热反射涂料太阳反射比测试方法及影响因素探讨分散机

热反射涂料太阳反射比测试方法及影响因素探讨

0 引言

为了消除强烈的太阳热辐射对物体的不利影响，降低能源消耗，20 世纪70 年代发明了太阳热反射涂料。经过几十年的发展，目前热反射涂料已成功地应用于航天、建筑、石化、军事、工业等领域，其显著的节能效果已得到业界的广泛认可。太阳反射比，有时也称为阳光反射比、热反射率，直接反应了热反射涂料的反射效果，是评判其热性能的最关键技术指标，如何建立科学、合理、适用的太阳反射比测试方法并对其影响因素进行深入的分析，是热反射涂料这一节能型材料的科学研究、开发应用及其产品标准和规范制定过程当中必须解决的重要问题中国涂料在线coatingol.com。

1 太阳反射比测试标准及其应用

热反射涂料起源于欧美国家，在长期的科研和应用过程中，国外发达国家尤其是美国制定了多个有关反射材料热性能测试方法的标准，为热反射材料的研究提供了统一规范的测试依据。国内热反射测试方法标准主要集中在军工领域相关标准如下：

GB/T 25968—2010 分光光度计测量材料的太阳透射比和太阳吸收比试验方法；

GJB 2502.2—2006 航天器热控涂层试验方法 第2 部分：太阳吸收比测试；

GJB 5023—2003 材料和涂层反射率和发射率测试方法；

ASTM C1549 Standard Test Method for Determinationof Solar Reflectance Near Ambient Temperature Using aPortable Solar Reflectometer；

ASTM C1918 Standard Test Method for MeasuringSolar Reflectance of Horizontal and Low-Sloped Surfacesin the Field；

ASTM E903 Standard Test Method for SolarAbsorptance，Reflectance，andTransmission of MaterialsUsing Integrating Spheres；

JIS K5602 涂膜太阳光反射率的测试方法。

以上太阳反射比测试标准应用状况见表1。

反射比测试方法应用

2 太阳反射比的测试方法

太阳反射比是物体反射到半球空间的太阳辐射通量与入射在物体表面上的太阳辐射通量的比值。太阳反射比是评价热反射性能最重要的技术指标，也是对热反射涂料进行节能计算时必须输入的热工参数之一。太阳反射比测试方法较多，以下是常用的两种。

2.1 光谱法

利用带积分球的紫外、可见光、近红外分光光度计可以精确测量材料不同波长的反射比，根据太阳光在一定波长范围内的相对能量分布，通过加权平均计算材料在上述波长范围内的太阳反射比。根据测试原理，光谱法又可分为绝对法和相对法。

绝对法是通过测试试样在波长为λi 时的光谱反射比，按式(1)计算太阳反射比的绝对值[1]：

式中，ρs 为试样的太阳反射比；ρλi 为波长λi 时试样的光谱反射比；ES(λi)为波长λi 处的太阳辐照度；Δλi为波长间隔；n 为300~2 500 nm 范围内测点数目，一般不少于50。

相对法则是测试试样在波长λi 时相对于标准白板的光谱反射比，按公式(2)计算试样的太阳反射比[1]：

式中ρ0λi 是波长为λi 时标准白板的光谱反射比，ρbλi是波长为λi 试样相对于标准白板的光谱反射比。标准白板通常为陶瓷板和Halon 板，需要定期到计量部门检验。相对法是用分光光度计测量材料太阳反射比最常用的方法。国内现行热反射涂料标准中太阳反射比测试方法采用GJB 2502《航天器热控涂层试验方法》，所引用的太阳光谱为航天工业标准QJ 1954《太阳电磁辐射》中的一个

天文单位外的太阳光谱辐照度，与地面太阳辐射强度差异较大，因此选用近地面的太阳光谱更为合理，例如采用ISO9845-1《太阳能——不同接收条件下近地面太阳光谱辐射——第1 部分：空气质量1.5 的直射及总太阳辐射》。ASTM E903 和JIS K5602 也是光谱法测定热反射涂料太阳反射比的方法标准，这两个标准所用的太阳光谱与ISO 9845-1 相同。应用光谱法测定太阳反射比能够客观地反映材料对太阳光谱不同波段的反射特性，测试精度高、受环境影响小，是公认的研究热反射材料最理想的测试方法。但是由于紫外、可见光、近红外分光光度计价格较为昂贵，国内仅有大的测试机构和有实力的科研单位能够承受，其应用受到了一定的限制。

2.2 便携式仪器法

美国材料测试协会标准ASTM C1549 规定了一种用便携式反射比测试仪测定材料常温下太阳反射比的方法。

图1 是符合ASTM C1549 标准的反射比测试仪外观。

便携式反射比测试仪

该仪器由测量头、读数模块、校准装置(黑腔体、标准板)、可充电电池组等组成。

测量头内的漫射钨卤素灯在10 s 的测量周期内，照射一个平整的样品2 s。通过测量头内的4 个探测器测量入射角为20°的辐射反射。每一个探测器配备滤光装置，使得它能与太阳光光谱的特定波段产生电子感应。这些电子感应经过读数模块处理后可得出不同空气质量(Air Mass0、1、1.5、2.0)时的太阳光反射比。仪器采用黑色腔体来校零，使用制造商提供的已知反射比的标准板进行校准。被测表面紧贴在仪器测量头的开口处，保持位置不变，读数模块即可显示恒定的反射比。该方法具有以下特点：

(1) 测量精度较高，数显分辨率为0.001。分别用分光光度计和便携式反射比测试仪对多个不同反射比的热反射涂料进行比对测试，部分结果见表2。

便携式反射比测试仪与分光光度计测试结果比对

通过表2 可以看出，ASTM C1549 方法与积分法测试结果非常接近，可信度高。

(2) 测量方式灵活

该仪器不仅可以在实验室对样品的反射比进行测量，借助太阳能电池，还可以在户外对建筑墙面、屋面、地面等表面的太阳反射比进行现场测量。另外，通过采取一些特殊的校准方法，该仪器能够测试柱面的太阳反射比，因此，可用于诸如屋面热反射瓦、异型的热反射金属板等材料的太阳反射比测试。

(3) 选择多样

通过读数模块上的按键，可以对测量的太阳辐射光谱进行选择，空气质量可以是0、1、1.5 和2，可以是直射辐射，也可以是总辐射。选项如表3。

选项和描述

测量头中的红外探测器可以对太阳光谱中的近红外波段产生感应，从而测量材料的近红外反射比，而近红外反射比的测试分析是彩色热反射涂料研究必不可少的条件之一。

3 太阳反射比的影响因素

对于涂料来讲，通过选择合适的原材料(包括树脂、颜料和填料等)、控制颜填料粒径、设计合理的配方，可大大提高涂层的热反射能力。近年来，国内在热反射涂料配方及工艺方面的研究较多，在此不再赘述。当对某一种热反射涂料进行太阳反射比测试时，一些物理因素，例如涂层表面状态、涂层厚度、底材类型等，在一定程度上也影响着热反射率数值的大小。采用2.2 所述的便携式反射率测试仪，就上述因素对涂层太阳反射比的影响进行了测试分析。

3.1 底材对太阳反射比的影响

选用几种常用的建筑材料作为制板底材，表面涂覆某水性白色热反射涂料，测试结果见表4。

底材对太阳反射比的影响

不同底材涂层反射比有一定的差异，当涂膜越薄时，差异越明显，即底材对涂层反射比的影响越大。当涂层较薄时，辐射能会穿透涂层抵达基层，反射的能量会受到基层的材料种类和基层表面状况的影响。因此，在热反射涂料实际应用过程中，为避免基层对热反射的影响，应保证一定的涂层厚度，从而使热反射涂料发挥最大的隔热功能。

3.2 涂层厚度对太阳反射比的影响

采用铝合金板作为基材，涂布某水性白色热反射涂料，测试不同厚度的热反射涂层太阳反射比(图2 中太阳反射比1)；另外，为考察基材的反射比对热反射涂层太阳反射比的影响，在铝合金板上喷涂反射比为0.05 的黑色涂料，再在黑涂层上涂布同种白色热反射涂料，同样测试不同厚度的热反射涂层太阳反射比(图2 中太阳反射比2)。由图2 可知，随着热反射涂层厚度的增加，太阳反射

比呈上升趋势，当涂层厚度达到一定程度(约150 μm)后，反射比达到最高值不再变化。涂层较薄时，采用低反射率基材的热反射涂层太阳反射比明显低于高反射率基材的热反射涂层，随着厚度的增加，差值越来越小，最后趋于一致。表明涂层越薄，基材的反射率对涂层太阳反射比的影响越大。

涂层厚度与太阳反射比关系图

3.3 涂层表面状态对太阳反射比的影响

采用不同的涂布工艺，使热反射涂层表面呈现不同的粗糙度，太阳反射比测试结果见表5。

不同表面状态太阳反射比

对于同一种涂料，粗糙的表面较平整的表面太阳反射比略高，但差异较小，表面状态对涂层太阳反射比影响不大。

4 结语

为评价热反射涂料节能效果，需要采用科学的方法对太阳反射比这一关键的热性能指标进行测试。与热反射涂料配方研究相比，太阳反射率测试方法的研究相对滞后，有关机构应积极地就热反射涂料热性能测试方法，尤其是太阳反射比测试方法及其影响因素进行系统而深入的研究并适时推出相应的测试方法标准。

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