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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2017-11-17 17:43
一、可見光和近紅外線都是電磁波，能產(chǎn)生反射、吸收、透射作用
地球上接收到的太陽(yáng)光線光譜按波長(zhǎng)不同可以分為三大部分， 即波長(zhǎng)為295~380nm的紫外區(qū)（UV）、波長(zhǎng)為380~780nm的可見光區(qū)（VIS）和波長(zhǎng)為780~2500nm的近紅外區(qū)（NIR），其分別占地球接收到的太陽(yáng)總能量的4%、43%和53%。其中近紅外光是陽(yáng)光照射到物體上致熱的主要來源。近紅外光（NIR）是介于可見光（VIS）和中紅外光（MIR）之間的電磁波，按ASTM定義是指波長(zhǎng)在780～2526nm范圍內(nèi)的電磁波。電磁波的劃分見下表：
從上表可以看出，可見光和近紅外線都是不同頻率（波長(zhǎng)）的電磁波，因此近紅外線也具有可見光的一般性質(zhì)，如遵從反射和折射定律，存在著干涉、衍射和偏振及介質(zhì)中的吸收和散射現(xiàn)象。
紅外線和可見光一樣具有直線傳播特性，并服從可見光的反射、吸收、透射規(guī)律，如下圖。
眾所周知，紅外線照射到物體表面都會(huì)產(chǎn)生熱量，即對(duì)紅外線都有吸收。對(duì)于反射和透射，我們舉一個(gè)涂料圖層的實(shí)例來展示。
將永固紅、永固黃和酞青藍(lán)混合黑加入涂料中制成黑色涂料，然后在不同材質(zhì)的基材上制得干膜厚度為150μm的涂層后采用Agilent cary-5000的UV-VIS-NIR分光光度計(jì)測(cè)得的反射曲線見下圖：
按照J(rèn)G/T 235-2014標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的反射比見下表：
表中，括號(hào)里的反射數(shù)據(jù)為基材的反射比，從上圖和上表可知，不同基材上的圖層的可見光區(qū)的曲線是重疊狀態(tài)，L*值幾乎無差異，說明圖層的顏色一致，并在可見光區(qū)達(dá)到了全遮蓋。但在近紅外區(qū)的反射曲線和反射比差異巨大，基材反射比高的測(cè)得的反射比高，基材反射比低的測(cè)得的反射比低，這說明涂層在近紅外區(qū)有明顯的透射。
二、如何制得高反射比的反射隔熱涂料
反射隔熱涂料主要指在特定的顏色（明度）條件下對(duì)太陽(yáng)光具有較高的太陽(yáng)光反射比（TSR）和近紅外反射比（NIR）的一類功能型涂料。其中可見光區(qū)的反射由于其顏色是已經(jīng)被指定，即其可見光反射比是一定的，因此，反射隔熱涂料的反射隔熱功能主要取決于涂料的近紅外反射比。要達(dá)到高的反射比，則需要盡可能降低涂層的吸收比和透射比。
1、高折射率近紅外反射功能材料是獲得高近紅外反射比涂層的關(guān)鍵
涂層在可見光區(qū)域的遮蓋取決于涂層對(duì)可見光的反射（散射）和吸收，即入射光在涂層的表面的反射和吸收、涂層內(nèi)部的折射率差異對(duì)光線多次折射形成的散射（如右圖的玻璃片產(chǎn)生遮蓋）和內(nèi)部的吸收綜合作用達(dá)到不透射從而產(chǎn)生遮蓋。對(duì)于白色或淺色涂層，折射是主要作用。
同樣，對(duì)于粒子能量小于可見光的近紅外線，要使涂層不產(chǎn)生透射獲得高反射比，也需要依賴于涂層內(nèi)顆粒形成多次折射作用將近紅外線散射出涂層表面。折射率高的近紅外反射功能材料能將近紅外線快速散射出涂層表面，不僅能達(dá)到不透射的目的，而且由于近紅外線在涂層中的折射路徑短減少了被吸收的幾率從而達(dá)到低的吸收比。示意圖如下：
從原理上來看，涂層中的顆粒的折射率與連接料（成膜樹脂）的折射率差異越大，越容易獲得高反射比的反射隔熱涂層，因此選用高折射率的功能材料至關(guān)重要。同時(shí)，高折射率功能材料還需滿足一定的粒徑要求防止產(chǎn)生近紅外電磁波的衍射并且保證產(chǎn)生折射作用的顆粒盡可能多。
如果紅外反射功能材料的折射率不能比涂料常用連接料的折射率明顯高，則其反射作用是達(dá)不到所宣稱的效果，僅僅是利用了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的采用鋁板（近紅外反射比高達(dá)0.9）作為基材的漏洞。
2、反射隔熱涂料中功能的要求
★ 高折射率：高折射率能使近紅外線在最短的折射路徑將近紅外線散射出涂層表面；減少了涂層吸收的幾率，盡可能不增加吸收比比較薄的涂層即可達(dá)到紅外線不透射達(dá)到高反射比
★ 材料本身低吸收比；
★ 高發(fā)射率——減少熱累積。
★ 近紅外反射二氧化鈦滿足所有這些要求！
江蘇泛華化學(xué)研發(fā)、山東東佳集團(tuán)生產(chǎn)的IR-1000近紅外反射二氧化鈦材料具有非常高的折射率和滿足反射近紅外線所需的粒徑分布，并且對(duì)近紅外線的吸收比極低，是一種優(yōu)異的近紅外反射功能材料。
3、IR-1000近紅外反射二氧化鈦的性能
★ 二氧化鈦晶體是能低成本工業(yè)化生產(chǎn)的最高折射率物質(zhì)，IR-1000在生產(chǎn)時(shí)盡可能保證達(dá)到高的折射率。
涂料中，顏填料的折射率與連接料的折射率接近，在可見光區(qū)大部分光線透射，幾乎不產(chǎn)生遮蓋作用。同樣，在近紅外區(qū)也將以透射為主，幾乎無反射作用。涂料常用的顏填料和連接料的折射率見下表：
IR-1000是一種金紅石型二氧化鈦材料，并且在生產(chǎn)時(shí)保證幾乎100%的金紅石晶型含量、盡可能少的晶體缺陷和極少的粒子燒結(jié)，能達(dá)到接近于理論數(shù)值的高折射率。
★ IR-1000具有合理的粒徑分布，其對(duì)近紅外線各個(gè)波長(zhǎng)段的反射符合陽(yáng)光中近紅外線的能量分布。
★ 二氧化鈦在紫外區(qū)具有強(qiáng)烈的吸收作用，并且IR-1000表面包覆致密的二氧化硅，能使反射隔熱涂層具有優(yōu)異的耐候性。
★ IR-1000僅含有極少的小顆粒，消色力低于同類產(chǎn)品，不可以當(dāng)鈦白粉使用，其近紅外反射功能能廣泛適用于各種不同明度的著色涂料。
★ 優(yōu)異的分散性，可以按照常規(guī)的顏填料進(jìn)行投料和分散。
★ 低雜質(zhì)含量保證了極低的近紅外吸收。
★ IR-1000是一種無機(jī)粉體材料，具有高發(fā)射率。
從近紅外反射作用的原理、使用范圍、耐候性等各方面來看，近紅外反射二氧化鈦是一種優(yōu)異的近紅外反射功能材料。
4、反射隔熱涂料配方中原材料的選擇
反射隔熱涂料的效果是包含了紫外、可見和近紅外區(qū)的綜合表現(xiàn)，由于一般材料在紫外去都是強(qiáng)吸收，要達(dá)到高的反射功能，需針對(duì)可見光區(qū)和近紅外區(qū)的反射來選用原料。
★ 可見光區(qū)：顏色為指定，即反射曲線要一致。反射隔熱涂料反射效果的評(píng)價(jià)是針對(duì)同樣的顏色而言。白色涂料是效果最好的反射隔熱涂料。對(duì)于著色涂料中，絕大多數(shù)顏料對(duì)近紅外的吸收都比較強(qiáng)，選用高著色力、高遮蓋力的顏料來調(diào)色，用少的加量來達(dá)到減少吸收的效果。
★ 近紅外區(qū)：盡可能達(dá)到高反射、低吸收。選用盡可能低吸收的樹脂、助劑、顏填料，并使用具有高折射率的反射功能顏料、填料如冷顏料、鈦黃、近紅外反射二氧化鈦等
特別對(duì)于彩色反射隔熱涂料中，具體可按照以下原則來選擇原料：
★ 配方中絕對(duì)不能用炭黑和鐵黑進(jìn)行著色。
★ 選用低吸收、粒徑處于近紅外波長(zhǎng)區(qū)半波長(zhǎng)的冷顏料（需注意可見光區(qū)的著色力和遮蓋力較低）。
★ 選用盡可能低消色力的反射功能材料（填料），減少彩色顏料的用量。
★ 選用高折射率、粒徑合適的反射功能材料
★ 類似于白色涂料在可見光區(qū)的遮蓋作用（對(duì)可見光的散射形成遮蓋），近紅外線的反射依賴于反射功能材料與樹脂（連接料）的折射率差異來形成散射，選用折射率盡可能低的連接料（成膜物質(zhì)）。
三、反射隔熱涂料中近紅外反射效果評(píng)估
由于目前現(xiàn)有的反射隔熱涂料標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 25261-2010《建筑用反射隔熱涂料》、HG/T 4341-2012《金屬表面用熱反射涂料》、JG/T 235-2014《建筑反射隔熱涂料》等都是采用近紅外高反射基材（鋁板）作為制樣基材進(jìn)行檢測(cè)，由于近紅外線人眼不可見，往往會(huì)想當(dāng)然的認(rèn)為涂層可見光遮蓋了就近紅外區(qū)也沒有透射，導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)獲得結(jié)果包含了大部分的鋁板反射，這對(duì)反射隔熱涂料配方研發(fā)中造成嚴(yán)重的困擾，尤其是加入高折射率的反射功能材料時(shí)表現(xiàn)更為明顯。前面的曲線圖已經(jīng)非常明顯的反映了這一點(diǎn)。下圖中，在低折射率的有機(jī)顏料體系中加入IR-1000后，從數(shù)據(jù)上看，隨著IR-1000加量的變化，都幾乎沒有近紅外反射效果。
但實(shí)際上的效果并不是如此，在相同的測(cè)試條件下，加入5%IR-1000的圖層比未加IR-1000的涂層背面溫度低了8℃。其原因在于，從近紅外反射的原理來看，有機(jī)顏料的折射率低，紅外線有大量的透射，鋁板基材的近紅外反射效果表現(xiàn)特別明顯，制膜在低反射基材上檢測(cè)的結(jié)果能證明這點(diǎn)。見下圖：
在使用酞菁綠的綠色涂料中也是有巨大的差異，見下圖：
同樣其他顏色的檢測(cè)結(jié)果如下：
上列圖中，隨著高折射率反射功能材料的加入，在低反射基材上制膜的涂層，近紅外反射的的上升非常明顯，但隨著加量的增加，近紅外反射比（NIR）上升到一定的程度基本呈一條直線，這時(shí)，再增加IR-1000用量已經(jīng)不能提高反射比，要進(jìn)一步提高則需要對(duì)樹脂、助劑和其他顏填料進(jìn)行優(yōu)選，選擇低折射率低紅外吸收樹脂、低吸收的顏填料等來優(yōu)化配方。如采用高反射基材如鋁板制膜檢測(cè)，會(huì)出現(xiàn)在較低近紅外反射比的外墻、屋頂?shù)葘?shí)際施工效果達(dá)不到檢測(cè)結(jié)果的情況。
來源：AnyTesting
