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【产学研】冷颜料在涂料中的应用

http://www.coatings.hc360.com2018年09月27日09:35 来源:涂料工业作者:夏晶(福禄(苏州)新型材料有限公司)T|T

    慧聪涂料网讯:随着社会的发展,使用者对于颜料的性能要求越来越高,单纯的着色属性已不能满足客户对颜料的功能要求,因此,在满足着色的基本要求的同时,具有其他性能的颜料被不断开发出来。用于建筑涂料的颜料需要具有耐候性、耐温性、环保性和节能性等多种性能,随着国内节能涂装要求的不断提高,冷颜料在建筑涂料领域的应用越来越广泛。本文结合冷颜料的作用原理,讨论了冷颜料的定义及相关标准,以及在涂料中的应用问题。

    1、冷颜料的概念

    随着建筑领域对节能要求的不断提高,要求涂装产品具备隔热和降温的性能,相关的隔热保温和反射太阳光热能的涂料体系应运而生。涂层能反射太阳光的热能主要是由涂料体系中的颜料提供的,其中较具代表性的是冷颜料。从本文作者的角度,冷颜料是具备冷效果的颜料,其冷效果一般是在与太阳光有接触时才能发挥作用。作为冷颜料,必须同时具备以下3个属性:高遮盖力、优异的耐候性和高近红外反射率。复合无机颜料MMO(Mixed Metal Oxide Inorganic Colored Pigments)/CICP(Complex Inorganic Colored Pigments)因具有优异的耐候性和耐温性,很好的遮盖力,同时很多复合无机颜料又具备较好的反射太阳光热能的性能,因此从复合无机颜料中派生出的冷颜料体系符合节能要求。在国外,应用冷颜料制成的冷涂料产品已经有超过30a的实际使用经验,其中所使用的冷颜料也主要是从复合无机颜料中派生而来的冷颜料。在我国,对于节能涂料的需求日益增加,相应的标准如JG/T235—2014《建筑反射隔热涂料》正式出台,在国内首次建立了除了白色之外其他颜色的冷效果指标,从颜色的量化数值角度,对冷颜料提出了明确的要求,从而使得冷颜料的应用更加规范。

    2、冷颜料的作用机理

    太阳光按波长可分为γ射线波段、X射线波段、紫外线、可见光和红外线(又分为近红外和远红外)波段等,由于大气层的保护,进入地球表面的太阳能量波段只剩下少量的紫外线(占到达地球表面能量的5%)、可见光(占43%)和近红外波段(占52%)。在紫外线波段,因其占比能量只有5%,并且紫外线穿透性很强,使得各种颜色对其反射率均较低,因此本文重点讨论可见光和近红外波段颜色和颜料的反射率情况。太阳光照射到物体表面时通常会发生光线的反射、吸收和传导。在可见光波段内,每个颜色的反射率曲线是唯一的。因为颜色是反射成像的原理,在可见光波段内,反射成像的同时也反映了该颜色反射太阳光能量的性能。以涂料行业常用的白色颜料和黑色颜料为例,钛白粉对可见光的反射率超过80%,虽然在近红外波段内的反射率在1500nm后有所降低,但整体的太阳光反射率(全反射率)还是较高,这也是日常生活中感知白色是冷颜色的原因。炭黑对太阳光的反射率整体都很低。反射成像的原理要求黑色必须在可见光波段内全吸收,但在近红外波段内并不是所有黑色颜料都像炭黑一样。图1为3个不同的黑色颜料在可见光和近红外波段内的反射率曲线。冷黑色颜料在近红外区域的反射率非常高,在超过1500nm波段后,冷黑色颜料的反射率甚至比钛白粉更好。因此在近红外波段的具有高反射率的性能,是该种黑色颜料成为冷黑颜料的关键原因。在实际应用中,同样的2块纯黑色铝板,一块用炭黑,另一块用冷黑色颜料,相同条件下,用红外灯模拟近红外光照射表面,2块铝板的温差可达到10℃。

图1 3个黑色的太阳光反射率

图1 3个黑色的太阳光反射率

    3、冷颜料的判定

    为使涂料能够长期在户外使用,并具备高效的节能效果,要求使用的冷颜料具有优异的耐候性和高近红外反射率。对于冷颜料为何需要另一属性:高遮盖力,可从表1和表2的测试结果进行说明。从表1可以看出,PY-97号黄色在明度L∗值为85.10时,在白色和黑色不同底材上的太阳全反射率(TSR)分别为71.4%和55.0%,两者达到了16.4%的太阳全反射率的差异,造成的结果是由于PY-97号是一种非常透明的有机颜料,它的反射率实际上是来自于底材白色的高反射率,当底材为黑色时,因为PY-97号颜料的透明特性,反射率就相应地降低了许多(因为黑色底材的反射率低)。钛白粉是一种高遮盖和高反射率的颜料,随着L∗值的增加(也就是钛白粉加入量的提高),在明度L∗值上升到93.42时,在白色和黑色不同的底材的太阳全反射率分别为80.3%和75.4%,两者的差值4.9%,对比L∗值在85.10时,在L∗值上升到93.42时,这个差值明显减少,这也从另一个角度说明了因钛白粉的加入量增多,提高了遮盖力和反射率的特性。因此,若颜料的遮盖力低,透明性高,就不具备对太阳光有很好的反射能力,必须通过底材或者是同时添加像钛白粉一样的高遮盖力和高反射率的其他材料的辅助才能达到高反射率的功能,这样的颜料的反射性能不是自有的,而是借助其他材料达到的,因此就不能称为冷颜料,只能称其为冷效果颜料。

表1 不同颜色在黑、白底表面的反射率

表1 不同颜色在黑、白底表面的反射率

    从表2可以看出,蓝相冷黑和STD标准冷黑的遮盖性能和近红外反射率性能都很好,同时耐候性也非常优异,是性能较全面的冷黑颜料。

表2 炭黑和冷黑颜料在黑白底表面的反射率

表2 炭黑和冷黑颜料在黑白底表面的反射率

    4、冷颜料的应用

    4.1相关标准

    2008年,我国推出了第一个关于冷涂料的标准JG/T235—2008《建筑反射隔热涂料》,对太阳光反射率提出了要求:太阳光反射比(白色)≥80,该标准只对白色提出了要求,众所周知白色颜料尤其是钛白粉,从某种角度上讲其实就是天然的冷颜料。2014年,对JG/T235—2008标准进行了修订,修订后的标准为JG/T235—2014《建筑反射隔热涂料》。考虑到对于其他颜色的实际应用和冷的要求,将明度L∗值分为≤40、40~80、≥803个区间,对于不同的区间提出了相应的全反射率和近红外反射率的要求:L∗值≤40时,太阳光全反射比≥30,近红外反射比≥40;L∗值在40~80区间时,太阳光全反射比≥40,近红外反射比≥(L∗值/100);L∗值≥80,太阳光全反射比≥65,近红外反射比≥80。测试发现,使用了冷颜料的彩色涂料,反射曲线大多可以通过JG/T235—2014的要求,图2和图3是彩色冷颜料的全反射率TSR和近红外反射率NISR波段内的实际测试结果。

图2 彩色冷颜料的TSR全反射率散点图

图2 彩色冷颜料的TSR全反射率散点图

图3 彩色冷颜料的NISR近红外反射率散点图

图3 彩色冷颜料的NISR近红外反射率散点图

    4.2白色和黑色冷颜料的应用问题

    白和黑2个颜色具有典型的反射性能,白色需要在可见光波段内全反射,黑色则在可见光波段内需要全吸收,下面介绍这2个典型的冷颜料的实际应用情况。

    4.2.1白色在高明度时的色相和添加量

    表3为白色在L∗值超过80后的添加量和色相情况。

表3 白色在L∗值超过80后的添加量和色相情况

表3 白色在L∗值超过80后的添加量和色相情况

    从表3可以看出,在明度L∗值超过80时,按照JG/T235—2014标准的要求,需要近红外反射率≥80,对于白色而言,若使用普通钛白粉一般是达不到近红外反射率的要求,但是在使用了特别的冷钛白产品后,虽然达到了标准要求,但是添加量和色相都发生了明显的变化(如图4所示)。从图4可以看出,在用冷钛白作为白色颜料时,当L∗值超过80后,为了达到JG/T235—2014标准的要求,除了需提高添加量外,色相b∗值明显偏黄。而作为白色越纯净(偏蓝相)越好,若为了达到标准的要求,使得作为颜色最基本的属性改变了,则在该明度L∗值范围的标准要求可能需要进一步修订。

图4 在L∗值超过80后以普通钛白粉和冷钛白作为白色颜料的颜色

图4 在L∗值超过80后以普通钛白粉和冷钛白作为白色颜料的颜色

    4.2.2冷黑色颜料在L∗值提高(冲淡时)的色相影响

    在实际的使用过程中发现,为了符合JG/T235—2014标准的要求,随着L∗值的提高,在冷黑颜料中需要加入冷钛白来提高相应的反射率和全反射率,图5为冷黑色颜料SPP-3025在使用普通钛白粉和2个冷钛白冲淡时,对应明度L∗值提高时的a∗值和b∗值的变化情况。图6为冷黑色颜料在L∗值不同时使用常规钛白粉和冷钛白粉的色相差异。

图5 冷黑色颜料SPP-3025在使用普通钛白粉和2个冷钛白冲淡时对应L∗值、a∗值和b∗值的变化情况

图5 冷黑色颜料SPP-3025在使用普通钛白粉和2个冷钛白冲淡时对应L∗值、a∗值和b∗值的变化情况

图6 冷黑色颜料在L∗值不同时使用常规钛白粉和红外反射钛白粉的色相差异

图6 冷黑色颜料在L∗值不同时使用常规钛白粉和红外反射钛白粉的色相差异

    从图6可以看出,使用冷钛白对冷黑颜料进行冲淡后,与使用普通钛白粉冲淡对比,在相同的L∗值时,冷钛白冲淡的颜色色相会偏红、偏黄,视觉的感受不如偏蓝的纯净。这与在高明度L∗值大于80时白色所出现的色相偏差问题相同,作为黑色,为了达到JG/T235—2014标准的要求,若使用冷钛白冲淡,作为黑色颜色的最基本属性色彩会发生改变,因此建议在有些明度L∗值范围的标准要求有修订反射率限值的必要。

    4.2.3在真石漆彩砂中的白色天然砂的应用问题

    真石漆产品中主要的添加产品是白色天然彩砂和人造白色彩砂(见表4),目前尚无真石漆和彩砂相关的冷产品标准,若以JG/T235—2014的标准要求真石漆的冷效果,在实际应用时发现,在L∗值超过70后的天然白砂或者人造白砂(天然白砂和普通钛白粉包覆的人造白砂)大多达不到JG/T235—2014标准的要求。若要使真石漆也符合JG/T235—2014的标准,在L∗值大于70时,白色砂则必须使用冷钛白颜料包覆,但这样就又造成了如4.2.1白色在高明度时的色相和添加量中的现象———在高明度时白色存在的色相偏差(不纯净,不偏蓝相的白色)。

表4 天然白砂和常规钛白粉包覆过的白砂在明度L∗值大于70时的反射率

表4 天然白砂和常规钛白粉包覆过的白砂在明度L∗值大于70时的反射率

    5、结语

    (1)冷颜料和冷效果颜料是有区别的,在实际应用中,目前更多的是关注在太阳反射率性能方面的需求。但对于冷颜料而言,必须的三重属性缺一不可:高遮盖力的颜色、优异的耐候性、高近红外反射率。结合JG/T235—2014标准执行过程中存在的一些挑战,建议在使用冷颜料时,不仅对反射率有一定的要求,也要强调高遮盖力和优异的耐候性的要求,使冷颜料在实际使用时得到合理的应用。

    (2)复合无机颜料MMO/CICP具有优异的耐候性和耐温性,该类颜料中,有些颜料还具备很好的反射太阳光热能的性能,所以从复合无机颜料中派生而出的冷颜料体系,较为符合冷颜料的要求。

    (3)结合实际应用中存在的问题,建议对JG/T235—2014标准进行如下修正:只强调高近红外反射率会更符合实际应用;在白色颜色的明度较高时,如L∗值>70,可适当降低反射率的要求,使得纯净的白色原料(如耐候型的常规钛白粉和白色原砂)可使用,并保持白色的本来面目。

责任编辑:吴燕英2

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