红外反射色素沉淀技术和涂料的未来,第2部分:技术| PCI背后的科学杂志

图1

涂料是利用视觉美化和功能保护的能力很多类型的材料,如金属、树林和复合材料。188金宝搏bet官网最近在专业的红外反射色素科技上的进步使涂料配方设计师,因此原始设备制造商或承包商,传授一个额外的功能。这个功能可以提高产品的整体价值。这个功能是能够反映出无形的热能而实现所需的可见颜色。热能反射的结果在一个稍低底物暴露在阳光下。较低的衬底温度直接影响减少建筑物的冷负荷,例如,当用于屋顶的应用程序。高红外反射率的基质导致其他好处,如减少弯曲,减少了热循环,减少化学降解和改进的安慰与底物直接接触的人。

本系列的第二部分讨论了红外反射色素技术背后的科学。在本系列的第三部分中,应用程序的技术审查。

阳光

每个人都熟悉的阳光。阳光温暖我们,给地球上的生命蓬勃发展的机会。它变暖直接或间接所有对象,包括:空气,水,房子,汽车,道路,动物,树木,草地和微生物。人类生活在地球上,一个是欣赏阳光但可能希望减轻它带来的影响。阳光港口有害紫外线辐射损害所有类型的基质,以及一个非常私人的:我们的皮肤。阳光还包含无形的温暖物体的热辐射,有时不舒服,常常无法接受的水平。

阳光是由电磁辐射的三个类:紫外线(UV),可见(VIS)和近红外(NIR)。阳光到达地面的能量成分被称为地面太阳能辐照度。表达的电磁能量的波长范围在微米(1000000米)和纳米(一米的1000000000)。

图2

地面太阳能辐照度

地面太阳能辐照度被定义为电磁能量的总量从太阳到达地球的特定区域单位时间内每单位波长。通常表示在瓦特每平方米,每纳米如图1所示。

一个可能希望知道的总能量,或入射能量,单位时间内达到一个特定的区域。总入射能量积分(曲线下的面积)的地面太阳光谱辐照度。ASTM G 173 - 03年综合数学时,由此产生的价值大约900瓦特/平方米。这个州一平方米表面直接暴露在阳光下发光光谱图1所示,将获得900瓦特,或900焦耳的能量/秒。

紫外线能量入射能量的阳光总数的5%。可见光是总入射能量的42%,和近红外光线入射能量总量的53%。一天中不同的时间、地点和环境大气条件在太阳能光谱功率分布的测量将决定实际能源崩溃。²当紫外线、可见光或近红外辐射吸收,产生的热量。紫外线辐射也被称为电离辐射;它有能力产生自由电子,因此自由基、分子振动或热量。可见光和近红外辐射吸收时,也产生热能。³减少衬底接触太阳能地面辐照度的温度,一个人必须最大化总太阳能反射率对于一个给定的颜色空间。

总太阳能反射率

总太阳能反射率(TSR)是一个衡量事件地面太阳能从一个给定的表面反映出来。当用数学表达,总太阳能反射率的积分反射率百分比乘以太阳辐照度除以太阳辐照度的积分。这个方程是集成在280到2500纳米范围:

总太阳能反射率可以表示为一个百分比。白色涂料表现出总太阳能反射率75%或更高。白色涂料,总太阳能反射率为75%,根据定义会吸收入射能量的25%。黑色涂料,根据色素炭黑,可能有一个总太阳能反射率低至3%,因此,太阳能将吸收97%的事件。

总太阳能反射率从反射率数据可以计算出从UV-VIS-NIR获得积分球分光光度计。ASTM E 903概述了标准测试方法确定太阳能吸收率,反射率和透射率的材料使用积分球分光光度计。188金宝搏bet官网⁴

总太阳能反射率测量也可能从太阳能获得光谱反射计(SSR,图2),如提供设备和服务。ASTM C 1549利用SSR在确定基质的太阳能反射。

图3

黑体辐射

最大化的好处红外染色技术需要一个理解发出辐射。物体辐射作为温度的函数。最大化的发射率涂层允许将更多的能量辐射的表面。这个结果在一个冷却受益。了解发射率,必须审查的概念黑色和灰色的身体散热。

黑色的身体,根据定义,吸收入射辐射。黑色的身体也会发出电磁辐射作为温度的函数。马克斯·普朗克创建了一个数学公式黑体的光谱辐射excitance每波长与温度相关的身体。这是普朗克黑体辐射定律。

每个波长的光谱辐射excitance每平方米(M²)= M_e:⁵

我= (c / 4) ueλ(瓦特/ (M2 * M)) (2)

h =普朗克常数(6.626176 X 10-34 J *_年代)
c =光速(2.99792458×108 M *_年代¹)
k =波尔兹曼常数(1.380662 X 10-23 J * k¹)

地点:
ueλ= 8πhcλ⁵(e^{hc / kT}λ^{- 1})¹(J *米³)(3)
在k T =绝对温度
在米波长λ=

(注:将米_e瓦特/ (M^{2 *}海里),乘以1 X 10⁹)

普朗克定律可以证明了火加热一根金属棒。随着杆的温度增加,将开始出现红杖从发出辐射。当温度进一步上升,杆的颜色将从乏味的红色更有活力(蓝)波长。图3说明了黑体的光谱辐射excitance以不同的绝对温度。

所释放的总能量从黑体辐射器在所有波长不变的绝对温度以开尔文表达在瓦特每平方米斯蒂芬玻尔兹曼定律:⁶

能量释放=σ(T⁴)(4)

地点:
σ=斯蒂芬玻尔兹曼常数
= 5.670 400×10⁻⁸W·m²·K⁴
在开尔文T =绝对温度

图4显示了黑体的发射能量/平方米散热器温度中遇到每一天的生活。从情节可以看出,温度的黑体辐射器200°F释放出大量的热能(超过1000瓦特/平方米)。

图4

灰体辐射

完美的黑色尸体很少存在于自然。对象通常偏离黑体的发射率部分,和被称为灰色的身体。灰色的身体偏离度从一个完美的黑体辐射器由一个定义分数表示的发射率(e < 1)。更值得注意的是灰体的发射率不是波长的依赖,因此常数。在现实中,一个物体的发射率取决于波长和角度的观察;强度随测量角度和测量波长。 ⁷ 这个角度和波长变化的原因是相关材料的电导率和表面扩散系数和解释电磁波理论。 ⁸

表1

发射率

表面发射率越大,越低热量构建对象,当所有其他变量保持不变。配方设计师,这个因素是相当重要的,作为一个必须最大化设计红外反射时发射率涂料;一个物体发射率越大,物体越大辐射电磁能量的能力。emissometer发射率测量。几种不同类型的emissometers是可用的。标准试验方法测量表面的发射率是ASTM E 408。表1显示了几种常见对象的辐射率。图5是一个设备和服务的照片emissometer用于发射率测量。

图5

建立热测试

ASTM D 4803是一个测试方法预测外部的热量积聚对象(对象暴露于太阳)在实验室。这种测试方法包括将上面的样品要测试一个热电偶放置在一个绝缘盒。样品暴露于250瓦热灯直到达到热平衡。由此产生的温度增量高于环境用于计算预测热构建关联实际暴露外表面的温度。ASTM D 4803年为乙烯基板设计的,但它可能适用于其他涂层和复合基质。 ¹⁰ 图6是一个例子的ASTM D 4803 - 97热构建器。

图6

不透明度和光散射

被定义为不透明涂层面具一个底物的能力。透明度是一个函数的反射、吸收和散射光。着色膜,反射和散射光的折射率直接相关色素和颜料周围的介质或聚合物。色素之间的折射率差异越大,聚合物基质中,更大的是电影来反映和散射光线的能力。值得注意的是,折射率是波长的依赖。光散射效率也直接关系到入射光的波长的关系,和颜料粒子的形状和大小。

红外反射涂料必须制定与衬底的仔细考虑。如果衬底高度吸收,配方设计师必须试图实现完全的透明度,以防止通过电影传播光能量底物。当应用红外反射色素技术配方设计师必须认识到,涂层可以实现电磁波谱的可见区域的不透明性,然而,它可能是半透明的近红外。如果不能得到的完全不透明,利用白色基地总太阳能反射涂料将会改善。任何光线传播通过夹大衣将反映底漆,底漆是假设,就其本身而言,不透明。

结论

红外反射色素技术可以用来减少热量构建对象暴露在阳光或其他辐射能源,导致局部能量效率和物理性能属性增强,包括视觉上吸引人的颜色。

能源效率获得了利用红外反射产品增加现有产品的价值将新的色素沉淀技术。实现最大的红外反射利益,实现最低的热量积聚的表面,构建必须:

最大化总太阳能反射率和表面发射率;
避免与高度吸收红外反映产品的污染产品;和
考虑整个涂层系统和衬底的影响最大化性能。

红外反射色素技术被证明能减少热塑性变形,同时实现黑暗和彩色的颜色比之前实现利用传统的色素沉着。

更多信息,联系大卫·m·海德涂料过程开发工程师,通过dhyde@plasticolors.com;本杰明·阿诺德,市场开发经理,通过barnold@plasticolors.com;伊丽莎白·坎贝尔,产品开发经理,lcampbell@plasticolors.com。

引用

1 www.ASTM.org, ASTM g - 173 - 03

2霍尔曼,摩根大通(J.P.传热,第二版。麦格劳-希尔,1990;页471 - 472。

3 Fessenden,效力;Fessenden, j.s有机化学,6日ed。布鲁克斯/科尔出版,1998年;892页。

4帕克,科学博士:McIlvaine, J.E.R.; Barkaszi, S.F.; Beal, D.J.; Anello, M.T. Laboratory Testing of the Reflectance Properties of Roofing Materials (2000), FSEC-CR670-00, Florida Solar Energy Center, Cocoa, FL.

5 Wyzsecki, g;至此,斯泰尔斯,颜色科学的概念和方法,定量数据和公式,第二版。约翰•威利父子,1982;11 - 12页。

6霍尔曼,摩根大通(J.P.传热,第二版。麦格劳-希尔,1990;页390 - 393。

7霍尔曼,摩根大通(J.P.传热,第二版。麦格劳-希尔,1990;页390 - 392。

8霍尔曼,摩根大通(J.P.传热第二版。麦格劳-希尔,1990;401页。

9 http://snap.fnal.gov/crshield/crs-mech/emissivity-eoi.html

10因,E.B.;Quisenberry J.G.;萨默斯J.W. Prediciting热量积聚由于太阳的能量,j .乙烯技术。1983年,5卷,3号。