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分光光度计及红外光谱仪在夏热冬暖地区 节能建材光学性能检测中的应用
发布时间:2018-11-14 点击次数:302次

介绍分光光度计和红外光谱仪在夏热冬暖地区使用的节能建材光学性能的检测应用,重点对检测方法中的光谱图 原理和计算规程进行详尽分析,并进一步探讨光谱检测技术在未来新型建材检测领域的应用。

引 言

在节能建材光学性能检测工作中,分光光度计和 红外光谱仪发挥越来越重要的作用。按照广东省和深 圳特区有关建筑节能施工质量验收规范的要求,要对不 同工程部位所使用的节能材料的相关性能进行进场复 验,包括门窗和幕墙工程中所使用的单层和多层玻璃的 可见光透射比、遮阳系数;节能改造工程中贴膜玻璃的 紫外线透射比;墙体节能工程中所使用的热反射隔热涂 料的太阳反射比和浅色瓷砖面的太阳辐射吸收系数。通 过紫外/可见/近红外分光光度计和傅立叶红外光谱仪的联合使用,对全太阳光谱透射反射进行分析,成为生产 和科研的有力测试手段。笔者多年来一直从事建材检测 新技术的研发工作,对于分光光度计和红外光谱仪在亚 热带地区建筑节能材料检测的应用技术进行了探讨,积 累了宝贵的经验。

1 仪器介绍

1.1 紫外/可见/近红外分光光度计 紫外/可见分光光度计配置双光束、双单色器比 率式系统,波长范围为 175~3 300 nm,波长精度最高 0.08 nm。整个光学系统均采用全息刻线光栅,切光系统 为四区分段的扇形信号收集的斩波器技术,黑区/样品/黑区/参比循环。光源安装预校准并可自动切换的碘钨 灯与氘灯,在整个紫外/可见区配备高灵敏度的光电倍增 管。标配 150 mm 积分球及成品玻璃样片。 1.2 傅立叶红外光谱仪 傅里叶变换红外光谱仪与色散型红外分光的原理 不同,傅里叶变换红外光谱仪是基于对干涉后的红外 光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪,主要 由红外光源、光阑、干涉仪(分束器、动镜、定镜)、样 品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路 板和电源组成。波数范围为 7 800~350 cm-1 ,波数精 度优于 0.01 cm-1 。干涉仪从根本上消除了标准干涉仪无 法避免的动镜倾斜和切变的影响,无动态错误、无需校 正。标配标准反射镜片作为参比标准。 2 节能建材光学检测中的应用

2.1 低辐射镀膜玻璃 低辐射镀膜玻璃(“Low-E”玻璃)具有较高的近 红外反射率和可见光透过率,在保证充足阳光透射到室 内的同时,降低建筑能耗,提高热舒适性。在夏热冬暖 地区的节能工程验收时需对可见光透射比和遮阳系数 进行进场复验。

2.1.2 低辐射镀膜玻璃典型光谱组图 分析图 2~4 可知,低辐射镀膜玻璃在近红外波段 反射率增加,有效阻挡太阳光近红外波长进入室内,降 低其升温影响,在远红外波段反射率增加,辐射率减 低,降低进入室内的热量,同时低辐射镀膜玻璃具有较 低的可见光反射,保证室内的采光要求。

式中:Dλ为 D65 标准光源的相对光谱功率分布;τ(λ)为 玻璃透射比的光谱数据;V(λ)为人眼的视见函数。 2)遮阳系数SCcg如式(2)所示[1]: SCcg= g 0.87 (2) 式中:g 为玻璃的太阳光总透射比。 2.2 建筑用反射隔热涂料 建筑用反射隔热涂料是指具有较高太阳热反射比 和半球发射率,可以达到明显隔热效果的涂料。与普通 涂料相比,当采用反射隔热涂料时,增加了墙体的隔热 保温性能,该增加的隔热保温性能依据其节能效果折算 为反射隔热涂料等效涂料热阻,作为计算屋顶和外墙总 热阻的当量热阻附加值。

2.2.1 检验方法 1)测试条件。试验室环境应清洁、整齐,无腐蚀性 气体,无强磁场和电磁波干扰;温度为 15~25 ℃,相对 湿度一般为 20 %~60 %,气压为试验室气压。 2)试件制备[2]。将涂料在容器中充分搅拌混合均 匀,用线棒涂布器或刮板分两道涂覆在 1 mm 厚的铝合 金板表面,涂层干膜厚度为 200~300 μm,要求涂层平 整,无气泡、裂纹等缺陷。涂布两道的时间间隔水性产 品为 6 h,溶剂性产品为 24 h,养护时间为 168 h,最终的 试件尺寸为 40 mm×40 mm。 3)试验步骤。①测试前准备:接通设备电源,预热 约 20 min;把标准白板安装在积分球试件孔处。②测 试:确认仪器处于正常状态;设定仪器工作参数,在仪器 规定的波长范围内进行基线扫描;将试件安装在积分球 试样孔处;在同波长范围内进行相对于标准白板的试样 光谱反射比扫描,得出试件相对于标准白板的光谱反射 比曲线。

图 5 是试验室任选一种薄层隔热反射涂料的反射 光谱图。由光谱曲线可见涂料能对 400~2 500 nm 范围的太 阳红外线和紫外线进行高反射,不让太阳的热量在物体表 面进行累积升温,又能自动进行热量辐射散热降温。 2.2.3 试验结果计算 应用仪器的数据处理功能对数据进行处理和修 正,得到反射比的值,如式(3)所示。 (3) 式中:ρs为 试件的太阳反射比,至0.01;ρλi 为 波长 为λi时试件的光谱反射比;Es(λi )为在波长λi处太阳辐 射照度的光谱密集度,W/m2 • nm;Δλi为波长间隔Δλi = (λi+1-λi-1 )/2,nm;n 为 波长 200~2 600 nm 范围内测试 点数目,一般应不少于 50 点。 2.3 建筑外表面材料 建筑外表面材料主要指浅色外表面光滑饰面,例 如瓷砖、聚碳酸酯(PC)中空板等。参照夏热冬暖地区 居住建筑节能设计标准,墙体、屋面外表面的太阳辐射 吸收系数的最低限值应取 0.7。当建筑屋顶和外墙采用 反射隔热饰面(ρ<0.6)时,其计算用的太阳辐射吸收系 数应取修正值,且不得重复计算其当量附加热阻。

2.3.1 检验方法[3] 本方法是一种光谱反射比的测试法。任取 1 块 试样,利用瓷砖切割机将外墙面砖切割成 100 mm× 100 mm 的正方形试件。将试件安装在积分球试样孔处, 在同波长范围内进行相对于标准白板的试样光谱反射比 扫描,得出试件相对于标准白板的光谱反射比曲线。 2.3.2 浅色面瓷砖反射典型光谱图(见图 6) 由图 6 可知浅色面瓷砖同样具有较高的太阳反射 比,因而得出较低的太阳吸收比,符合围护结构饰面的节能设计要求。

2.3.3 试验结果计算 应用仪器的数据处理功能对数据进行处理和修 正,得到反射比的值。按公式(4)计算试件太阳反 射比。 (4) 式中:ρs 为试件的太阳反射比;ρλi 为波长为λi 时试件的 光谱反射比;Es(λi )为在波长λi处太阳辐射照度的光谱 密集度,W/m2 • nm;Δλi为波长间隔Δλi=(λi+1-λi-1 )/2, nm;n 为 波长 200~2 600 nm 范围内测试点数目,一般 应不少于 50 点。 外墙砖为不透明试件,太阳吸收比按公式(5) 计算。 αs=1-ρs (5) 式中:αs 为试件的太阳吸收比,至 0.01。 

3 结 论 对分光光度计测得可见光波长范围和红外光谱仪 测得远红外波长范围的光谱图联立分析,通过定积分计 算测定全太阳光谱范围内的可见光透射比、太阳光直接 透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比以及有关光学 参数,这一光谱测试技术规程在冬暖夏热地区节能型建 筑材料工程验收检验中发挥着重要作用。 分光光度计及红外光谱仪除了应用在节能建材的 光学检测外,在建材领域的化学分析、测色方面也有新 的应用项目,例如室内装修材料中有害物质含量的检 测、陶瓷色差分析等,相信随着科学技术的进步和对仪 器检测技术的不断探索,分光光度计及红外光谱仪在建 筑材料检测方面的用途会更加广泛。


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