太阳反射着色剂| 2013-10-01 | PCI杂志 - 188bet搏金宝,188金宝搏bet官网

使用太阳反射涂层的目的是将大量的太阳辐射从彩色表面反射出去，以保持它们的凉爽。较冷的表面在许多方面对材料和用户都有好处。188金宝搏bet官网在炎热的气候中，它们可以通过降低对空调的需求来帮助降低能源成本。建筑材料中的热应力降低，从而有助于提高温度敏感材料的耐久性。188金宝搏bet官网衣服、头盔或其他与人体皮肤接触的物体上较冷的表面对工作或参加休闲活动的人同样有吸引力。最后，为了保护环境和限制所谓的城市热岛效应，一些国家限制或法规已经强制应用太阳能反射表面。

“太阳能热管理”是应用太阳能反射彩色涂料时使用的术语。这意味着热量的积聚是最小化的，同时，表面颜色与所需的效果相匹配。太阳能热管理可用于许多应用，包括建筑和装饰涂料应用，如屋顶，façades，外部保温整理系统(EIFS)或窗框。它同样适用于建筑或海洋应用中使用的一般工业涂料，或在休闲领域，包括户外家具。汽车和运输应用包括车身和零件、座椅、仪表板、火车、公共汽车、卡车或大篷车。

本文综述了近红外(NIR)反射色素在着色剂中保持物体冷却的功能。讨论了影响着色剂热反射性能的因素，特别关注了如何测量太阳总反射(TSR)值以及可以从测量结果中得出的结论。下面提到的太阳能反射着色剂和Novapint D façade着色剂是由Chromaflo生产的。

太阳能反射率

太阳反射涂层的目的是最大限度地提高被涂层表面的太阳反射率。反射率是通过辐射通过色素粒子的物理后向散射来实现的。这是众所周知的可见光谱范围，其中颜料的光谱散射控制着它们的颜色外观。然而，太阳辐射不仅包括400 ~ 700 nm的可见光谱，还包括UV (< 400 nm)和NIR (700 ~ 2500 nm)。后者占总辐照太阳能的50%以上。

计算太阳总反射率

要量化彩色薄膜的太阳反射率，需要了解其在整个太阳光谱范围内的反射率。图1给出了颜料棕24 (PBr 24)的一个例子。将光谱辐照度与光谱对应的色素沉淀反射率相乘，可得到每个波长的反射功率，通常以5 nm的步长进行。从300nm到2500nm连续求和，对入射太阳能总功率进行归一化，得到了着色膜对入射太阳能的总反射率。这就是TSR值(有时称为SR值)。对于PBr 24“在白色衬底上”的反射光谱(图1)，使用太阳光谱计算的结果是TSR为64%。

TSR通常以百分比表示。典型的白色涂层表现出75%或更高的太阳总反射率。根据定义，总太阳反射率为75%的白色涂层将吸收25%的入射能量。基于炭黑色素的黑色涂层的TSR可能低至4%，因此将吸收96%的入射太阳能。

太阳光谱范围内的色素物理

颜料粒子的散射效率是粒子直径与散射辐射波长之比的函数(散射效率=粒子直径/散射辐射波长)。

根据图1，颜料在可见光谱范围内的散射足以造成完美的隐藏:在黑色和白色基底上的反射率是相同的。然而，与颜料粒径相比，辐射波长越长，颜料的散射能力越差。在PBr 24的情况下，大量的近红外辐射可以通过着色膜传输到衬底上。如果基底被吸收，辐射就会粘在那里(“黑”)，否则就会被反射。因此有两个独立的TSR值:白色64%，黑色55%。这种效应仅由近红外引起。仅由可见波长引起的颜色外观在两种基材上保持相同。

型双门面

建筑师似乎有无尽的选择，当涉及到façades的商业建筑和住宅。不仅有许多不同颜色和纹理的材料可供选择，而且还有188金宝搏bet官网许多环境和功能特性需要考虑。今天，EIFS是一种流行的、高效的建筑隔热方式，可以实现显著的节能。

EIFS是一种多层外墙系统，在全球的商业建筑和家庭中都有应用。它们提供卓越的能源效率，并提供比其他包层产品更大的设计灵活性。虽然外观与灰泥相似，但EIFS是由组件和安装要求组成的外部包层系统，与传统的灰泥非常不同，如图2所示。

虽然有多个EIFS系统制造商，但它们通常由以下五个组件组成:

绝缘板，由聚苯乙烯或聚异氰脲酸酯泡沫制成;
一种特殊配方的粘合剂和/或绝缘到基材的机械附件;
玻璃纤维增强网;
一种耐用、防水的基础涂层，涂在绝缘材料的顶部，起天气屏障的作用;
一种有吸引力和耐用的表面涂层-通常使用丙烯酸共聚物技术-既不褪色又抗裂。

传统色彩选择

EIFS制造商指定选择光反射值(LRV)至少为20的面漆。不建议使用深色(LRV <20)。LRV是一种测量方法，它告诉你一种颜色反射了多少光，相反，它吸收了多少光。LRV的运行范围从0%到100%。零代表绝对的黑色，100%代表完美反射的白色。

当使用LRV小于20的丙烯酸饰面时，需要解决两个问题:

膨胀聚苯乙烯保温板可能损坏;
颜色较深的漆面褪色或变色的可能性。

第一个问题是功能问题，会影响EIF系统的性能。第二个问题是一个美学问题，它不会影响系统的性能，但不是理想的结果。

绝缘板可能损坏

大多数EIF系统中使用的泡沫塑料绝缘材料由膨胀或挤压聚苯乙烯板组成。聚苯乙烯板的生产商建议最高使用温度为74°C(165°F)。当温度高于这个值时，电路板开始变形。

因此，应避免在聚苯乙烯板上使用深色饰面，以防止损坏绝缘板。深色表面的能量吸收是需要考虑的因素之一，但考虑到整体气候和相关表面的方向也很重要。这就是为什么许多EIF系统制造商推荐LRV至少为30%的整理。在任何地理区域和气候下，在整个EIF系统中使用明度值为30或更大的颜色通常是安全的。

褪色

颜色的逐渐变化或褪色主要是由于涂层中使用的彩色颜料。轻质涂料通常由无机颜料配制而成。这些无机颜料往往颜色较暗，着色强度较弱，但非常稳定，不易在紫外线照射下分解。

为了达到较深的颜色，有时需要用有机颜料配制。在某些情况下，这些色素可能易受紫外光降解。如果需要使用某种有机颜料来达到特定的深色，如果这种颜料容易被紫外线降解，那么褪色几乎是肯定的。

LRV vs TSR

建筑师、建筑商或房主可能不想把自己限制在白色或柔和的颜色来装饰建筑物。最近的品味和趋势表明，对深色墙壁颜色的需求很高。

一种颜色的LRV仅表示该颜色的可见光将被反射多少。黑色的LRV为0%，吸收所有的光，这意味着黑色的表面会变得非常热。相比之下，白色的LRV为100%，可以保持建筑的明亮和凉爽。所有其他颜色都介于这两个极端之间。

另一方面，TSR值考虑了阳光照射的总能量，而不仅仅是可见范围内的能量。因此，两个物体在可见颜色上可能是相同的，但在近红外区域具有不同的反射特征，其中一个在暴露在阳光下时比另一个更冷。

这可能会导致两种颜色具有相同的LRVs，但热量积聚显著不同的情况，这取决于色素沉淀是否反映在近红外范围内。对于EIF系统，TSR或热反射率比简单的光反射率更重要。下面，我们将证明，通过使用专门开发的太阳反射颜料或具有固有良好TSR性能的常规无机颜料，可以配制出LRV值<30的深色。考虑到这一点，我们可以得出结论，当决定哪种颜色可以用于EIF系统时，LRV不应该仍然是唯一的因素。

nir -反射黑色着色剂Façades

由于TSR值涵盖了紫外线和近红外之间的整个辐射范围，黑色颜料的TSR值系统地低于白色颜料。炭黑是最常用的黑色颜料(PBk 7)，能强烈吸收不可见的近红外辐射。对于façades，包括EIF系统，我们建议使用含有无机颜料的着色剂，因为它们具有优异的耐候候性和耐光性。这就是为什么通常使用含有PBk 11和PBk 33等无机氧化物黑色颜料的着色剂。

2012年3月，Chromaflo推出了首款nir反射着色剂Novapint D-803，该着色剂含有巴斯夫(BASF)的功能nir反射颜料PBr 29(氧化铬铁)。由于Novapint D-803是单色着色剂，与炭黑相比，TSR值较高，黑度强度较低。Novapint D-803开发用于水基、高质量façade系统的工厂内着色，例如通过façades在屋顶上创建凉爽的表面。Novapint D着色剂与合成树脂、硅树脂和硅酸盐涂料和石膏兼容。

研究项目

由于我们无法找到预测不同黑色颜料的nir反射率特性的理论，我们建立了自己的研究项目，对不同黑色颜料的nir反射率进行合成和评估。Chromaflo的发现如下所示，涵盖以下领域:

不同黑色着色剂反射曲线;
不同黑色着色剂的热积曲线;
使用不同黑色着色剂配制的不同深浅(明暗)TSR;
TSR与表面温度的关系;
近红外黑色颜料与有机黑色颜料的污染研究
- 炭黑对白色涂料TSR值的影响
- 炭黑对近红外反射黑着色剂中TSR值的影响。

不同黑色染料的反射曲线

图4显示了黑色着色剂在调整亮度(L)值(在应用于黑白卡的半光涂层中，减少1/3，干层厚度为160微米)时的反射曲线(根据ASTM G 159-98，太阳光谱AM 1.5)。

在近红外范围(700-2500 nm)，含炭黑颜料(PBk 7)的着色剂的反射率最低，其次是含PBk 11和PBk 33颜料的着色剂。与传统的黑色着色剂相比，含有功能性NIR反射颜料PBr 29的Novapint D-803 NIR反射着色剂在太阳辐射的近红外区域具有相当高的反射率。根据这些反射曲线，可以计算出TSR值(表1)。

TSR不同的黑色阴影

表1显示了不同黑色颜料的TSR值存在显著差异。在这些深色区域，PBk 7和PBr 29之间的TSR值差异为21%。然而，这种差异在中色调和浅色色调上也一样大吗?为了验证这一点，我们测量了四种黑色颜料在三种NCS色调(浅、中、暗)下的TSR值。

图5显示了在三种NCS S色度(2000-N, 4000-N和7000-N)中，用PBk 33和PBr 29颜料取代PBk 7和PBk 11颜料(传统上用于着色系统)的效果。测试结果表明，在着色系统中，用nir反射黑色着色剂(D-803)取代传统的黑色着色剂对TSR是有益的，即使是在浅灰色阴影中。

不同黑色着色剂的温度分布

在热积聚测试中，在规定的条件下(从灯到表面的距离为60厘米)，通过暴露在1000瓦的卤素灯下，提高了着色表层的表面温度。此热积聚测试模拟了应用于外部基材上的含有炭黑的涂层的太阳辐照度。

为了更好地观察不同黑色颜料在着色剂中的温度效应，深灰色色系NCS-S 7000-N被匹配在透明涂层中。温度的升高与暴露时间的关系进行了测量。热积聚剖面如图6所示。

含有Novapint D-803 nir反射着色剂(PBr 29)的涂层具有更低的表面温度，-11°C(-52°F)，与含有黑色颜料(PBk 7和PBk 11)的类似涂层相比，暴露在相同条件下。减少热量积聚的优势可以与减少能源消耗相关联。该技术的好处还包括延长涂层寿命，并对防止EIF系统过早失效产生积极影响。因此，使用LRV值(光度)较低的深灰色颜色正在成为现实。

TSR值与表面温度的关系

从迄今为止进行的试验结果可以得出结论，高TSR值导致低表面温度，低TSR值导致高表面温度。这就引出了一个问题:TSR值与表面温度之间是否存在关系?图7显示了使用不同黑色颜料配制的有色NCS-S 7000n涂层的表面温度与TSR值之间的关系。该图显示，TSR增加10%对应地表温度下降约4°C。

涂料对TSR的影响

根据细分市场，不同质量和类型的涂料可用于façade应用，导致不同的颜料体积浓度(PVC)，固体含量和填料量。经常添加到涂料中，填料可以潜在地降低所产生的近红外反射率。同样重要的是要记住，即使少量的杂质也会对涂层的TSR产生负面影响。

图8显示了不同涂层类型和质量对NCS-S 7000N TSR值的影响。乳胶漆是目前所描述的所有测试所使用的参考涂料。选用的丙烯是一种高质量的涂料，其中的硅酸盐含有非常高的PVC。

除了涂料的质量和类型外，涂料的颜色强度(白度水平)也会影响色度的TSR。例如，使用带有TiO的涂料配制米白色色系(例如NCS-S 2000N)₂含20% TiO的涂料比含15% TiO的涂料需要更多的着色剂₂(使用着色剂的差异约为25%)。

不透明度

虽然涂层在视觉上是不透明的(或隐藏的)，但这并不意味着它也是近红外不透明的。为了测试本文前面的颜料物理部分中描述的理论，使用PBr 29着色一层透明涂层，直到达到50µm干膜厚度(5% PBr 29重量)的视觉隐藏。在白色和黑色衬底上测量TSR。增加层厚度，直到两种衬底上的TSR相等(近红外隐藏)。

图9显示了增加层厚时的TSR。在透明涂层中加入质量分数为5%的PBr 29，可在600 μ m左右获得近红外隐藏膜。当使用白色衬底而不是黑色衬底时，50 μ m的层厚有-15%的TSR差异，导致表面温度降低约6°C。

视觉不透明度和近红外不透明度之间的差异使得在不了解涂层的应用和用途的情况下很难预测涂层的TSR。含有炭黑的灰色底漆将比使用近红外黑色或白色底漆配制的类似底漆造成更大的TSR损失。

混合白色和黑色颜料

大多数灰色是由白色和黑色颜料和其他彩色颜料混合而成。图10说明了混合白色和黑色颜料对TSR值的影响。色素PBk 7的添加量仅为0.1%，TSR值降低近40%(相当于表面温度增加16°C)。

有机黑色颜料对nir反射黑色的污染

一个令人担忧的领域是，例如，炭黑颜料PBk 7会污染反射nir的黑色颜料PBr 29。图11显示了被色素PBk 7污染的Novapint D-803着色剂(PBr 29)。仅1%的污染就会导致TSR值降低10%，对应于+4°C的表面温度。

从这里我们可以看到，工厂和处理设备必须得到适当的清洁，以确保不会发生交叉污染，即使使用少量不反射nir的着色剂来遮蔽一批产品，也会对TSR产生严重影响。