紅外反射顏料及其應(yīng)用

1、紅外反射顏料及其應(yīng)用紅外反射顏料及其應(yīng)用(gon gshao.c n)地球上接收到的太陽光線光譜按波長不同可以分為三大部分，各部分占有的總能量比例是不一樣的：紫外區(qū)（UV）： 295nm400nm ,占地球接收到的太陽總能量的5%。可見光區(qū)（VIS ）: 400nm720nm，占地球接收到的太陽總能量的約45%。紅外區(qū)（IR） :720nm 2500nm，占地球接收到的太陽總能量的約50%。不同文獻(xiàn)對紅外波長范圍的劃分不盡相同。美國試驗(yàn)和材料協(xié)會（ ASTM ）規(guī)定700nm至2500nm為近紅外區(qū) （NIR ）。NIR常被劃分為短波近紅外（SW NIR ）和長波近紅外（LW NIR ）,其波

2、段范圍分別為700 1100nm和1100 2500nm。其中大部分能量集中在 720nm1100nm,即短波近紅外區(qū)范圍里。1.00.8裔巒0,40.20.02505007501000 1250 1500 17&0 2000 2250 2500MH 1滅氐丈納來、_.I I對地面太陽輻射光譜的總?cè)肷淠芰考s為900瓦特/平方米，即直接暴露于太陽光的表面每秒鐘每平方米將接收到900瓦特，或者900焦耳的能量。太陽光線的總能量主要集中在可見光區(qū)和近紅外區(qū)（圖1）。地球上萬物生長靠太陽。太陽把自己的能量傳遞給地球上的動物和生物，使他們能不斷成長。在給予人類恩惠的同時，太陽光也給地球上人類的生

3、活帶來許多負(fù)面的，甚至使破壞性的影響。太陽光中的 紫外線，會使許多有機(jī)物質(zhì)降解，破壞，對人體的皮膚也有一定的危害性。物體接收到的可見光和不可 見的紅外光發(fā)出的大量熱能輻射，會使表面溫度升高，給人類的日常生活帶來諸多問題和不便。房屋的 屋頂和墻面接收到的熱能，通過各種方式（傳導(dǎo)，輻射，對流等形式）使室內(nèi)的溫度升高，降低生活的 舒適度。為使室內(nèi)溫度降低到適宜的程度，人們大量使用空調(diào)，冷氣機(jī)，電風(fēng)扇和噴淋設(shè)備，需要消耗 大量的電能等能源。一些化工容器和露天的反應(yīng)釜，在炎熱的夏天因受到太陽光的直接照射，表面溫度 升高，罐內(nèi)液體溫度隨之升高，帶來一定危險性。高溫不利于糧食，蔬菜，藥品的儲存，加速了材料的

4、 腐蝕、老化和降解過程，降低材料的使用壽命，限制了某些材料的應(yīng)用。如何降低，消除太陽光線對人類造成的這些負(fù)面影響，越來越引起科學(xué)工作者的注意。任何表面對接收到的太陽光都會產(chǎn)生不同程度的反射。我們把從一定表面反射的入射到地面太陽光的能量測試值稱為太陽光總反射率（TSR, total solar reflectivity ）。太陽光的總反射率以百分?jǐn)?shù)表示。一個物體的表面如果它的太陽光總反射率為75%，則可認(rèn)為它吸收了25%的入射能量。太陽光的熱能主要集中在可見光區(qū)和紅外區(qū)。眾所周知，涂層的可見顏色，即顏料的可見顏色，是由于顏料對可見光的選擇性反射和吸收引起的。白色對400720nm的光幾乎全部反射

5、，而黑色對可見光譜幾乎全部吸收。紅色主要對650 700nm （紅色波段的光）段反射，而對其它波長的可見光吸收。因此為得到一定的可見色彩效果，我們不能改變顏料在可見光區(qū)的反射和吸收性能。而對于眼睛不可見的紅 外光部分，能否找到一些對這個區(qū)段的入射光具有較強(qiáng)反射率的材料，來達(dá)到反射具有高熱能的紅外光， 降低表面溫度的效果呢？白色顏料是最好的紅外反射顏料。對可見光段全反射的同時，它對紅外區(qū)段的光有強(qiáng)烈的反射。鈦白的TSR至少為75%。而普通的黑色顏料幾乎對所有波長的光都吸收，如碳黑的TSR低至3 5%，即吸收了 95 97%的太陽光能量（圖 2, 3）。鈦的反射開線3紅外反射顏料及其應(yīng)用如果有一種

6、涂料，涂于物體表面，它能高效地反射太陽光的能量，就能明顯地降低物體的表面溫度, 避免表面溫度升高引起的諸多不利影響。能不能找到或開發(fā)一種顏料，它即可在可見光區(qū)吸收和反射一 定波長的光以呈現(xiàn)需要的彩色，同時又能反射一定量的紅外區(qū)的光以降低物體的表面溫度？因此開發(fā)和 研究一種具有反射功能的有色顏料成為一個熱門的課題。研究發(fā)現(xiàn)，一種顏料可以反射可見光區(qū)的光，吸收紫外區(qū)的光，透射紅外區(qū)的光，或是任何其中三種情況的組合。 這樣它們既有一定的彩色，甚至是較深的顏色，又能反射一 部分紅外光，減少熱量的集結(jié)，起到降溫作用。我們把在可 見光區(qū)呈現(xiàn)一定的色彩，在紅外區(qū)具有反射紅外光性能的顏 料稱為紅外反射顏料（簡

7、稱IR 顏料Infrared ReflectivePigment）。具有這種特性的紅外反射無機(jī)顏料由金屬氧化 物，硝酸鹽，醋酸鹽，甚至氧化物混合后經(jīng)1000 C以上高溫煅燒、反應(yīng)，原料固體本身開始發(fā)生反應(yīng)。原料中的金屬離子和氧離子重新排列，形成更穩(wěn)定的類似 于尖晶石（spinel）結(jié)構(gòu)或是金紅石型（rutile ）結(jié)構(gòu)。這些顏料里通常含有鎳、錳、鉻、鈦、鐵、鈷等金屬離子。常用的深色顏料有：P Black 30，P Green17, P Green 26, P Green 50, P Brown 29， P Brown 24， P Brown 33， P Blue 36， P Blue 28，

8、P Yellow 53， P Black 12，等。以Shepherd公司的Black 10C909為例，它在紅外區(qū)有較大的反射，TSR達(dá)到25%，而普通的黑色顏料的 TSR只有5%左右（見圖4）。我們對幾個不同公司提供的IR顏料進(jìn)行了對比試驗(yàn)，用它們分別配制了相似深色的乳膠漆。為避免鈦白粉的高反射率的影響，這些乳膠漆樣品里不含鈦白粉。色粉的配比和樣板的TSR測試結(jié)果如下：ABCDEIR黑顏料AShepherd1.658IR黑顏料BBASF0.266IR黑顏料CBASF3.498IR黑顏料D 1Heucodur1.229鐵黑漿Claria nt2.129鐵紅漿Claria nt0.7945 C

9、.8869 1.1416 0.29490.7485鐵黃漿Claria nt0.8287 C.3286 2.6038 0.98090.7785TRS25%33%26%28%8%測試結(jié)果表明，雖然它們在可見光區(qū)域的反射/吸收性能相近（表現(xiàn)為相近的視覺顏色），IR顏料的太陽光總反射率明顯高于普通顏料。下面是部分IR顏料及其TSR值：C.I.TSR黑色Carbon Black5%Black Iron OxideP.Bl.115%Copper ChromiteP.Bl.287% :FeMn Black12% CrFeNi BlackP.Bl.3013%FeCr BlackP.Bl.1724%FeCr B

10、lackP.Bl.2930% :藍(lán)色Phthalo Blue 15:418-20%CoCrAl Blue (Blue 9)P.B.3625%CoAl BlueP.B.2828%CoCrAl Blue(Blue 212)P.B.3631%CoAlTiLi BlueP.B.2839% :褐色Fe Brow n6%Fe Brow n (Mapico)30%FeTi Brown (Brown 8)P.Bl.1238%ZnF eCr Brow nP.Br.3338%FeTi Brown (Brown 156)P.Bl.1251%綠色Phthalo Green20-22%CoCr GreenP.G.262

11、4%CoTi GreenP.G.5025% :CoCrAI GreenP.B.3629%Cr GreenP.G.1738%黃色Fe Hydrate Yellow36%CrSbTi YellowP.Br.2466%NiSbTi YellowP.Y.5371% 1白色Zn Sulphide(Filler)81%TiO290%+影響IR顏料紅外反射的因素有：1）顏料的混合：任何IR顏料與白顏料混合后，其 TSR都比單獨(dú)的IR顏料要高。不同的IR顏料在不同的波長段有吸收性，二種以上的IR顏料混合后總反射率會低于單一的IR顏料。例如一個IR藍(lán)顏料和一個IR黑顏料，各自的 TSR都在25- 30 %左右。

12、當(dāng)它們混和使用，混 合物的TSR低于各自單獨(dú)的TSR。（見圖5，圖6）応瑩噸科旨分圧鬲常皿顋獗料湛合807060&n4n20W1 1M/Q0_p_! i l I i I I ( I J I I I200 400 600 800 1&00 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 f¥| 6 Wavdeijth (rmmHrneters)iw2）顏料的分冃攵：無論用于溶劑型涂料還是水性涂料，顏料都必須得到適 當(dāng)?shù)难心ゼ?xì)度。但是過度的研磨會 破壞顏料的顆粒結(jié)構(gòu)，會使主色調(diào) 變淡，TSR變小。這些都不是希望 得到的結(jié)果（見圖7）。O9A-76S4

13、3 豊專LEEdfl圏T 研鴛時冋（:分¥中、2D.to3）涂層的不透明性：IR無機(jī)顏料一般都有較好的可見光遮蓋力。它對紅外光有反（散）射和透射的作用。較薄的涂層雖然有視覺上滿意的遮蓋力，但它可能不能完全反射紅外光，讓一部分紅外光透射到底材。因此需要更厚的涂層來保證對紅外光的反射。另外涂料的PVC對涂料的紅外反射性能也起著重要作用。4）污染：IR顏料如果與紅外吸收的顏料混合，其紅外反射性能會急劇下降（圖8）。因此在使用IR顏料過程中要非常注意不能受到一些普通顏料，尤其是碳黑、鐵黑等顏料的污染。研磨設(shè)備必須清洗，保證沒有交叉污染。76807紅外反射顏料及其應(yīng)用#紅外反射顏料及其應(yīng)用在可

14、見光區(qū)，顏料的遮蓋力取決于顏料的折光指數(shù)與基料的折光指數(shù)之差。差值越大，其遮蓋力越高。顏料對紅外光也有其對紅外光的“遮蓋力”。這兩種遮蓋力在涂層里的表現(xiàn)是不一致的（見圖9），受到顏料本身性質(zhì)，涂料的顏基比，涂膜的厚度等影響。120r 200對于某些顏料，它在紅外區(qū)域雖然不能對紅外光有較大的反射率，但它也不像碳黑等顏料一樣對紅外光有較高的吸收率，而是對紅外光有很好的透過率，尤其是部分有機(jī)顏料。通過研究，人們發(fā)現(xiàn)在使用這種顏料時只要涂層下面的底材或底涂有較高的紅外反射性能，整個涂層同樣具有較好的紅外反射功能，同樣可以降低表面溫度。 有人把這類對紅外光很低的吸收率，但有較高透射率的顏料也稱為 IR顏

15、料。下面圖表是一個有機(jī)IR顏料黑的反射曲線（圖 10）:#紅外反射顏料及其應(yīng)用100909070創(chuàng)闊W30如【芒2測waweiengtti rwn圖中可以看出，它對可見光波段的光幾乎全部吸收，所以在人們的視覺里呈黑色。但它在紅外區(qū)域 對紅外光的透射率較高，所以在白色底材上，紅外光透過含有深色的涂層，到達(dá)白色基材后被白色基材強(qiáng)烈反射。而如果到達(dá)黑色的基材，則紅外光被基材的黑色強(qiáng)烈吸收。許多有機(jī)彩色顏料都具有在紅外區(qū)很少反射紅外光，但也很少吸收紅外光的性能。下面是萘酚紅和酞菁藍(lán)的透射，反射，吸收曲線（圖11，12）：rvAnLincB Mi wW 曲 ym. St.u«d蟲v«

16、M 辟 pn «>4 OS EMt nr!W>Mi cw 址矣(2um.ii.w-0 05¥*0 InrwnAara 審 ym 刈，乂皿0*專切 IM4<TMJK« QV 上爪 Vft 暑網(wǎng)葡 Etl口和nftKtirK*Od |im:，巾 30 T QQ ¥吃 2 網(wǎng)阿 mZirw* rnr 町4 11$ IJE. Tgwo 06 HO&.n-Q |4) rvftKhirHt 9v«f Mcfc fDM |Tpnp«|hnw 41? I il.L&BwO 曲_4>9* M3*OFUtea (1

17、B b"i. a»C 5A u«O M.vmOi Sfl AhO 2fi|陽128紅外反射顏料及其應(yīng)用使用具有紅外透射性能的黑色有機(jī)IR顏料，與使用碳黑相比，配制同樣的深藍(lán)（顏料重量濃度20%）的涂料，涂膜厚度為 40微米時的TSR測試結(jié)果：AB藍(lán) L6700 F36.2P 33.3 :紫RL68.8鈦白45P 46.1:碳黑12.8IR黑11.8TSR在白色底材上）7%P 34% :TSR在黑色底材上）7%20%測試結(jié)果表明，使用碳黑的A樣品在白色和黑色底材上的TSR是一樣的，但使用IR黑顏料的B樣品，在白色底材上的 TSR要比黑色底材上大 14%。我們對反射型

18、紅外顏料，透射型紅外顏料的熱反射率進(jìn)行了測試。同時作為對比的是碳黑色漿。把它們分別以不同比例的顏料量，用于不含鈦白的涂料里，配成相近的顏色，然后分別在白色底涂和黑色 底涂板的底板上涂刷制膜。按JC/T 1040-2007建筑外表面用熱反射隔熱涂料規(guī)定的方法測試太陽反射率，結(jié)果如下：IR透射黑顏料IR反射黑顏料碳黑漿涂料中顏料添加量2.10% 420% 2.10%& 4.20% 3.75% 7.50%白色底涂涂料涂布量g1.92 1.87 2.24 1.92 2.01 1.94太陽反射率37.5% 35.5% 24.2%& 23.2%5.6%5.2%黑色底涂涂料涂布量g1.88

19、1.87 2.01 1.86 2.06 1.86太陽反射率17.5% 16.0% 19.8%& 20.9%5.5%5.1%反射率之差（白色底涂-黑色底涂）20.0%20.5%4.4%2.3%0.1%0.1%從太陽反射率的測試結(jié)果可以看到：1） IR顏料的涂膜在白色底涂基面和黑色底涂基面上的太陽反射率是不一樣的。白色底涂板上涂層的 反射率明顯比黑色底涂的高。2） 具有透射性能的IR顏料的涂膜，在兩種底涂上的太陽反射率要相差20%以上。3）碳黑由于有幾乎完全的吸收性，所以它無論在白色或黑色的基面上，反射率相近，都很低。4）在足夠的遮蓋力基礎(chǔ)上，顏料的添加量對反射率沒有影響。根據(jù)這個原理，有

20、人開發(fā)了在無機(jī)白顏料或填料外面包敷彩色有機(jī)顏料的具有紅外反射性能的新型顏 料。這種新型顏料具有鮮艷的有機(jī)顏料的色相，在配色性能上也具有類似有機(jī)顏料的性能，但其在紅外 區(qū)反射太陽能的功能實(shí)際上來自無機(jī)部分。據(jù)介紹許多結(jié)構(gòu)的有機(jī)顏料，如蒽醌，酞菁，靛青，硫靛， 喹吖啶酮，苝系，二噁嗪，異吲哚啉，吲哚啉酮環(huán)，氮甲川類，等，都具有這種透射紅外光的性能，可 以用來制作這種包敷型 IR顏料?，F(xiàn)在已經(jīng)有科學(xué)工作者對有機(jī)顏料的紅外反射性能進(jìn)行研究和篩選。- 個重要的起始點(diǎn)是葉綠素。人們發(fā)現(xiàn)葉綠素有很強(qiáng)的太陽熱能的反射功能，人們在樹葉底下明顯感到?jīng)?爽就是一個例子。紅外反射顏料的應(yīng)用已經(jīng)越來越受到重視，它突出的節(jié)能效果，在儲罐，化工容器，建筑物，尤其 是屋頂上都取得了明顯的效果。以黑色屋頂板為例。黑色瀝青屋頂板只能反射4%左右的太陽光，即它吸收了地表陽光輻射的96%,這些吸收的能量使其表面溫度升得很高，被傳導(dǎo)，轉(zhuǎn)換并通過輻射進(jìn)入建筑結(jié)構(gòu)中去。以ASTM設(shè)定的太陽光