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0 引言
随着人类对生存环境的重视，在全球范围内各国全面实施节能减排措施。对无机颜料领域而言，正在严格限制使用能致基因毒性和生殖毒性等慢性毒性的铅、镉、六价铬系等重金属颜料。因此，即节能又环保的功能性无机颜料越来越受到市场的青睐，而真正能称得上节能环保的功能性无机颜料只有彩色混相无机颜料与环保级别的氧化铁、钛白粉等少数品种。
本文着重就具有红外线反射功效的节能环保型彩色混相无机颜料的特性及应用效果进行深入探讨。太阳辐射能的波长覆盖面很广，照射到地球的大部分能量被外层大气吸收，到达地面空间的波长为30O~2 500nm，按太阳光线光谱波长被分为三大部分，各部分所占有的能量比例不同：紫外区(UV)：295~400 nm，占地球接收到的太阳总能量的5%；可见光区(VIS)：400~720 nm，占地球接收到的太阳总能量的45%左右；红外区(IR)：720~2 500 nm，占地球接收到的太阳总能量的50%左右。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700~2500 nm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700~1 100 nm和1 100~2 500 nm。其中大部分能量集中在720~1 100 nm，即短波近红外区范围内。
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的太阳光能量测试值称为太阳光总反射率(TSR)，以百分数表示。如果一个物体表面的太阳光总反射率为75%，则可认为它吸收了25%的入射能量。不同的颜料反射不同量的红外线，因此升温的程度各不相同，白颜料是升温最低的，二氧化钛可反射太阳总能量的70%以上，传统的黑颜料炭黑，可吸收大部分可见光及红外线，反射量仅有5%。开发和研究具有反射功能的节能环保彩色颜料已成为当今的一个热门课题。颜料既可在可见光区吸收和反射一定波长的光以呈现需要的色彩，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。
按照彩色混相无机颜料着色技术(即复合无机颜料技术)生产的颜料具有高度耐候、耐热、耐化学品性，且环保无毒，用在耐候涂料配方体系中，可维持3O a而无明显降解，由其制成的涂料、塑料因升温低，热降解也低。复合无机颜料化学技术的最新进展体现在已开发出新型红外反射黑颜料，早期研究的产品有3倍炭黑的反射率，而最新品的反射率已超出炭黑5倍，而且黑度不变，效果极其明显。
1 红外反射颜料(IR 颜料)
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(IR颜料)，它由金属氧化物，碳酸盐，醋酸盐，或氧化物混合后经800 ℃以上高温固相反应，原料中的金属离子和氧离子重新排列，形成更稳定的尖晶石(Spine1)结构或金红石型(Rutile)结构。这些颜料里通常含有钛、镍、铬、锰、铁、钴等金属离子。常用的深色颜料有：P.G.50，P.B.28，P.Br.29，P.Br.24，P.Br.33，P.B.36，P.Y.53，P.Bk.12，P.Bk.30，P.G.17，P.G.26等。以巨发的CI P.Br.29铁铬黑为例，它在红外区有较大的反射，TSR可达25%以上，而普通黑色颜料的TSR只有5%左右(见图1)。
2 影响IR 颜料红外反射的因素
2.1 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 颜料在不同波长段的吸收性各自不同，两种以上的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。当它们混合使用时，混合物的TSR 低于各自单独的TSR(见图2)。
2.2 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。但过度的研磨会破坏颜料的颗粒结构，使主色调变淡，TSR 变小，见图3。
2.3 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。较薄的涂层虽然视觉上有满意的遮盖力，红外光反射不完全，会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。
2.4 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4)。因此在使用IR 颜料的过程中要非常注意不能受到一些普通颜料，尤其是炭黑、铁黑等颜料的污染。研磨设备必须清洗干净，保证没有交叉污染。在可见光区，颜料的遮盖力取决于颜料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5)，会受到颜料本身性质，涂料的颜基比，涂膜厚度等的影响。
3 透射型IR 颜料
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，但它也不像炭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，如萘酚红、酞菁蓝。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具很低的吸收率，但有较高透射率的颜料也称为IR 颜料。图6 是某个有机IR 颜料黑的反射曲线。
从图6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。使用具有红外透射性能的黑色有机IR颜料，与使用炭黑相比，配制同样的深蓝涂料(颜料质量浓度20%)，涂膜厚度为40 μm时的TSR测试结果如表1所示。
测试结果表明：使用炭黑的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%。
3 几种颜料的对比
对反射型红外颜料、透射型红外颜料的热反射率进行测试，同时与炭黑色浆作对比。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，然后分别在涂有白色底涂和黑色底涂的底板上涂刷制膜。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，结果如表2 所示。
从表4 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不一样。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相差20%以上。
(3) 炭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几乎没有影响。
根据这个原理，可开发出在无机白颜料或填料外面包覆彩色有机颜料且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。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、吲哚啉酮环类等，都具有这种透射红外光的性能，可以用来制作这种包覆型IR 颜料。现在已经有学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，它有很强的对太阳热能的反射功能，人们在树荫底下明显感到凉爽就是典型的例证。
4 环保性能
IR 颜料本身因反射红外光而具有节能效果，此外，该类颜料(特别是彩色混相无机颜料)还具有优异的无毒性能。尽管它们中含有一些被认为有毒的金属，如铬、锑、镍等，但由于在1 000 ℃以上高温煅烧，所形成的混相氧化物的惰性很高，人体的胃酸根本无法使其溶解，因此即使进人胃肠内，也对人体无害；人身接触它，也是绝对安全，因而符合接触食品要求以及玩具等的安全规定，在国际上该类颜料通过了FDA、ROHS、EN71-3、ASTM FM963等检测，甚至可应用于对环保性能有较高要求的领域，如食品包装及容器、儿童玩具、生活餐具、家居装饰等。
5 节能环保功能性无机颜料的应用
节能环保功能性无机颜料，特别是红外反射颜料的应用已经越来越受到重视，已在储罐、化工容器、建筑物(尤其是屋顶)等领域取得了明显的节能效果。该类颜料一些品种同时具有仿叶绿素功能，可用于防伪涂料与塑料制品，在国防军事领域具有非常重要的意义。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高，被传导、转换并通过辐射进入建筑结构内部。以ASTM 设定的太阳光强度平均值900 W/m2计算，这将转换成864 W/m2 的能量吸收。如果使用IR 颜料制得的涂层，其TSR 可达到30%左右，意味着吸收能量为630 W/m2。相对于沥青屋顶板，红外反射技术在能量吸收上降低了26%的净值(234 W/m2)。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 W/m2 的能量，比沥青屋顶板少吸收387 W/m2，可有效减少对电能的需求。国外有一个使用实例：在同一地区建造了2 个设计相同的小学，A 小学屋顶用反射率为12%的普通绿色颜料，B小学屋顶用反射率为29%的绿色IR 颜料。结果显示，后者第一年节省的电费为8 803 美元，预计20 a 可节省电费101 650 美元。
6 结语
红外反射率是光线对物体作用的一个重要特征。颜料总是在某些种类的基料如涂料中使用，一旦涂料吸收了红外能量，其必定要向外散热。不同的基材具有不同的散热率，金属(如铝和钢)，就具有高反射率、低散热率，这就意味着吸收的热在金属内部会长时间保持并以较低的速率释放出来。将金属涂上热反射漆后，聚合物成为其外层，其具有高散热率，所吸收的任何热量都会快速并充分地散发。粘土和混凝土具有中高散热率，涂料会将其散热率再次提升。通过正确选择颜料和使用涂料，将反射率和散热率结合起来，可消弱建筑物吸热量，大幅降低制冷能耗，这样散发到周围环境中的热也会少些，因而可降低“热岛效应”。节能环保功能性无机颜料，特别是红外反射颜料的节能降温效果，越来越受到人们的关注。近年来国内外在红外反射颜料技术，尤其是无机IR颜料的开发和利用方面，已取得长足进步。而充分发挥反射、阻隔和辐射之间的协同效应，研制复合型太阳热反射涂料具有重要的现实意义。开发导热系数低、近红外高反射、热红外低发射的新型无机材料，特别是可控半导体掺杂颜料、可控合成颜料和导电聚合物的发展，以及聚合物和无机材料中热能储存、转换及传递规律的研究，为复合型太阳热反射颜料涂料的研制奠定了基础。
随着人们对环保、节能要求的提高，科学技术的进步日新月异，节能环保功能性无机颜料一定会得到快速的发展和使用，红外热反射技术也必将会越来越呈现其重要性。
