熱反射型綠色涂料的制備及偽裝兼容性分析

林紅吉，孟憲林，張海永，曹京宜，藍席建

(1.海軍裝備技術(shù)研究所，北京 102442；2.寧波飛輪造漆有限責任公司，浙江 寧波 315821)

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熱反射型綠色涂料的制備及偽裝兼容性分析

林紅吉1，孟憲林1，張海永1，曹京宜1，藍席建2

(1.海軍裝備技術(shù)研究所，北京 102442；2.寧波飛輪造漆有限責任公司，浙江 寧波 315821)

摘要：通過引入具有近紅外反射能力的熱控顏填料技術(shù)，以氟碳樹脂體系為基料，制備出了一種熱反射型綠色涂料。研究結(jié)果表明，與標準偽裝綠色涂層相比，熱反射型綠色涂層的太陽反射率及近紅外反射率分別提升了40%和34%，具備了反射降溫能力。從國軍標中的偽裝技術(shù)指標出發(fā)，對所制備的熱反射型綠色涂層的偽裝兼容性及兼容偽裝功能的綠色涂層熱反射率極限進行了分析計算。結(jié)果表明：1)所制備的熱反射型綠色涂層具備國軍標所要求的偽裝兼容性能；2)為了滿足國軍標中的偽裝技術(shù)要求，兼容偽裝功能的熱反射型涂層反射率應(yīng)限定上限值，以綠色涂層為例，熱反射型涂層的太陽熱反射率要控制在<39.8%，近紅外反射率控制在<72.5%，方可滿足偽裝技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：氟碳樹脂；熱反射型涂料；太陽熱反射率；近紅外反射率;綠色；偽裝

夏季陽光輻照強烈，氣溫高(40～50 ℃)，給暴露在這種酷熱環(huán)境中的車輛裝備帶來了極大的影響，主要表現(xiàn)為高溫導(dǎo)致車體熱變形、降低電子設(shè)備可靠性和增大空調(diào)負荷等。受車體尺寸及供電能力限制，通過增加隔熱層材料厚度或是加大空調(diào)制冷功率的方式來解決上述問題的難度很大，需要考慮結(jié)合其他隔熱降溫技術(shù)來降低高溫的影響。

20世紀80年代，出現(xiàn)了一種太陽熱反射(也稱熱反射)型隔熱材料技術(shù)，其通過降低太陽輻射熱輸入的方式來獲得隔熱降溫的能力，目前該技術(shù)已在建筑、石化等民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。與民用領(lǐng)域應(yīng)用不同的是，要在軍事裝備上引入太陽熱反射材料技術(shù)需要面臨2類問題[3-4]：1)軍事裝備采用了包括綠色、土黃等背景環(huán)境色，屬于深色系色彩，與民用領(lǐng)域所采用的白色/淺色系熱反射材料相比，其技術(shù)實現(xiàn)難度更大；2)軍事裝備需要具備偽裝能力，要求涂層的光譜特征滿足偽裝技術(shù)規(guī)范所設(shè)定的一系列條件，給熱反射功能的實現(xiàn)提出了更高的要求。

本文針對軍事裝備使用最普遍的綠色體系，通過引入熱控顏料，基于具有良好耐候、光譜特性的氟碳樹脂，制備一種熱反射型綠色涂料，對其太陽熱反射率及偽裝兼容性進行測試分析，給出符合偽裝技術(shù)規(guī)范要求的綠色涂料熱反射率理論上限值。

1試驗

1.1原料與儀器

氟碳樹脂來自于深圳西其科技有限公司；固化劑來自于上海祈慶貿(mào)易有限公司；云母、硅粘土來自于北京利國偉業(yè)粉體有限公司；二氧化鈦來自于上海江滬鈦白化工有限公司；助劑來自于上海德億化工有限公司；熱控顏料來自于南京金猴化工有限公司和包頭錳高立新材料有限公司；溶劑來自于北京化學(xué)試劑廠；多通道溫度記錄儀型號為LR8402-21；溫度探頭為Pt100；紫外/可見/近紅外分光光度計型號為Lambda-950。

1.2涂料及樣板的制備

按照涂料配比(見表1)依次加入各種原料，低速攪拌均勻后再移至高速分散機，分散30 min，使之充分混合均勻制備涂料。

表1　熱反射型綠色涂料配方

1.3涂層性能測試

1.3.1樣板反射率的測定

利用美國Perkin Elmer公司配有積分球裝置的Lambda-950紫外/可見/近紅外分光光度計測量樣板的反射率，測定波長范圍為250～2 500 nm(波長間隔5 nm)。

1.3.2偽裝性檢驗及判定

依照GJB 798—1990《偽裝涂料漆膜顏色》[5]所規(guī)定的方法，測試380～1 100 nm波長范圍內(nèi)(間隔<10 nm)的光譜反射率，采用標準計算公式得出色差、可見光、近紅外亮度對比值。

2結(jié)果與討論

2.1樣板反射率

熱反射型綠色涂層與標準偽裝綠色涂層的反射率曲線對比圖如圖1所示。由圖1可以看出，熱反射型綠色涂層的反射率比標準偽裝綠色涂層的反射率明顯提高，只是在紫外區(qū)(295～380 nm)弱于標準偽裝綠色涂層的反射率，這一部分僅占地球接收到的太陽總能量的5%。根據(jù)太陽輻射能量的分布，可見光區(qū)(380～780 nm)約占地球接收到的太陽總能量的45%，近紅外區(qū)(780～2500 nm)約占地球接收到的太陽總能量的50%[6]，二者總計約占太陽輻射能量的95%。這就表明，與標準偽裝綠色涂層相比，熱反射型綠色涂層可以明顯降低太陽輻射能量的吸收，所帶來的直接效果是輻射所致的溫度升幅減小，從而起到了反射隔熱作用，實現(xiàn)了降低物體溫度的目的。

圖1　　　　熱反射型綠色涂層與標準偽裝綠色涂層　　　的反射率曲線對比圖

采用反射率曲線及太陽輻射光譜曲線數(shù)據(jù)[7]，按照GJB 6685—2009《艦船熱反射涂料通用規(guī)范》規(guī)定方法[8]計算了太陽反射率和近紅外反射率，結(jié)果見表2。

表2　不同涂層樣板熱反射率計算結(jié)果

注：太陽輻射能為994 W·m-2；太陽近紅外區(qū)輻射能為426 W·m-2(ASTM G173-2003)。

計算結(jié)果表明，采用熱控顏料配制的綠色涂料，其太陽熱反射率絕對值提高了10個百分點，比標準偽裝綠色涂料增加了40%；近紅外反射率絕對值則提高了15個百分點，比標準偽裝綠色涂料增加了34%。根據(jù)文獻[9-10]與其他顏色的實際溫度測試結(jié)果，熱反射率增加40%，預(yù)計可以獲得>5 ℃的溫度降低效果。

2.2偽裝性能兼容性分析

偽裝綠色是對綠色植物光譜特征進行模擬。綠色植物光譜特征(見圖2)主要表現(xiàn)為[11-13]：1)550 nm左右的葉綠素特征反射峰；2)750 nm左右反射率陡升(“紅邊”現(xiàn)象)，并在一定波長范圍內(nèi)反射率高位維持；3)1 300 nm之后，出現(xiàn)明顯的水分特征吸收帶。

圖2　不同含水量葉片的反射率曲線

對比圖1、圖2曲線可以看出，本文所制備的熱反射型綠色涂層在GJB 798—1990《偽裝涂料漆膜顏色》規(guī)定的波長范圍(380～1100 nm)內(nèi)表現(xiàn)出與綠色植物的典型光譜相似的特性。但也可以看出，在1 100 nm以上波段，涂層的光譜與天然綠色植物還存在著較大差異，這主要是由于目前GJB 798—1990《偽裝涂料漆膜顏色》對偽裝涂層的光譜測試范圍僅規(guī)定到380～1 100 nm，所以在對涂層光譜性能優(yōu)化時，尚未考慮1 100 nm以上的光譜特征的匹配。

為了能對涂層偽裝性能進行更為準確的評價，按照GJB 798—1990《偽裝涂料漆膜顏色》對所制備的熱反射型綠色涂層進行了偽裝特性參數(shù)的計算，結(jié)果見表3、表4。

表3　標準偽裝綠色涂層與熱反射型

表4　熱反射型綠色涂層的偽裝性能評判結(jié)果

由表4可知，熱反射型綠色涂層的光澤度、色差、可見光亮度對比和近紅外亮度對比均在標準范圍以內(nèi)。上述結(jié)果表明，本文所制備的熱反射型綠色涂層除具有優(yōu)異的熱反射性能外，同時也較好地實現(xiàn)了與偽裝色功能的兼容。

2.3偽裝綠色涂層的熱反射率極限分析

對于熱反射涂層來說，反射率當然越高越好；但為了滿足兼容偽裝色要求，反射率是不可能無限地高。為了進一步評估熱反射功能與偽裝性的兼容性，本文在兼容偽裝性要求的前提下，對綠色極限熱反射率進行了計算，過程如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，可見光亮度對比僅與Y相關(guān)，近紅外亮度對比與β相關(guān)，按照GJB 798—1990《偽裝涂料漆膜顏色》規(guī)定的可見光亮度對比值上限值0.1和近紅外亮度對比值上限0.2進行計算。

上述系數(shù)是以標準偽裝綠數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其可見光波段范圍反射率增大系數(shù)(Y/Ys)為1.1，近紅外波段范圍反射率增大系數(shù)(β/βs)為1.2，不同波段范圍乘的系數(shù)不同(380～740nm反射率乘可見光波段增大系數(shù)1.1；750～1 100nm反射率乘近紅外波段增大系數(shù)1.2)；由于GJB798-1990《偽裝涂料漆膜顏色》僅涉及到380～1 100nm波段，1 100nm以上波段反射率增大系數(shù)通過限定該波段最大值<100%進行設(shè)定，將上述增大系數(shù)帶入太陽反射率計算公式(GJB6685-2009)進行計算，結(jié)果見表5。

表5　兼容GJB 798-1990的綠色涂層熱反射率理論上限值

注：太陽輻射能為994 W·m-2；太陽近紅外區(qū)輻射能為426 W·m-2(ASTM G173-2003)。

從表5中的數(shù)據(jù)可以看出，在滿足偽裝色要求的前提下，偽裝綠色的熱反射率上限值為39.8%(近紅外反射率上限為72.5%)，相應(yīng)的色差由0增大到1.25(將可見光增大系數(shù)1.1帶入式1～式4)。單純從數(shù)值來看，本文所制備的熱反射型綠色涂料還有一定的提升空間，但需要找到更理想的顏料，如文獻[14]所制備的某種綠色顏料，其700～2 500 nm反射率>87%，遠遠高出了目前公開報道的商用綠色顏料的55%反射率值。

3結(jié)語

以氟碳樹脂為基料，通過引入熱控材料技術(shù)，制備了一種偽裝綠色熱反射涂料。光譜反射率測試實驗結(jié)果表明，與標準偽裝綠色涂層相比，其太陽熱反射率增大了40%，近紅外反射率增加了34%，根據(jù)GJB 798的偽裝性能判據(jù)，所制備的綠色熱反射涂料的色差、光澤度、可見光和近紅外亮度對比均保持在標準所限定的范圍內(nèi)。根據(jù)偽裝對涂層的可見光、近紅外亮度限定條件，結(jié)合太陽反射率計算公式，給出了兼容偽裝色要求的綠色熱反射型涂料的太陽反射率理論上限值。

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責任編輯彭光宇

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The Compatibility Analysis of Preparation of Solar-reflective Green Coatings and Their Camouflage

LIN Hongji1，MENG Xianlin1，ZHANG Haiyong1，CAO Jingyi1，LAN Xijian2

(1.Navy Equipment Technology Institute, Beijing 102442, China； 2.Feilun Coatings Ningbo Co., Ltd.， Ningbo 315821， China)

Abstract：A solar-reflective green coating with the fluorocarbon resin is prepared by the introduction of thermal-control fillings, which has good near-infrared (NIR) reflectance. The results show that, the solar-reflective green coating has much increased solar reflectivity, about 40% and 34% higher than those of the standard green camouflage coating in the solar region and NIR region respectively. Based on the technical requirements of the camouflage technical specifications of Chinese Military Standards, the camouflage compatibility and reflectivity upper limit of solar-reflective coating have been studied. The results are as follows: (1) The solar-reflective green coating has camouflage compatibility according the requirements of Chinese Military Standards；(2) The coating can meet the Camouflage Compatibility of Chinese Military Standards, taking emerald green coating layer as example, its solar reflectivity is less than or equal to 39.8%, and the reluctance is less than or equal to 72.5%.

Key words:fluorocarbon resin， solar-reflective coating， solar reflectivity， NIR reflectivity， green color， camouflage.

收稿日期：2015-06-08

作者簡介：林紅吉(1973-)，男，碩士，工程師，主要從事特種功能材料的開發(fā)及測試評估等方面的研究。

中圖分類號：TN 973.3；TB 34

文獻標志碼:B