反射隔热涂层半球发射率的影响因素

王镇  周海洋  罗蛟（镇江泛华检测科技有限公司 江苏 镇江 212000）

摘要：半球发射率是反射隔热涂料重要的技术指标之一。发射率的检测方法依据不同的测量原理分为量热法、反射率法、能量法和多波长测量法等。本文通过量热法使用便携式辐射率仪（AE1/RD1）对涂层进行半球发射率测试，探讨影响涂层半球发射率的因素。

关键词：反射隔热涂料  半球发射率  

引言

半球发射率是指热辐射体在半球方向上辐射出射度与处于相同温度的全辐射体（黑体）的辐射出射度的比值，体现了材料在特定温度下相对黑体的辐射能力。半球发射率是材料的一个重要的物理性能参数。其测试理论依据基尔霍夫辐射定律，指出：在平衡条件下，所有物体在一定温度下的辐射功率和辐射吸收率的比值相同，并等同于一个黑体在同一温度下的辐射功率 ^[1] 。

辐射率仪测试原理是辐射率仪探测器测量高低辐射区温差并输出电压信号，该电压信号与被测样品涂层的半球发射率呈线性关系。通过高、低半球发射率标准板与被测样品输出的电压信号大小相比较，从而得出被测样品的半球发射率数值^[2]。

1  实验部分

1.1   实验设备和物资：

1.1.1 颜填料：IR-1000近红外反射二氧化钛、钛白粉、高岭土、碳酸钙等；

1.1.2树脂乳液、分散剂、消泡剂、成膜助剂等助剂；

1.1.3 高速分散机SFJ-400，现代环境；

1.1.4 便携式辐射率仪：AE1/RD1；

1.1.5 线棒涂布器等涂膜工具。

1.2 测定依据

检测依据GB/T 25261-2018 《建筑用反射隔热涂料》。涂膜后试板均在标准环境条件下温度（23±2）℃，湿度（50±5）%养护7天后进行测试。

2  结果和讨论

建筑反射隔热涂料，其涂层能够反射和辐射太阳辐射的能量，是以合成树脂为基料，以水为分散介质，加入颜料（主要是红外反射颜料）、填料和助剂制成的涂料。根据对热传导机制的不同，反射隔热涂料可分为三类：阻隔型、反射型、辐射型。本文制备的反射隔热涂料是反射和辐射复合型涂料。依据反射隔热涂料测试标准要求半球发射率≥0.85，并且其值在反射隔热涂料领域越大越好，发射率越大涂层向外辐射热量的能力越大。本文将从建筑涂料组成、涂膜的状态等因素分析影响涂层半球发射率的因素。

2.1  颜填料对涂层半球发射率的影响

涂料组分主要都是有粉体材料、粘结剂和各种助剂组成，涂层中有效成分是决定半球发射率最直接的因素。涂层中尤其是建筑涂料的有效成分以粉体材料和粘结剂居多，这些粉体材料（非金属无机材料）发射率一般都在0.8以上。高发射率涂料的粉体材料主是有着较高耐热性能的金属氧化物的复合物和碳化物，通常有Si0₂、Cu0、Fe₂0₃、Mn0₂、Cr₂0₃、Zr0₂、A1₂0₃、zn0、C0₂0₃、石墨等。

高发射率涂料的粘结剂分为有机聚合物和无机物^[3]。

2.2 合成树脂乳液对半球发射率的影响

使用常用的合成树脂乳液，如硅丙乳液、苯丙乳液、纯丙乳液单独制成铝基涂膜，测试其半球发射率，如下图。

  

图1铝基合成树脂乳液发射率

选择市售建筑涂料用基础物料，依据下列配方进行涂料制样和制板测试。 

图2 涂料配方表

发射率如下：

依据图2配方表试板测试结果如下：

测试结果说明不同树脂乳液的半球发射率存在差异，但制成涂料后的影响不大。原因是多数乳液成膜后都是透明或半透明层，是主要成膜物质，起到粘结剂的作用。决定了涂料的基本特性，对半球发射率的贡献区别不大。

2.3  颜料体积浓度对涂层半球发射率的影响

颜料体积浓度是指涂料中着色颜料和体质颜料的体积与配方中所有不挥发分（包括乳液固体分，着色颜料和体质颜料）的总体积之比。

 

图3 不同颜料体积浓度发射率对比图

不同颜料体积浓度代表着不同的颜填料含量和树脂的体积比例，从图3可以看出随着颜料体积浓度的增加，样品涂层的半球发射率得到了提高。原因在于，涂层中半球发射率的贡献主要来自于涂料中的颜填料，高颜料体积浓度的样品在制膜后单位面积涂层中包含了更多的颜填料粒子，从而提高了涂层的发射率，并且随着P.V.C的提高，颜填料需要更多的树脂乳液来包裹，涂层表面相对于低P.V.C的涂层稍显粗糙。因此，高P.V.C的涂层发射率稍高。但是由于半球发射率的高低主要取决于涂层表面的状况，同时依据测试标准要求进行测试的涂膜厚度都在150微米以上，涂层有足够的厚度，也间接削弱了不同P.V.C浓度对结果的影响，总之随着P.V.C的提高，半球发射率随之增高，但总体影响有限。

2.4 颜色对涂层半球发射率的影响

分别使用铁黄和铁黑颜料和白色基础漆进行配漆，制备出不同明度值的涂料进行刮板制样。   

图4 颜色和半球发射率关系图

颜色对涂层发射率存在着一定的影响，不同着色颜料也存在细微的差别，可能是由于不同着色颜料的吸收不一样导致，但总体来说影响也不大。加入的着色颜料是无机或有机物本身的发射率就比较高，同时加入量在整个涂料体系的占比较小。因此对涂层发射率的影响较小。

2.5  涂层厚度对半球发射率的影响

半球发射率是表征的涂层对外辐射热量的能力。涂层发射率和涂膜厚度的关系比较复杂，呈“∩”型。半球发射率主要受测试物体的表面有关系的影响比较大，因此在金属板上进行涂膜，膜厚只有20微米时其涂层的发射率就达到0.8以上。同时随涂层厚度的逐渐增加半球发射率也随之增加。但是在涂层达到一定厚度后基本达到平衡。继续增加厚度后其发射率反而出现下降。下图为同一涂料进行多次涂膜后的半球发射率变化图。

图5 涂层厚度与半球发射率关系图

从上图可以看出涂膜在进行第一道涂膜后发射率相对偏低。原因可能是由于涂层较薄，涂层表面温度相对较高，同时由于涂层较薄，辐射率仪辐射的热量很快就能达到一个热平衡状态，由于非金属表面的半球发射率随着表面温度的上升而下降。因此导致此时的发射率较低。直到厚底在150微米左右，发射率基本处于一个平稳的状态。涂膜厚度500微米以上后涂层的半球发射率呈现一个下降的趋势。原因可能是由于涂层厚度较厚从而相对阻止热量向涂层内部进行传导，间接导致涂层表面的温度得到提升，直接表现为半球发射率值反而也变低。

2.6  表面粗糙度对涂层半球发射率的影响

由于辐射率仪测试涂层室温半球发射率的原理是基于基尔霍夫定律，就是分别在一个密闭腔的两端的热源与被测样品涂层达到辐射换热平衡，在这种换热平衡的条件下涂层的发射率等于涂层的吸收率。涂层室温下的半球发射率随表面粗糙度的增加而增大。下图表示由于表面粗糙度的不同导致的入射光线和出射光线的散射示意图。

 

采用相同的方法和同一涂料分别制得同样厚度的涂料试板A和B，将涂料试板B进行拉毛处理，使得涂膜表面结构相对较粗糙后进行半球发射率测试。

图7不同表面半球发射率测试对比图

导致这一现象的原因是从主动测温来讲由于涂层粗糙的表面（图6b）结构增强了涂层表面对红外辐射的多次散射和捕捉吸收的机会^[4]。其次从辐射角度来看，凹凸不平的表面使辐射体的相对辐射面积增大了从而增加了辐射能，提高了涂层对红外辐射的吸收率，因此无论从主动式测温角度还是被动式测量角度来看粗糙表面的半球发射率也得到提高。

2.7 表面温度对涂层半球发射率的影响

表面温度也是影响涂层半球发射率的重要因素之一，也是最复杂的影响因素。一般金属材料的发射率是比较低的，并随温度的上升而增加，若表面在形成氧化层则发射率可以得到大幅度的提高，因为金属中具有自由电子，在吸收外来光或热量时，光子能量之后发生跃迁，同时释放出能量，其主要体现在金属材料的导电性方面，非金属中的晶格能较大，电子不能随意移动，因此涂层有着高半球发射率，同时非金属的发射率一般是随表面温度的上升而减小。使用便携式辐射率仪进行半球发射率测试是在室温条件下测试相对于黑体辐射的一个相对值，因此无法准确衡量表面温度对发射率的影响。分别制得两块试板C和D。两块试板的制膜区别是C使用空心玻璃微珠作为隔热中涂层，因为仪器具有加热功能，以此获得一个相对高的表面温度。

图8 不同中涂层半球发射率测试图

从图8可以得出，使用空心玻璃微珠作为中涂层进行制板的试板C的半球发射率低于试板D。由于玻璃微珠是中空结构，作为填料使用可以达到降低中涂层的导热系数，更能阻止热量向基材或建筑内部空间传递热量，这样涂层热量向外进行辐射，使得涂层表面的温度得到提高，试板的半球发射率出现降低。但受限于测试仪器，仍然无法准确获得发射率和温度关系。

2.8 涂膜施工方式对半球发射率的影响

同一涂料采用不同的施工方式，进行发射率测试的比较，分别使用了刷涂，喷涂，刮涂进行测试。

   

图9 不同施工方式对比图

刷涂和刮涂的半球发射率稍低于喷涂的试板。原因可能是由于喷涂的施工方式相较于刮涂和刷涂，涂层更加致密。同时喷涂法在高PVC涂料施工过程中，涂膜表面更易暴露裸露的颜填料粒子，使半球发射率得到提高。

3 结论

半球发射率是建筑反射隔热涂料中一个重要的功能性技术指标。通过上述试验可以发现半球发射率的高低主要受颜填料的固有特性（晶体结构、粒子形貌等）、涂层的表面状况、涂层厚度等方面的影响。因此高发射率的涂料必须从这几方面入手，提高涂层的发射率。同时和高反射比和低导热中涂层相互结合来保证涂层的隔热温差性能，满足节能减排的要求，以达到降低能耗的目标。

参考文献：

[1] 曹鼎汉， 《基尔霍夫辐射定律及其应用》；

[2] 冀中详，《便携式半球发射率测试仪设计》；

[3] 张建贤等， 《高发射率涂料的研究及应用现状》；

[4] 李俊峰、罗正平，《表面粗糙度对高辐射涂层发射率的影响》。

 

 

文章转载自《上海涂料》2021年第59卷第2期