作者：海洋化工研究院
1 前言
太阳热反射涂料就是对太阳的热辐射具有高反射率的涂层。
自七十年代以来，建筑业、石油工业、运输业、兵器工业等迅速发展，要求使用反射太阳能的新型涂料，以降低暴露在太阳辐射热下的装备表面涂层温度，从而阻止热能传导, 达到改善工作环境，提高安全性等目的 . 目前，国外在太阳热反射涂料的理论研究方面较完善，已广泛应用于很多领域。例如建筑业的屋顶和玻璃幕墙用热反射涂料、石油工业的海上钻井平台、油罐、石油管道用太阳热反射涂料，运输业的汽车、火车、飞机表面用太阳热反射涂料、造船工业的船壳、甲板用太阳热反射涂料，以及兵器及航天工业的坦克、军舰、火箭、宇宙飞船用太阳热反射涂料。国内研制太阳热反射涂料的报道近几年数量有所增多，现有兰州涂料研究所研制用于火箭液氧贮罐表面的涂料，以防止贮罐温度升高，液氧汽化，热反射率近75% （白色）。华北石油化工建筑材料厂研制的 HC 太阳能屏蔽防腐涂料，用于石油制品贮罐的热反射涂料，以及天津大学分析中心、北京化工大学材料科学与工程学院、中科院广州太阳研究所、海洋化工研究院等单位，在热反射涂料方面都有报道。
我们查阅了大量的资料，就热反射涂料的树脂、颜料、配套体系、检测手段做了初步总结，以及我院在热反射涂料方面工作进展作简短介绍，以便同国内有志于热反射涂料研制的同仁探讨，以推动热反射涂料在我国的应用和发展。
2 太阳热反射涂层的原理
2.1 涂层应具备的光谱特性
2.1.1 热辐射及黑体辐射
众所周知，室温下或温度更低的物体，在不断的辐射看不见的红外光和波长更长的电磁波。这种辐射是由于分子、原子的热运动引起的，辐射能量与温度密切相关称为热辐射。热辐射不仅与温度有关，与物体的材料及表面性质也有关系。
黑体是热辐射研究的理想体。所谓黑体，即在任何温度下都能全部吸收照射到它表面上的辐射。黑体的辐射度与波长、温度的关系遵循普朗克公式：
式中 M λ是黑体辐射度（ W/m 2 ）， h 、 k 分别是普朗克常数（ 6.62 6 × 10 -34 J · s ）和玻尔兹曼常数（ 1.3 8 × 10 -23 J · s ），λ是波长， c 为光速， T 为绝对温度。
在全波长范围内积分，得斯蒂芬 - 玻尔兹曼方程：
其中， M 为总辐射度，σ为斯蒂芬 - 玻尔兹曼常数（ 6.57 × 10 -8 W/ （ m 2 K 4 ））。即黑体的总辐射度仅与温度的四次方成正比。
2.1.2 太阳与一般物体的热辐射光谱范围
紫外区： 0.2 μ m ~ 0.4 μ m ，占总能量的 5% ；
可见光区： 0.4 μ m ~ 0.72 μ m ，占总能量的 45% ；
近红外区： 0.72 μ m ~ 2.5 μ m ，占总能量的 50% 。
即太阳的能量主要集中于可见和近红外区。若把一般物体视为 300K 黑体，那么一般物体的辐射在热红外区 2.5 μ m ~ 15 μ m 。
2.1.3 一般物体的热辐射
一般物体的辐射度表达式为 M= σε T 4 。
ε 为辐射率，一般物体的表面辐射度除与温度有关外，还与表面辐射率有关。不同物体，吸收能力也不同，在一定温度下，物体的辐射率与吸收率相同。
吸收率：物体表面吸收的辐射能量与入射到该物体表面的辐射能量之比记作，α
反射率：物体表面反射的辐射能量与入射到该物体表面的辐射能量之比记作，ρ
透射率：穿透过物质的辐射能量与入射到该物体表面的辐射能量之比记作，τ。
根据能量分配为α + ρ + τ =1
对于多数固体和液体，一般有α + ρ =1
综上所述，为降低内部温度而使用的太阳热反射涂层，应满足对可见光和近红外光的高反射和对远红外线的高反射。
2.2 热反射涂层的主要指标热反射率取决于颜填料与树脂的折光指数的比值。在树脂的折光指数（1.45-1.50）一定的情况下，其热反射率主要取决于颜填料的折光指数，颜填料的粒径、纯度以及涂层厚度、PVC值。颜填料的折光指数范围一般为1.50-2.80。
2.3 研制热反射涂料的主要工作是取代炭黑，因为炭黑对太阳热的吸收率高达97%, 反射率仅 3% 。
3. 热反射涂料的影响因数
3.1 树脂对涂层反射率的影响
3.1.1 用于太阳热反射涂层的树脂，对可见光和近红外光吸收越小越好，一般涂料常用的树脂都可用于太阳热反射涂层。要求树脂的透明度高，透光率在 80% 以上，太阳能的吸收率低，有些基团吸热，故在设计合成树脂时，尽量使树脂中少含有 C-O-C . C=O .O-H 等基团。。
3.1.2 可用于太阳热反射涂层的树脂有：丙烯酸树脂、有机硅改性聚酯树脂、醇酸树脂、有机硅改性醇酸树脂、含氟树脂、环氧树脂、环氧酯、氯化橡胶、聚乙烯聚丙烯树脂、聚氨酯树脂等等. 。
3.1.3 几种树脂的太阳吸收率α
树脂颜料α
有机硅 --- 丙烯酸 TiO 2 0.19
有机硅 --- 醇酸 TiO 2 0.22
丙烯酸树脂 TiO 2 0.24
环氧树脂 TiO 2 0.25
聚氨脂树脂 TiO 2 0.26
3.2 颜料对涂层热反射率的影响
颜料对可见光和近红外光的吸收同样越小越好，同时，为减少太阳光透过，颜料对太阳光应有尽可能大的散射。
3.2.1 颜料折光指数的影响
颜料对可见光和近红外辐射的散射能力取决于颜料和树脂折光指数的差异，散射率m 定义为颜料与树脂折光指数的比值： m =n p /n R 。 n p 为颜料的折光指数（常用颜料的指数为 1.4 ~ 2.8 ）， n R 为树脂的折光指数（常用有机树脂的指数为 1.45 ~ 1.50 ，变化很小）。要达到高反射率，必须选用折光指数高的颜料。
附表：几种颜 * 填料的折光指数
颜 * 填料 |
折光指数 |
二氧化钛 |
2.8O |
氧化铁红 |
2.80 |
氧化铁黄 |
2.30 |
氧化锌 |
2.20 |
氧化铝 |
1.70 |
硫酸钡 |
1.64 |
硅酸镁 |
1.58 |
二氧化硅 |
1.54 |
3.2.2 颜料粒径对散射率的影响
颜料一旦选定后，颜料的粒径对涂层的热反射性起关键的作用。颜料的最佳粒径 d 与散射波长λ的关系如下：
m 为散射率， n R 为树脂的折光指数， k 由 m 和 n R 决定的常量。
3.2.3 用于太阳热反射的颜料的选择和配色
3.2.3.1 颜料
颜色粒径太阳反射率
A 白色≤ 50 μ m R930 ≥ 80%
B 红色≤ 50 μ m PR112 ≥ 45%
C 桔红≤ 50 μ m PO5 ≥ 55%
D 黄色≤ 50 μ m PY74 ≥ 60%
E 绿色≤ 50 μ m PG7 ≥ 20%
F 兰色≤ 50 μ m PB15 ： 3 ≥ 20%
G 紫色≤ 50 μ m PV19 ≥ 35%
H 黑色≤ 50 μ m 碳黑 ? 3%
3.2.3.2 配色系统
红 + 黄
橙色、金色
红 + 兰
紫色、咖啡
黄 + 兰
绿
红 + 黄 + 兰
黑色
紫 + 兰
黑色
3.2.4 颜料体积浓度（ PVC ）的影响
PVC 表示颜料在干燥漆膜中的体积分数：有
一般油漆涂层的 PVC 分布为：底漆 PVC 35-45% 中间层 PVC 25-40% 面漆 PVC 15-30% 。在太阳热反射涂料的配方设计中，采用涂料 PVC 值在 10-50% 之间变化，反射率与 PVC 值之间能做出一条近似的正弦曲线。
3.3 涂层厚度及配套体系的影响
3.3.1 涂层厚度：热反射面漆涂层厚度越薄越好；涂层越厚，因热量积聚使得试板背面温度始终不能恒定。一般涂层厚度20～40微米较好。
3.3.2 配套体系：一般采用三层结构防锈底漆两道、隔热中间层两道、热反射面漆两道；隔热中间层主要起阻挡积聚热量向试板背面传递的作用，使得试板背面温度始终保持恒定。
４．热反射率的检测设备及方法
太阳热反射效果的测定主要包括：
? 精密仪器法：准确测定涂层（正面）对不同波长的近红外光的反射率。通过谱图及数据处理得到平均反射率。
? 实验室简易法：通过测定涂层下基材背面的温度，在同一系统中，不同涂层对碘钨灯光的反射后得到的温度比较，从而得到不同的热反射率。
? 模拟环境箱体法：通过测定在多个相同铁箱体表面涂刷不同涂层后内部环境温度 , 鉴定在相同颜色下，热反射涂层和非热反射涂层的效果。
4.1、太阳光中近红外反射率的测定
4.1.1、仪器
采用扫描分光光度计，型号为：岛津UV-3101PC.
其主要使用指标为 :
（ 1）波长范围 190nm--3200nm
（ 2）光度测量系统使用双光线，正比例测量系统
（ 3）光源 50W卤灯
（ 4）单色仪光栅式双单色仪
（ 5）探测器光电倍增管R-928用于紫外/可见区
pbs光电管用于近红外
（ 6）试样隔室内部尺寸：150W ′ 260D ′ 110Hmm
光线间距 100mm
（ 7）环境温度 15℃--35℃
（ 8）环境湿度 -45%--80%（当温度≥30℃时应＜70%＝
4.1.2制板：在一块40 ′ 40 ′2mm的钢板上面喷涂上两道环氧富锌底漆，干膜厚度为120±10微米，然后再喷涂上两道需检查的热反射面漆，漆膜干膜厚度为120±10微米，底、面漆的喷涂间隔时间为每隔24小时喷涂一道，喷最后一道面漆干7天后进行测试。
4.1.3操作：将制好的样板放在扫描分光光度计的试样隔室，测出其红外反射率在太阳光波长范围内的反射光谱图及测出其在近红外波段范围内（0.78—2.5微米）选定35个不同的波长所对应的红外反射率的数据表。
4.1.4平均红外反射率的计算
将35个红外反射率的数值相加之和除以35得平均红外反射率。
4.2、涂层热反射率检测系统的建立
4.2.1 热反射率所对应实测温度的确定：
根据美国军标MIL-E-46136A、46117A、46142（ME）以及USP5540998 假定黑板为理想黑体，即吸收率≈100%（碳黑的实际吸收率达97%）可以查得热反射率所对应实测温度为：
T 室温为当时室温，一般固定为28.8±0.5℃，T 黑板为标准黑板温度，一般为87.8±1℃。
例如：热反射率≥50%，T 实测≤68.3℃
热反射率≥60%，T 实测≤65.6℃
热反射率≥75%，T 实测≤61.1℃
4.2.2 、测热反射率的样板制备
对太阳的吸收率：2024型铝合金板ρ=0.16
铁板ρ=0.29、样板尺寸150×75×1mm
所以实测T X 值发现铁板比铝板高，因此铁板反射率就低。一般采用铝板。
喷黑漆板两块漆膜厚度为 35 ~ 40 u m，反射样板一块漆膜厚35 ~ 40 u m。
4.2.3 测热反射率仪器
热反射率仪器示意图见下
1 热反射涂料 2 两块样板 3 聚苯乙烯泡沫塑料
4 500W碘钨灯两个 5 稳压电源 6 温度传感器
7 温度记录仪 h 为370mm t 为60mm
4.2.4 测热反射率的步骤
①调节室温为28.8℃；
②将两块喷涂黑磁漆样板平行放在泡沫聚苯乙烯上，涂漆的一面朝上，其中心放在灯泡下，而且两板边缘彼此相距50mm处；
③调节稳压电源及 h，使两块样板在30分钟内达到平衡温度87.8℃。
④达到平衡温度后，立即撤走一块黑样板，换上一块待测热反射漆板；
⑤经 15分钟后，记录下平衡时反射漆样板的温度；
⑥温度曲线
图 1 典型的温度时间曲线图
⑦经4.2.1知。按照以上步骤，若实测涂刷两道热反射面漆的样板的温度在64℃--65℃之间，低于反射率60%时的65.6℃；远低于反射率50%时的68.3℃。
4.3、模拟环境箱体法
本试验方法主要是模拟环境来检测热反射涂料的效果，采用0.8mm厚的钢板，制成长×宽×高为450×450×450mm的箱体。在箱体的一面中心开孔固定温度计。
对同一颜色的热反射涂料和非热反射涂料的效果鉴别，采用两个箱体，其表面涂刷两道底漆后，分别涂刷热反射涂料、非热反射涂料两道。箱体内部采用相同介质（水、空气、油类、溶剂），在气候相同情况下（环境温度、阳光强弱），所测温度有较大差异。一般对空气介质，温度可降低 3—8℃。
5 、热反射涂料的品种
热反射涂料的品种很多，分类主要以所选用的基料及不同市场需求所对应的不同颜色体系。
按市场细分主要包括：
建筑业的屋顶和玻璃幕墙用热反射涂料、
石油工业的海上钻井平台、油罐、石油管道用太阳热反射涂料，
运输业的汽车、火车、飞机表面用太阳热反射涂料、
造船工业的船壳、甲板用太阳热反射涂料，
兵器及航天工业的坦克、火箭、宇宙飞船、航天器用太阳热反射涂料
按市场需求所对应的主要颜色细分有：白色热反射涂料
浅灰色热反射涂料
海灰色热反射涂料
深灰色热反射涂料
紫红色热反射涂料
草绿色热反射涂料
中绿色热反射涂料
深绿色热反射涂料
黄土色热反射涂料
黑色热反射涂料
海洋化工研究院在承担国家“九五”舰船系列攻关项目《热反射深灰甲板漆》的基础上，上述各色热反射涂料均已研制成功，深色热反射涂料的热反射率达50% 以上，浅色热反射涂料的热反射率达 70% 以上。
6 、热反射反射涂料的发展趋势
（1）太阳热反射涂料国外五十年代研制成功并投产；七十年代至八十年代在太阳热反射涂料方面的理论表述已形成；九十年代后期，随着技术的发展：高性能树脂的合成，高反射率的颜填料的出现，更快捷、精确的检测仪器研制成功，热反射涂料技术更加完善。而我国“九五”期间才起步。
（2）我们研制太阳热反射涂料起步虽晚，但起点高，瞄准国外九十年代后期的水平，无论是树脂合成，还是反射颜填料体系的选择，均达到国外同期水平。
? 国家经济的发展，新理论的形成，新技术（象高固含量低VOC树脂合成、水性树脂合成等）的发展，新材料（象纳米材料）的出现，我们会开发出高性能的太阳热反射涂料。
7 、结论
热反射涂料是我院“九五”攻关成果，具有突出创新特点，自主开发，拥有自主的知识产权。该项目产品研制成功对提高国防实力、提高油漆行业的技术水平、提高产品的档次以及加入 WYO后的竞争力，具有重要意义。该系列产品广泛应用各种行业，市场空间广阔，具有较强的市场竞争能力，有很好的社会和经济效益。
