墻涂料，木器（門(mén)窗）涂料。這些應(yīng)用的目的往往注重于降低建筑物表面吸收的熱，以努力降低用于冷卻建筑物內(nèi)部空間和保護(hù)基材免受高溫影響的能耗成本。這些技術(shù)也將適用其它表面涂層，如戶外罐體、游樂(lè)場(chǎng)設(shè)備、游泳池甲板、混凝土表面、汽車(chē)內(nèi)飾件和主題公園等使用的涂層?？傊?，任何能夠從降低表面溫度受益的戶外表面涂層都將成為紅外反射涂層的應(yīng)用場(chǎng)合。

溶劑型和水性配方

專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的溶劑型和水性紅外線反射色漿與涂料具有廣泛的相容性。溶劑型紅外反射色漿的一個(gè)示例是Spartacryl PM?系列，它可以配制為涂料配方設(shè)計(jì)師提供的通用色漿體系，用于大多數(shù)溶劑型工業(yè)涂料的著色和完全著色。還有一種Chroma-CHEM? 846 的溶劑型低VOC色漿。這些顏料能提供寬的顏色空間、優(yōu)異的耐久性、耐光性和耐化學(xué)品性，分散在一種獨(dú)特專(zhuān)有的丙烯酸樹(shù)脂基料中，該樹(shù)脂可以提供極好的潤(rùn)濕性和分散性。所使用的溶劑是專(zhuān)有的酯類(lèi)和丙二醇單甲醚醋酸酯的可變混合物。

水性紅外反射色漿的示例是Chroma-Chem50-990系列和897系列。前者是低VOC的顏料分散體，是由精細(xì)研磨的顏料分散在水、添加劑和一種獨(dú)特的低VOC漆基中的共混物組成。該組合得到的色漿和水性產(chǎn)品具有廣泛的兼容性。為了更好地滿足當(dāng)前VOC法規(guī)的要求，這些色漿不含任何添加的揮發(fā)性有機(jī)化合物，并且不含二醇。897產(chǎn)品是高著色強(qiáng)度的低VOC色漿，設(shè)計(jì)用于各種水性工業(yè)涂料。這些顏料能夠提供優(yōu)異的耐久性、耐光性、耐化學(xué)品性，并且不含APE。