CN102181197A

CN102181197A - 用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂及其制备方法

Info

Publication number: CN102181197A
Application number: CN2011100727277A
Authority: CN
Inventors: 樊希安; 李光强; 胡晓明; 洪小杰; 朱诚意; 侯艳辉
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: CN102181197B

Abstract

本发明涉及一种用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂及其制备方法。其制备步骤是：分别配制浓度为0.1～2.0mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为8～13的碱性溶液，先将碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器(6)内，加热至40～90℃，再向反应容器(6)内通入压缩空气，搅拌；然后将所制备的含过渡金属阳离子的水溶液加入到反应容器(6)内，在40～90℃条件下保温0.5～7h；然后关闭微波加热炉，自然冷却至室温，停止搅拌，得固、液混合物；最后对固、液混合物进行离心分离，先后用水和无水乙醇洗涤，干燥，即得用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂。本发明具有能耗低，投资省、生产成本低、工艺简单和周期短的特点，所制得的纳米增黑剂的红外发射率高。

Description

用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂及其制备方法

技术领域

本发明属于节能涂料技术领域，具体涉及一种用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂及其制备方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的日益加剧，作为一类新型节能材料的红外辐射涂料受到了各国的普遍重视。我国大型工业炉窑每年消耗的能源占全国工业能耗的55％以上，但其平均热效率却不足30％，与发达国家工业炉的热效率50％相比还有很大差距。

红外辐射节能涂料能明显提高工业炉窑内衬表面的发射率，从而可以提高热工设备的热效率并达到节能效果。从国内外的文献报道和相关的实践证明，在工业炉窑的内衬喷涂红外辐射涂料可以节能5～25％以上，所以开展红外辐射节能材料的研究和开发对我国发展低碳经济具有非常重要的现实意义，也符合我国产业政策的发展需求。

目前红外辐射节能材料的发展方向之一是超细超薄化，这就要求红外辐射节能涂料内的增黑剂粒径要非常小，甚至达到纳米级，一方面增黑剂纳米化可以提高涂料的发射率，强化其节能效果，另一方面，增黑剂纳米化可以改善其施工工艺，防止涂料开裂并增加涂料与工业炉窑内衬的结合力，延长使用寿命。但纵观国内外文献报道或商业化的红外辐射节能涂料(CN101555369A，CN1296315C)，其增黑剂大都是先通过高温固相反应合成，随后通过球磨工艺实现细化处理。但球磨处理的材料粒径分布很宽，纳米级的粉末所占比例很少，并且球磨过程中会引入杂质，常常引起材料内成分的波动，影响材料的节能效果。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的不足，目的是提供一种能耗小、投资省、生产成本低、工艺简单、周期短和具有高发射率的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是采用以下制备步骤：

第一步、分别配制浓度为0.1～2.0mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为8～13的碱性溶液，备用；

第二步、将第一步制得的碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器内，加热至40～90℃，再通过微波加热炉的玻璃管通入压缩空气，用搅拌杆进行搅拌；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗加入到第二步的反应容器内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(2～10)，在40～90℃条件下保温0.5～0.7h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、对第三步所得的固、液混合物进行离心分离，再先后用水和无水乙醇洗涤，干燥，即得用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂。

所述的含过渡金属阳离子的水溶液中含有Fe²⁺和Mn²⁺离子，还含有Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺和Zn²⁺中的一种以上离子，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的80～85％。

所述的碱性溶液为NaOH水溶液、或为KOH水溶液、或为NH₃·H₂O的水溶液。

所述的微波加热炉的结构是：在微波炉壳体内壁的一侧设置有微波源，在微波炉壳体内的底板上设置有反应容器，冷凝回流管、玻璃管、滴液漏斗、光纤温度计和搅拌杆通过微波炉壳体顶板的通孔与反应容器相通，微波炉壳体顶板的通孔内镶嵌有铜管，微波加热炉内的反应容器和搅拌杆为聚四氟乙烯材质。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：

①本发明采用微波诱导液相合成法制备用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂，具有能耗低，投资省、工艺简单、周期短、反应温度低和生产成本低的优势。

②采用本发明所制备的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂粒径小于150nm，符合当前所要求的超细和超薄化的发展趋势，一方面增黑剂纳米化可以提高涂料的发射率，所制备的材料在全波段的发射率为0.88～0.93，强化了其节能效果，另一方面，增黑剂纳米化可以改善其施工工艺，防止涂料开裂并增加涂料与工业炉窑内衬的结合力，延长使用寿命。

因此，本发明具有能耗低，投资省、生产成本低、工艺简单和周期短的特点，所制得的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂的红外发射率高。

附图说明

图1为本发明采用的一种微波加热炉的结构示意图；

图2为本发明制备的一种用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂的XRD图谱；

图3为图2所述的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂的扫描电镜照片；

图4为图2所述的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂的红外发射率谱图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制：

为避免重复，先根据图1将本具体实施方式所涉及到的微波加热炉的结构统一描述如下：在微波炉壳体7内壁的一侧设置有微波源4，在微波炉壳体7内的底板上设置有反应容器6，冷凝回流管9、玻璃管1、滴液漏斗2、光纤温度计3和搅拌杆5通过微波炉壳体7顶板的通孔与反应容器6相通，微波炉壳体7顶板的通孔内镶嵌有铜管8；微波加热炉内的反应容器和搅拌杆为聚四氟乙烯材质。实施例中不再赘述。

实施例1

一种用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂及其制备方法，其制备步骤是：

第一步、分别配制浓度为0.1～0.5mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为8～9的碱性溶液，备用；

第二步、将第一步制得的碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器6内，加热至40～50℃，再通过微波加热炉的玻璃管1通入压缩空气，用搅拌杆5进行搅拌；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗2加入到第二步的反应容器6内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(2～4)，在40～50℃条件下保温0.5～1.5h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、对第三步所得的固、液混合物进行离心分离，再先后用水和无水乙醇洗涤，干燥，即制得用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂。

本实施例1中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺和Co²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的80～81％；碱性溶液为NH₃·H₂O溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.88～0.90。

实施例2

第一步、分别配制浓度为0.5～1.0mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为9～10的碱性溶液，备用；

第二步、将第一步制得的碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器6内，加热至50～60℃，再通过微波加热炉的玻璃管1通入压缩空气，用搅拌杆5进行搅拌；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗2加入到第二步的反应容器6内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(4～6)，在50～60℃条件下保温1.5～3.0h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、同实施例1。

本实施例2中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺和Zn²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的81～83％；碱性溶液为KOH溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.90～0.91。

实施例3

第一步、分别配制浓度为1.0～1.5mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为10～11的碱性溶液，备用；

第二步、将第一步制得的碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器6内，加热至60～70℃，再通过微波加热炉的玻璃管1通入压缩空气，用搅拌杆5进行搅拌；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗2加入到第二步的反应容器6内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(6～8)，在60～70℃条件下保温3.0～4.5h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、同实施例1。

本实施例3中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺和Ni²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的83～84％；碱性溶液为NaOH溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.89～0.91。

实施例4

第一步、分别配制浓度为1.5～2.0mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为11～12的碱性溶液，备用；

第二步、将第一步制得的碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器6内，加热至70～80℃，再通过微波加热炉的玻璃管1通入压缩空气，用搅拌杆5进行搅拌；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗2加入到第二步的反应容器6内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(8～10)，在70～80℃条件下保温4.5～6.0h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、同实施例1。

本实施例4中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺和Cu²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的84～85％；碱性溶液为NaOH溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.90～0.91。

实施例5

第一步、分别配制浓度为0.5～0.7mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为12～13的碱性溶液，备用；

第二步、将第一步制得的碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器6内，加热至80～90℃，再通过微波加热炉的玻璃管1通入压缩空气，用搅拌杆5进行搅拌；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗2加入到第二步的反应容器6内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(4～6)，在80～90℃条件下保温6.0～7.0h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、同实施例1。

本实施例5中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Cu²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的83～84％；碱性溶液为KOH溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.91～0.92。

实施例6

第一步、分别配制浓度为0.7～0.9mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为11～12的碱性溶液，备用；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗2加入到第二步的反应容器6内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(3～5)，在80～90℃条件下保温1.0～2.0h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、同实施例1。

本实施例6中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺、Cu²⁺和Zn²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的83～84％；碱性溶液为KOH溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.92～0.93。

实施例7

第一步、分别配制浓度为0.9～1.2mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为10～11的碱性溶液，备用；

第二步、将第一步制得的碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器6内，加热至45～55℃，再通过微波加热炉的玻璃管1通入压缩空气，用搅拌杆5进行搅拌；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗2加入到第二步的反应容器6内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(3～5)，在45～55℃条件下保温0.5～1.0h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、同实施例1。

本实施例7中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺和Zn²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的80～81％；碱性溶液为NaOH溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.89～0.91。

实施例8

第一步、分别配制浓度为0.6～1.0mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为10～11的碱性溶液，备用；

第四步、同实施例1。

本实施例8中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺、Co²⁺和Ni²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的81～82％；碱性溶液为KOH溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.89～0.91。

实施例9

第一步、分别配制浓度为1.0～1.2mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为9～10的碱性溶液，备用；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗2加入到第二步的反应容器6内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(4～7)，在50～60℃条件下保温1.0～2.0h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、同实施例1。

本实施例9中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺和Cu²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的82～83％；碱性溶液为NH₃·H₂O溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.90～0.92。

实施例10

第一步、分别配制浓度为1.5～1.8mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为9～10的碱性溶液，备用；

第二步、将第一步制得的碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器6内，加热至45～60℃，再通过微波加热炉的玻璃管1通入压缩空气，用搅拌杆5进行搅拌；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗2加入第二步的反应容器6内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(3～5)，在45～60℃条件下保温0.5～1.5h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、同实施例1。

本实施例10中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺和Zn²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的83～84％；碱性溶液为NaOH溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.89～0.90。

实施例11

第一步、分别配制浓度为1.0～1.2mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为10～11的碱性溶液，备用；

第二步、将第一步制得的碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器6内，加热至45～60℃，再通过微波加热炉的玻璃管1通入压缩空气，用搅拌杆5进行搅拌；第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗2加入到第二步的反应容器6内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(3～5)，在45～60℃条件下保温1.0～2.0h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、同实施例1。

本实施例11中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Cu²⁺和Zn²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的83～84％；碱性溶液为KOH溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.88～0.90。

实施例12

第一步、分别配制浓度为0.6～0.9mol/L的含过渡金属阳离子的水溶液和pH值为10～11的碱性溶液，备用；

第二步、将第一步制得的碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器6内，加热至55～70℃，再通过微波加热炉的玻璃管1通入压缩空气，用搅拌杆5进行搅拌；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗2加入到第二步的反应容器6内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(4～7)，在55～70℃条件下保温0.5～1.5h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

第四步、同实施例1。

本实施例12中的含过渡金属阳离子的水溶液为含Fe²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺和Zn²⁺的水溶液，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的84～85％；碱性溶液为NaOH溶液。本实施例所制备的材料在全波段的发射率为0.92～0.93。

本具体实施方式具有以下优点：

①本具体实施方式采用微波诱导液相合成法制备用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂，具有能耗低，投资省、工艺简单、周期短、反应温度低和生产成本低的优势。

②采用本具体实施方式所制备的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂粒径小于150nm，符合目前所要求的超细和超薄化的发展趋势。图2和图3分别为实施例8所制备的一种红外辐射涂料纳米增黑剂的XRD图谱和扫描电镜照片，其纳米增黑剂的平均粒径约为116nm。一方面增黑剂纳米化可以提高涂料的发射率，所制备的材料在全波段的发射率为0.88～0.93，强化了其节能效果，如图4为实施例8所制备的一种红外辐射涂料纳米增黑剂的红外发射率谱图，其发射率为0.89～0.91；另一方面，增黑剂纳米化可以改善其施工工艺，防止涂料开裂并增加涂料与工业炉窑内衬的结合力，延长使用寿命。

因此，本具体实施方式具有能耗低，投资省、生产成本低、工艺简单和周期短的特点，所制得的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂的红外发射率高。

Claims

1.一种用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂的制备方法，其特征在于制备步骤是：

第二步、将第一步制得的碱性溶液加入微波加热炉内的反应容器(6)内，加热至40～90℃，再通过微波加热炉的玻璃管(1)通入压缩空气，用搅拌杆(5)进行搅拌；

第三步、将第一步制备的含过渡金属阳离子的水溶液通过微波加热炉的滴液漏斗(2)加入到第二步的反应容器(6)内，含过渡金属阳离子的水溶液与第二步的碱性溶液的质量比为1∶(2～10)，在40～90℃条件下保温0.5～0.7h；然后关闭微波加热炉的微波电源和压缩空气，自然冷却至室温，停止搅拌，即得固、液混合物；

2.根据权利要求1所述的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂的制备方法，其特征在于所述的含过渡金属阳离子的水溶液中含有Fe²⁺和Mn²⁺离子，还含有Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺和Zn²⁺中的一种以上离子，其中，Fe²⁺和Mn²⁺离子的质量之和为上述过渡金属阳离子总质量的80～85％。

3.根据权利要求1所述的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂的制备方法，其特征在于所述的碱性溶液为NaOH水溶液、或为KOH水溶液、或为NH₃·H₂O的水溶液。

4.根据权利要求1所述的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂的制备方法，其特征在于所述的微波加热炉的结构是：在微波炉壳体(7)内壁的一侧设置有微波源(4)，在微波炉壳体(7)内的底板上设置有反应容器(6)，冷凝回流管(9)、玻璃管(1)、滴液漏斗(2)、光纤温度计(3)和搅拌杆(5)通过微波炉壳体(7)顶板的通孔与反应容器(6)相通；微波加热炉内的反应容器和搅拌杆为聚四氟乙烯材质。

5.根据权利要求1～4项中任一项所述的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂的制备方法所制备的用于红外辐射节能涂料的纳米增黑剂。