红外反射颜料及其应用

红外反射颜料及其应用

（ gongshao@）

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：

A B C D E

IR黑颜料A Shepherd 1.658

IR黑颜料B BASF 0.266

IR黑颜料C BASF 3.498

IR黑颜料D Heucodur 1.229

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：

C.I. TSR

黑色

Carbon Black 5%

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

Phthalo Blue 15:4 18-20%

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%