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红外反射颜料及其应用
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红外反射颜料及其应用
（ gongshao@yahoo.com.cn）
地球上接收到的太阳光线光谱按波长不同可以分为三大部分，各部分占有的总能量比例是不一样的：
紫外区（UV）： 295nm ～ 400nm， 占地球接收到的太阳总能量的5％。
可见光区（VIS）： 400nm ～ 720nm，占地球接收到的太阳总能量的约45％。
红外区（IR）： 720nm ～ 2500nm，占地球接收到的太阳总能量的约50％。不同文献对红外波长范围
的划分不尽相同。美国试验和材料协会（ASTM）规定700nm至2500nm为近红外区
（NIR）。NIR常被划分为短波近红外（SW－NIR）和长波近红外（LW－NIR），其波
段范围分别为700－1100nm和1100－2500nm。其中大部分能量集中在720nm ～
1100nm，即短波近红外区范围里。
对地面太阳辐射光谱的总入射能量约为900瓦特/ 平方米，即直接暴露于太阳光的表面每秒钟每平方米将接收到900瓦特，或者900焦耳的能量。太阳光线的总能量主要集中在可见光区和近红外区（图1）。
地球上万物生长靠太阳。太阳把自己的能量传递给地球上的动物和生物，使他们能不断成长。在给予人类恩惠的同时，太阳光也给地球上人类的生活带来许多负面的，甚至使破坏性的影响。太阳光中的紫外线，会使许多有机物质降解，破坏，对人体的皮肤也有一定的危害性。物体接收到的可见光和不可见的红外光发出的大量热能辐射，会使表面温度升高，给人类的日常生活带来诸多问题和不便。房屋的屋顶和墙面接收到的热能，通过各种方式（传导，辐射，对流等形式）使室内的温度升高，降低生活的舒适度。为使室内温度降低到适宜的程度，人们大量使用空调，冷气机，电风扇和喷淋设备，需要消耗大量的电能等能源。一些化工容器和露天的反应釜，在炎热的夏天因受到太阳光的直接照射，表面温度升高，罐内液体温度随之升高，带来一定危险性。高温不利于粮食，蔬菜，药品的储存，加速了材料的腐蚀、老化和降解过程，降低材料的使用寿命，限制了某些材料的应用。如何降低，消除太阳光线对人类造成的这些负面影响，越来越引起科学工作者的注意。
任何表面对接收到的太阳光都会产生不同程度的反射。我们把从一定表面反射的入射到地面太阳光的能量测试值称为太阳光总反射率（TSR, total solar reflectivity）。太阳光的总反射率以百分数表示。一个物体的表面如果它的太阳光总反射率为75％，则可认为它吸收了25％的入射能量。
太阳光的热能主要集中在可见光区和红外区。众所周知，涂层的可见颜色，即颜料的可见颜色，是由于颜料对可见光的选择性反射和吸收引起的。白色对400～720nm的光几乎全部反射，而黑色对可见光谱几乎全部吸收。红色主要对650－700nm（红色波段的光）段反射，而对其它波长的可见光吸收。因此为得到一定的可见色彩效果，我们不能改变颜料在可见光区的反射和吸收性能。而对于眼睛不可见的红外光部分，能否找到一些对这个区段的入射光具有较强反射率的材料，来达到反射具有高热能的红外光，降低表面温度的效果呢？
白色颜料是最好的红外反射颜料。对可见光段全反射的同时，它对红外区段的光有强烈的反射。钛白的TSR至少为75％。而普通的黑色颜料几乎对所有波长的光都吸收，如碳黑的TSR低至3－5％，即吸收了95－97％的太阳光能量（图2，3）。
如果有一种涂料，涂于物体表面，它能高效地反射太阳光的能量，就能明显地降低物体的表面温度，避免表面温度升高引起的诸多不利影响。能不能找到或开发一种颜料，它即可在可见光区吸收和反射一定波长的光以呈现需要的彩色，同时又能反射一定量的红外区的光以降低物体的表面温度？因此开发和研究一种具有反射功能的有色颜料成为一个热门的课题。
研究发现，一种颜料可以反射可见光区的光，吸收紫外区的光，透射红外区的光，或是任何其中三种情况的组合。这样它们既有一定的彩色，甚至是较深的颜色，又能反射一部分红外光，减少热量的集结，起到降温作用。我们把在可见光区呈现一定的色彩，在红外区具有反射红外光性能的颜料称为红外反射颜料（简称IR颜料 Infrared Reflective Pigment）。具有这种特性的红外反射无机颜料由金属氧化物，硝酸盐，醋酸盐，甚至氧化物混合后经1000℃以上高温煅烧、反应，原料固体本身开始发生反应。原料中的金属离子和氧离子重新排列，形成更稳定的类似于尖晶石（spinel）结构或是金红石型（rutile）结构。
这些颜料里通常含有镍、锰、铬、钛、铁、钴等金属离子。常用的深色颜料有：P Black 30，P Green 17，P Green 26，P Green 50，P Brown 29，P Brown 24，P Brown 33，P Blue 36，P Blue 28，P Yellow 53，P Black 12，等。以Shepherd公司的Black 10C909为例，它在红外区有较大的反射，TSR达到25％，而普通的黑色颜料的TSR只有5％左右（见图4）。
我们对几个不同公司提供的IR颜料进行了对比试验，用它们分别配制了相似深色的乳胶漆。为避免钛白粉的高反射率的影响，这些乳胶漆样品里不含钛白粉。色粉的配比和样板的TSR测试结果如下：
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A |
B |
C |
D |
E |
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IR黑颜料A |
Shepherd |
1.658 |
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IR黑颜料B |
BASF |
|
0.266 |
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IR黑颜料C |
BASF |
|
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3.498 |
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IR黑颜料D |
Heucodur |
|
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1.229 |
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铁黑浆 |
Clariant |
|
|
|
|
2.129 |
|
铁红浆 |
Clariant |
0.7945 |
0.8869 |
1.1416 |
0.2949 |
0.7485 |
|
铁黄浆 |
Clariant |
0.8287 |
0.3286 |
2.6038 |
0.9809 |
0.7785 |
|
TRS |
|
25% |
33% |
26% |
28% |
8% |
测试结果表明，虽然它们在可见光区域的反射/ 吸收性能相近（表现为相近的视觉颜色），IR颜料的太阳光总反射率明显高于普通颜料。
下面是部分IR颜料及其TSR值：
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C.I. |
TSR |
|
黑色 |
|
|
|
Carbon Black |
|
5% |
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Black Iron Oxide |
P.Bl.11 |
5% |
|
Copper Chromite |
P.Bl.28 |
7% |
|
FeMn Black |
|
12% |
|
CrFeNi Black |
P.Bl.30 |
13% |
|
FeCr Black |
P.Bl.17 |
24% |
|
FeCr Black |
P.Bl.29 |
30% |
|
蓝色 |
|
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Phthalo Blue 15:4 |
|
18-20% |
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CoCrAl Blue (Blue 9) |
P.B.36 |
25% |
|
CoAl Blue |
P.B.28 |
28% |
|
CoCrAl Blue(Blue 212) |
P.B.36 |
31% |
|
CoAlTiLi Blue |
P.B.28 |
39% |
|
褐色 |
|
|
|
Fe Brown |
|
6% |
|
Fe Brown (Mapico) |
|
30% |
|
FeTi Brown（Brown 8） |
P.Bl.12 |
38% |
|
ZnFeCr Brown |
P.Br.33 |
38% |
|
FeTi Brown（Brown 156） |
P.Bl.12 |
51% |
|
绿色 |
|
|
|
Phthalo Green |
|
20-22% |
|
CoCr Green |
P.G.26 |
24% |
|
CoTi Green |
P.G.50 |
25% |
|
CoCrAl Green |
P.B.36 |
29% |
|
Cr Green |
P.G.17 |
38% |
|
黄色 |
|
|
|
Fe Hydrate Yellow |
|
36% |
|
CrSbTi Yellow |
P.Br.24 |
66% |
|
NiSbTi Yellow |
P.Y.53 |
71% |
|
白色 |
|
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|
Zn Sulphide(Filler) |
|
81% |
|
TiO2 |
|
90%+ |
影响IR颜料红外反射的因素有：
1） 颜料的混合：任何IR颜料与白颜料混合后，其TSR都比单独的IR颜料要高。不同的IR颜料在不同的波长段有吸收性，二种以上的IR颜料混合后总反射率会低于单一的IR颜料。例如一个IR蓝颜料和一个IR黑颜料，各自的TSR都在25－30％左右。当它们混和使用，混合物的TSR低于各自单独的TSR。（见图5，图6）
2） 颜料的分散：无论用于溶剂型涂料还是水性涂料，颜料都必须得到适当的研磨细度。但是过度的研磨会破坏颜料的颗粒结构，会使主色调变淡，TSR变小。这些都不是希望得到的结果（见图7）。
3） 涂层的不透明性：IR无机颜料一般都有较好的可见光遮盖力。它对红外光有反（散）射和透射的作用。较薄的涂层虽然有视觉上满意的遮盖力，但它可能不能完全反射红外光， 让一部分红外光透射到底材。因此需要更厚的涂层来保证对红外光的反射。另外涂料的PVC对涂料的红外反射性能也起着重要作用。
4） 污染：IR颜料如果与红外吸收的颜料混合，其红外反射性能会急剧下降（图8）。因此在使用IR颜料过程中要非常注意不能受到一些普通颜料，尤其是碳黑、铁黑等颜料的污染。研磨设备必须清洗，保证没有交叉污染。
在可见光区，颜料的遮盖力取决于颜料的折光指数与基料的折光指数之差。差值越大，其遮盖力越高。颜料对红外光也有其对红外光的“遮盖力”。这两种遮盖力在涂层里的表现是不一致的（见图9），受到颜料本身性质，涂料的颜基比，涂膜的厚度等影响。
对于某些颜料，它在红外区域虽然不能对红外光有较大的反射率，但它也不像碳黑等颜料一样对红外光有较高的吸收率，而是对红外光有很好的透过率，尤其是部分有机颜料。通过研究，人们发现在使用这种颜料时只要涂层下面的底材或底涂有较高的红外反射性能，整个涂层同样具有较好的红外反射功能，同样可以降低表面温度。有人把这类对红外光很低的吸收率，但有较高透射率的颜料也称为IR颜料。下面图表是一个有机IR颜料黑的反射曲线（图10）：
图中可以看出，它对可见光波段的光几乎全部吸收，所以在人们的视觉里呈黑色。但它在红外区域对红外光的透射率较高，所以在白色底材上，红外光透过含有深色的涂层，到达白色基材后被白色基材强烈反射。而如果到达黑色的基材，则红外光被基材的黑色强烈吸收。
许多有机彩色颜料都具有在红外区很少反射红外光，但也很少吸收红外光的性能。下面是萘酚红和酞菁蓝的透射，反射，吸收曲线（图11，12）：
使用具有红外透射性能的黑色有机IR颜料，与使用碳黑相比，配制同样的深蓝（颜料重量浓度20％）的涂料，涂膜厚度为40微米时的TSR测试结果：
|
|
A |
B |
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蓝 L 6700 F |
36.2 |
33.3 |
|
紫 RL |
6 |
8.8 |
|
钛白 |
45 |
46.1 |
|
碳黑 |
12.8 |
|
|
IR黑 |
|
11.8 |
|
TSR(在白色底材上) |
7% |
34% |
|
TSR(在黑色底材上) |
7% |
20% |
测试结果表明，使用碳黑的A样品在白色和黑色底材上的TSR是一样的，但使用IR黑颜料的B样品，在白色底材上的TSR要比黑色底材上大14％。
我们对反射型红外颜料，透射型红外颜料的热反射率进行了测试。同时作为对比的是碳黑色浆。把它们分别以不同比例的颜料量，用于不含钛白的涂料里，配成相近的颜色，然后分别在白色底涂和黑色底涂板的底板上涂刷制膜。按JC/T 1040-2007 《建筑外表面用热反射隔热涂料》规定的方法测试太阳反射率，结果如下：
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|
IR透射黑颜料 |
IR反射黑颜料 |
碳黑浆 | ||||
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涂料中颜料添加量 |
|
2.10% |
4.20% |
2.10% |
4.20% |
3.75% |
7.50% |
|
白色底涂 |
涂料涂布量 g |
1.92 |
1.87 |
2.24 |
1.92 |
2.01 |
1.94 |
|
太阳反射率 |
37.5% |
36.5% |
24.2% |
23.2% |
5.6% |
5.2% | |
|
黑色底涂 |
涂料涂布量 g |
1.88 |
1.87 |
2.01 |
1.86 |
2.06 |
1.86 |
|
太阳反射率 |
17.5% |
16.0% |
19.8% |
20.9% |
5.5% |
5.1% | |
|
反射率之差 |
20.0% |
20.5% |
4.4% |
2.3% |
0.1% |
0.1% | |
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(白色底涂-黑色底涂) | |||||||
从太阳反射率的测试结果可以看到：
1）IR颜料的涂膜在白色底涂基面和黑色底涂基面上的太阳反射率是不一样的。白色底涂板上涂层的反射率明显比黑色底涂的高。
2）具有透射性能的IR颜料的涂膜，在两种底涂上的太阳反射率要相差20％以上。
3）碳黑由于有几乎完全的吸收性，所以它无论在白色或黑色的基面上，反射率相近，都很低。
4）在足够的遮盖力基础上，颜料的添加量对反射率没有影响。
根据这个原理，有人开发了在无机白颜料或填料外面包敷彩色有机颜料的具有红外反射性能的新型颜
料。这种新型颜料具有鲜艳的有机颜料的色相，在配色性能上也具有类似有机颜料的性能，但其在红外区反射太阳能的功能实际上来自无机部分。据介绍许多结构的有机颜料，如蒽醌，酞菁，靛青，硫靛，喹吖啶酮，苝系，二噁嗪，异吲哚啉，吲哚啉酮环，氮甲川类，等，都具有这种透射红外光的性能，可以用来制作这种包敷型IR颜料。现在已经有科学工作者对有机颜料的红外反射性能进行研究和筛选。一个重要的起始点是叶绿素。人们发现叶绿素有很强的太阳热能的反射功能，人们在树叶底下明显感到凉爽就是一个例子。
红外反射颜料的应用已经越来越受到重视，它突出的节能效果，在储罐，化工容器，建筑物，尤其是屋顶上都取得了明显的效果。
以黑色屋顶板为例。黑色沥青屋顶板只能反射4％左右的太阳光，即它吸收了地表阳光辐射的96％，这些吸收的能量使其表面温度升得很高，被传导，转换并通过辐射进入建筑结构中去。以ASTM设定的太阳光强度平均值900瓦/ 平方米计算，这将转换成864瓦/ 平方米的能量吸收。如果使用IR颜料制作的涂层，人们可以得到类似的黑色的屋顶色彩，但其TSR可达到30％左右，这一巨大的反射意味着地表阳光的辐射仅有70％被吸收，吸收能量为630瓦/ 平方米。相对与沥青屋顶板，红外反射技术在能量吸收上降低了26％的净值（234瓦/ 平方米）。如果采用TSR更高的IR颜料，并配以红外反射的底涂，可以得到阳光总反射率为47％的屋顶板，这样它仅吸收477瓦/ 平方米的能量，比沥青屋顶板少吸收387瓦/ 平方米，使得屋顶和建筑物温度降低，减少了对电能的需求。
国外有一个使用实例：在同一地区建造了两个设计相同的小学，A小学屋顶用反射率为12%的普通的绿色颜料，B小学屋顶用反射率为29％的绿色IR颜料。跟踪了他们各自的电费帐单，2004年5－9月的电费支出是：
|
|
A小学 |
B小学 |
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五月 |
$ 5150.27 |
$ 4505.25 |
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六月 |
$ 5887.38 |
$ 4206.21 |
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七月 |
$ 5607.64 |
$ 4779.60 |
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八月 |
$ 5394.87 |
$ 4339.41 |
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九月 |
$ 4988.06 |
$ 5135.07 |
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总计 |
$ 27028.22 |
$ 22965.54 |
与屋顶使用普通绿色颜料的小学相比，屋顶使用IR颜料的小学，第一年节省的电费为$8,803，预计20年可节省电费$101,650。
红外反射颜料的降温节能效果，越来越受到人们的关注。红外反射颜料的技术，尤其是有机IR颜料的开发和利用，正在取得不断的进步。随着人们对环保、节能要求的提高，科学技术日新月异的进步，红外反射颜料一定会得到快速的发展和使用。
又：非常遗憾，拷贝过来的文章中的图表都无法显示出来，也不知道任何解决。所以如果希望看到全文（包括图表的），可到http://bbs.coatu.com/thread-41662-1-1.html下载。
