涂料化学家和涂料配方商面临的挑战是,不仅要开发耐用和美观的产品,还要解决可持续性问题并增加功能。红外反射(IR)颜料技术通过开发能够减少能源使用并满足建筑规范相关认证和要求的涂料,解决了可持续性和功能性的需求。红外颜料主要有三类,它们具有不同的工作机制,可以单独使用,也可以一起使用以获得最大的性能。本文旨在介绍颜料的基本性质,以便更好地了解它们如何用于完全配制的产品。

首先,需要对整个太阳光谱有一个基本的了解。标准涂料主要与颜色有关,这是由可见光和紫外线波长决定的,紫外线波长会影响油漆或涂料的耐久性。太阳光谱的近红外(n-IR)部分经常被忽略。紫外线(295- 400nm)光谱只占太阳能量的一小部分,其余的能量大约被分为可见光(400- 700nm)和不可见的近红外(700- 2500nm)光谱的一半。

图1中显示了该分布的一个示例。这大概是一个5800k的黑体的辐射分布,但是减少了我们大气中的吸光度。

当我们将这个照明光谱与黑色和白色的反射光谱进行比较时,就可以看出它的重要性。图2显示了用于测试涂料颜色和不透明度以及这些实验中使用的衬底的未使用的拉深卡的白色和黑色部分的反射率曲线。白色部分反射(不吸收)光谱可见部分的光,并不断反射回n-IR范围内。由炭黑制成的标准黑吸收(不反射)可见光波长,并持续吸收到光谱的n-IR部分。我们都知道,当白色物体暴露在阳光下时,它的温度会比黑色物体低。人们通常更喜欢深色、更饱和的颜色,因为它们比纯白色的物体更有美感。最理想的是一种材料,它能吸收可见的深色,但在不可见的n-IR中反射,保持温度较低。

在图3中可以看到这是如何工作的一个例子。这两张图片都展示了两个房子模型。这两个房子都在钢基板上涂有PVDF/丙烯酸涂层。虽然这两套房子都是同样的深蓝色视觉颜色,在视觉上无法区分彼此,但热成像图像可以感知两个屋顶在夏天暴露在阳光下的温度。左边的屋顶是用标准颜料制作的,右边的屋顶是用红外颜料制作的。温度的差异是由于右边的屋顶反射了不可见的n-IR能量,这使得它保持凉爽。

一种材料在整个太阳光谱上反射阳光的能力被称为太阳总反射率(TSR)。在不透明度图表的例子中,白色部分的TSR为83%(0.83),黑色部分的TSR为6%(0.06)。两种可见颜色相同的屋顶模型,标准屋顶的TSR为8%,红外颜料屋顶为28%。这20%的TSR差异给这个夏天的屋顶带来了大约13°C(23°F)的差异。表面温差是由TSR差异驱动的,但也受到物体朝向太阳、环境温度和屋顶上由风引起的气流的影响。这种表面的温差可以减少传递到建筑内部的热量(取决于建筑结构),在那里热量必须通过能源密集型的HVAC系统去除。除了整体减少能源使用的潜力外,对暖通空调能源需求的减少可以减少峰值能源需求,而峰值能源的生产和规划在能源电网上是非常昂贵的。关键是,这项技术允许人们拥有相同的习惯屋顶颜色,而不牺牲美学,纯白色。

在红外颜料家族中有三种不同的颜料技术。它们是:

  • 无机IR-reflecting黑色;
  • 有机IR-transmitting黑色;而且
  • IR-optimized二氧化钛。

这三种技术都可以用来降低有色材料相对于标准颜料的温度,并且可以通过组合使用这些颜料来优化它们的性能。188金宝搏bet官网

无机ir反射黑色颜料

无机红外反射黑色颜料是目前使用的红外颜料的核心。它们被归类为CI色素棕29,是CICP(复合无机色素)家族的一部分。当氧化铁等简单氧化物在色彩上太过限制,有机颜料颜色不够稳定时,这些颜料是建筑材料的标准颜188金宝搏bet官网料。红外特性是颜料化学中固有的,不会随着时间的推移而降解或迁移。自20世纪80年代以来,这些颜料已用于其红外特性,以减少窗户和墙板上刚性PVC的太阳热诱导翘曲。在20世纪90年代末,它们是美国环保署“能源之星”项目中“冷屋顶”产品的主要技术。在印度,它们还被用于乙烯基座椅套,以保持摩托车座椅更凉爽、更舒适,同时拥有更长的使用寿命。

蓝色红外黑的主要颜色特性见表1。在之前提到的黑白测试面板(DFT为2 mils/50微米)上,在溶质丙烯酸树脂体系中测试石质中的PBr29时,得到了深色的L*值,较低的a*值和负的b*值。P:B(颜料:粘结剂w/w)比值在0.1 ~ 1.2之间变化,表明颜料的隐藏能力。如表2所示,PBr29在P:B为0.3到0.6之间获得完全不透明度。有趣的是,在这个范围内,石质岩L*值也有一个最小值(表1)。当P:B增加时,石质岩L*略有增加。这可能是由于PBr29的高折射率给可见光带来了一些散射,压倒了吸收。

虽然PBr29获得了大约P:B=0.4的视觉不透明度,这些薄膜还不是IR不透明的。通过在黑色部分和涂有不同P:B负载的白色部分上取TSR读数,TSR读数有差异。这种差异可以表示为黑色的TSR与白色的TSR之比。TSR不透明度考虑了整个太阳光谱,而不仅仅是n-IR中的比例。

TSR黑色

TSR透明度 = -------------------------

TSR /白色

测量每个涂膜面板的TSR,计算TSR不透明度差异(表2)。

这种视觉不透明度的小差异和TSR不透明度的大差异的原因可以通过图4来解释,图4显示了每个涂覆面板的反射曲线,在白色和黑色上测量。实黑线表示面板黑色部分的反射率,虚线表示面板白色部分的反射率。较高的颜料量用较粗的线条表示。纵轴显示了涂层在每个波长下反射的太阳能量的多少。低负载的P:B=0.1面板在可见光的反射率有差异,显示缺乏视觉不透明度。所有其他载荷的可见反射率曲线重叠,表明涂层是视觉不透明的。一旦超过700纳米范围,曲线就会发散。负载最高的涂层差异最小;可以看出,基质效应仍然存在。

查看所有的值,我们可以看到,最佳的涂层颜色和TSR将是在白色基材上P:B=0.4。如果同样的涂层被应用在吸收能力更强的基板上,那么TSR读数几乎可以降低9%。如果被覆盖的衬底是未知的,或已知吸收IR,增加P:B将导致更高的TSRs。

造成这种视觉和红外不透明度差异的原因是,虽然它们通常被称为IR反射颜料,但它们实际上是散射n-IR光。由于可见光谱中的着色机制是一种较强的吸收机制,它比红外光谱中较弱的散射机制对可见光的影响要快。由于红外范围是很大的散射,只有很小的吸收,光可以透过薄膜,直到P:B比足够高。虽然在商业上可能不可行,但PBr29红外黑的低吸油率和树脂需求足够低,P:B比可以推到2.0:1,仍然有相当高的光泽和良好的流平。

PBr29颜料具有红外散射特性,而perylene black (CI Pigment black 32)颜料没有明显的红外散射特性,依靠红外透过率实现高TSRs。

有机红外发射红外黑

当观察PBk32涂层的反射率曲线时,可以看到这种行为与PBr29类似。PBk32是一种有机颜料,在视觉上具有很强的吸光度,即使在低P:B负荷。这可以在图5中看到,其中所有的线都在可见区域的上方。在n-IR区域,线在700 nm处发散,刚好超过可见的n-IR边界。涂层测量的白色部分显示非常高的反射率,而薄膜测量的黑色基板显示非常低的反射率。这表明PBk32在n-IR区域的散射能力非常小。

从颜色上看,PBk32灰岩的L*值较低,b*值为负。对于微绿色的色调,它确实有一个负的a*值(表3)。从表4中可以看到,PBk32获得视觉不透明度很快,但红外不透明度从来没有上升很高。这些视觉和红外特性可用于创建具有高TSRs的深色。可以看出,P:B= 0.1将给出视觉不透明度和TSR超过40。PBk32的主要问题是,它是有机的,通常不像无机颜料那样具有固有的持久性。这一点尤其适用于建筑产品的外部使用涂料。最关键的问题是,如果涂层是在任何基材上,但不是一个ir反射,TSRs可以非常低。pbk32在受损时也有转变为红色色调的倾向。如果涂层被粗暴地处理和磨损,这就会表现出来。测试PBk32是否存在的一个简单方法是在涂层表面摩擦一枚硬币。

图6考察了两种红外黑色颜料在不同基质上的颜料负载关系。垂直轴绘制了PBr29和PBk32的TSR测量值,水平轴绘制了它们的P:B比。由于两种颜料的比重不同(1.5 vs 4.9),这里的负载差异被夸大了。实线表示覆盖在卡片黑色部分的涂层,虚线表示覆盖在白色部分的涂层。在每一种颜料获得视觉不透明度的地方用红色箭头标出。从图表中可以看出:

  • PBk32在较低的P:B比下获得视觉不透明度;
  • 当过黑或过白时,PBk32的差异比PBr29大;
  • 如果涂层过白,PBk32会产生较高的TSRs;
  • 如果在吸收基板上,PBr29会给出更高的TSR;
  • TSR可以通过优化视觉和红外不透明度的颜料加载来最大化。

由于吸油量的差异,PBr29可以加载在较高的水平,以减少基体对TSR的影响,而不影响涂层性能。

选择的黑色彩虹

PBr29红外颜料有一系列不同的版本。红外黑的三个主要特性是灰岩喷射度(用Ma*值测量),TSR和着色强度(用TL*测量)。这些特性是由色素化学、颗粒大小和其他因素驱动的,因此这三种特性成为一种平衡行为。这就产生了一系列的产品,或者油漆和涂料开发商的“黑色彩虹”选项。最明显的区别是石质的颜色。为了便于比较,PBr29产品中的两个主要细分将它们的反射率曲线绘制在图7中。两种色素在可见光波段都有很好的吸收,但暖色调的版本在700 nm左右可见波段和n-IR波段的过渡区附近有轻微的反射率增加。n-IR的反射率曲线略有不同,这是由于性能的特定平衡的优化。

在可见TSR和整体TSR中定量测量颜色和TSR差异,并将其放入表格中(表5)。这些面板在PB=1.2的条件下运行,薄膜厚度为5 mels(125微米)。在石英岩中,两个面板的L*值都很低,但暖色调的黑色有较高的a*和b*值。两种色素都具有较高的TSRs。

颜色上的较大差异可以在颜色的颜色数字上看到。当在相同的白黑比下调低时,暖色调黑在不同调低比下的显色L*要低得多(表6)。

不同于观察一个固定的衰减比,颜料之间的相对着色强度差异可以通过保持着色L*不变并确定达到相同L*值所需的黑色颜料的数量来确定。选择蓝色的IR黑4:1 (w:b)作为标准,暖色调的IR黑用于匹配L*值。L*值的匹配只需要0.43份暖色调IR黑,而标准则需要1份完整的蓝色调IR黑。这表明,它只需要不到一半的暖色调黑色就能得到和蓝色一样的L*值。这种色调强度优势是由暖色调红外黑与蓝色红外黑相比较小的粒径所驱动的。暖色调的IR黑等L*色也有较高的a*和b*值,提供了一种温暖的色调,通常在建筑产品中流行。在相同的L*色调下,暖色调变体的TSR也略高(表7)。

对于需要红外反射率的高耐久性涂料,CICP PBr29产品是高耐久性的主要产品。根据应用的不同,有一种变体可以平衡石质颜色、TSR和着色强度的属性。对于石质应用来说,这种蓝色红外黑变体是一个特殊的例子,它最大化了石质的颜色和TSR。它以一种容易分散的形式来达到这些性能,而不需要研磨颜料,这可以降低粒度,减少喷气度。将颜料研磨工序去掉,减少了污染的可能性,降低了TSR。容易分散的颜料使这种红外技术可以在实验室中快速地融入到新的配方中,然后在生产中容易迅速地扩大规模。对于建筑产品中常见的需要中色调暖色调的产品,暖色调IR PBr29具有性能和经济优势。

IR-Optimized TiO2

虽然黑色颜料从炭黑到红外黑以及针对特定应用的优化已经发生了变化,但白色颜料在红外优化方面也取得了进展。虽然标准TiO2(PW6)通过设计其颗粒大小来反射可见光,以最佳地散射那些可见波长,已经开发了具有更大粒径的变体,以最佳地散射较长波长的n-IR光。

这些产品之间的质量差异可以在图8中看到。和前面一样,实线表示不透明度卡片黑色部分上的白色涂层,虚线表示卡片白色部分上的反射率。较粗的线表示较大的ir优化TiO2.两种版本都有良好的紫外线衰减耐用性。在可见光波段,两种颜料都能很好地反射,但曲线的形状有所不同。在白色之上,差别被下面的白色衬底掩盖了。在黑色部分的标准TiO2通过最大反射率刚刚超过400纳米,并从那里开始下降,可以看出太阳对散射蓝色波长的偏好。的IR-optimized TiO2有一个更平坦的反射率曲线和整体较少散射在可见光部分的光谱。这种散射的一个有趣的附带好处是,当在透射中检查时,蓝散射标准TiO2看起来比红外望远镜要黄得多2,会使可见光散射得更中性。这意味着在后面照明的应用,如标牌,或漫反射天窗或用于遮阳的薄膜,将与红外TiO的色调显得更加中性2

当检查曲线的红外段时,IR优化版本比标准白色有更高的反射率,特别是当对比过黑段时。这显示了ir优化TiO的优势2

当观察不同P:B比下的视觉和TSR不透明度时,可以看到这种散射区域的差异。标准TiO2具有较高的视觉不透明度,任何水平的色素装载。考虑到TSR不透明度看完整的光谱,包括视觉不透明度,红外优化的白色在任何颜料加载有更高的TSR不透明度。ir优化版本获得TSR不透明度也比标准TiO更快2(表8)。

除了不透明度的差别之外,两种TiO之间还有颜色的差别2版本。标准TiO2具有较高的L*,因为它在可见光中散射更大。因为标准TiO2它的b*值比ir优化的白色低得多,后者的色调更黄(表9)。

虽然用IR黑替换标准黑可以获得较大的增益,但IR优化的TiO2与标准TiO2.有许多不同大小的TiO2优先散射特定波长的产品。而CICP IR黑色可在“黑彩虹”,TiO2在“白色彩虹”选项的变体可用。利用红外黑颜料和经红外优化的TiO也可获得一定的增益2特别是当涉及到减少深色基材对涂层TSR的影响时。

IR black with TiO2优化属性的选项

表10显示了一系列中色调面板的颜色和TSR。该系列的标准是4件标准TiO2白色和1部分蓝色的IR黑色。该色调具有极好的色调与负b*和a*绝对值。这种颜色,基于L*,匹配在一个循环型测试的perlene黑,标准TiO2和IR-optimized TiO2.在P:B=0.8时,白色色素含量保持不变,黑色色素含量变化。

第一个匹配是使用ir优化的TiO2配上深蓝色。也许要注意的最大区别是握TiO2常数,只需要0.47部分的蓝色阴影IR黑就可以匹配标准的L*值。这可以用ir优化TiO的散射降低来解释2在可见的。因为这是IR TiO2可见光的散射比标准TiO2, IR黑的吸收使L*值降低更快。

下一个面板是用标准TiO的聚乙烯黑制成的2.再次保持白色颜料的浓度不变,我们可以看到,只需要0.29份的perlene就可以匹配1份蓝色IR黑的L*值。自从TiO2是一样的,这个面板显示了PBk32和PBr29之间的区别。这意味着从强度基础上(在相等的L*值上),PBk32比PBr29强3.5倍左右。

最后一块面板是匹配标准TiO的L*制作的2和蓝色红外黑色面板与苝黑与红外优化TiO2.0.15组分的低负载,是perylene black的标准白色的一半,表明其相对较高的着色强度,以及ir优化TiO相对较低的可见散射2

虽然所有的颜色都在相同的L*值,但a*和b*值存在差异。标准PBr29的标准TiO是最蓝的2.最大的变化是b*值,所有其他颜色的蓝色都低于标准。与CICP IR黑相比,用perlene制成的颜色本质上更绿。关键是要知道,从一种黑白组合切换到另一种组合会有固有的颜色变化和黑到白色素沉着的变化。黑色颜料有不同的吸收面积和着色强度2白色,由于它们不同的最大散射区域,有不同的“蜡染”强度和色调。

所有这些面板都是基于5 mil(125微米)胶片在0.8条件下的白色的P:B。这是有趣的观察TSR在白色和黑色和TSR不透明。图9给出了颜料如何协同工作以及如何最大化涂料性能的一些见解。在这个表中,三个值(TSR /黑色,TSR /白色和TSR不透明度)的最大值分别为红色,中间值为灰色,最小值为黑色。

  • 标准TiO2和基于pbr29的色调相比黑色和白色有最低的TSRs。
  • PBr29和IR TiO2具有最高的TSR对比度。
  • 黑色和标准TiO2TSR对比度最低。
  • 带红外TiO的苝黑2TSRs高于黑人和白人。

颜料的散射、吸收和透明度的固有特性解释了这些差异,并可以说明在制作更复杂的颜色混合时会发生什么。

标准TiO2而基于PBr29的颜色相比于黑色和白色具有最低的TSRs,因为PBr29具有n-IR散射,但也有轻微的n-IR吸收。标准TiO2的红外散射比红外TiO2,因此是整体TSR值最低的。这将是最容易实现的,因为它只需要将标准黑色替换为IR黑色,并使用标准TiO2.它也有一个中性(虽然弱得多)的色调,最像炭黑。

PBr29和IR TiO2具有最高的TSR对比度,因为IR TiO2和PBr29有助于散射。PBr29对n-IR也有轻微的吸收,这有助于提高TSR对比度。这种组合将基于可变基底反射率给出最一致的TSR。

黑色和标准TiO2具有最低的TSR对比度,因为PBk32是n-IR透明的,不添加散射或吸收的颜料混合物。标准TiO2的n-IR散射比ir优化的TiO2,所以它们一起是最小的n-IR阻塞。这种组合最容易受到不同基质反射率对最终TSRs的影响。

带红外TiO的苝黑2具有最高的TSRs比黑白,因为ir优化TiO2具有最好的n-IR散射,PBk32是n-IR透明的。两者的混合形成了IR TiO的n-IR反射率曲线的形状2,高于标准TiO2和PBr29,它是散射的,但也轻微吸收IR。主要问题是确认耐候性能足以满足这种黑白色调的要求。

这12个TSR值和TSR不透明度基于四种不同颜料的散射、吸收和透明度体现了将决定更复杂颜色配方性能的影响。

图10显示了可见光谱和部分最相关的n-IR光谱的反射率曲线。已注意到许多方面支持上述说法。

结论

红外颜料允许涂料配方商和涂料化学家开发差异化和功能性涂料。在该技术中最重要的是,无机PBr29变体提供了TSR、耐久性和衬底独立性的最佳平衡。PBk32和ir优化TiO2可用于产生优化的TSR性能,但分别存在潜在的耐候性能和成本限制。应用程序的最佳解决方案将取决于特定的TSR、颜色、成本和耐久性要求。PBr29红外黑化学的特殊商业变体以容易分散的形式提供,可以在实验室中快速并入新配方,同时易于扩大生产规模,无需昂贵和可变的颜料研磨步骤。

本研究介绍了红外颜料的基本知识。这些颜料的特定散射、吸收和特性及其影响可以用来理解更复杂的颜料混合物、对TSR性能的影响,以及最终如何将该技术应用于现实应用。树脂、配方和制造的变化,以及TSR之外的应用和预期的最终涂层性能,如耐候性、成型性和其他性能,超出了本文的范围,在加入任何新原料时应进行验证。