CN104229888A - 一种微波等离子体改性二氧化钒粉体的制备方法 - Google Patents

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本发明涉及微波等离子体改性二氧化钒粉体的制备方法，包括以下步骤：将M型二氧化钒粉体放入微波等离子体装置腔内，进行等离子体表面改性，其中，微波等离子体为甲烷和氮气，控制微波输入功率为150W～200W，腔内压强为1.5KPa～2KPa，改性时间为30min～90min。本发明的主要优点：通过等离子改性技术，制备一种以掺碳改性层为表面层、具有核壳结构的VO2纳米材料，充分利用改性层的相变诱导效应，实现VO2纳米粉体的低温相变，从而获得优异的热致变色性能。这种可根据温度调节太阳光透过率的智能玻璃，与低辐射、热反射玻璃、电致变色、光致变色等节能镀膜玻璃相比，具有跨地区、多季节适应性和更高的节能性价比。

Description

一种微波等离子体改性二氧化钒粉体的制备方法
技术领域
本发明属于材料物理技术领域，具体的是涉及一种微波等离子体改性二氧化钒粉体的制备方法。
背景技术
日益严峻的能源危机和环境污染问题来自于全球总能耗和温室气体排放量的不断增加。目前，建筑能耗约占社会总能耗的30％，全球温室气体排放的33％也与建筑能耗有关。作为发展中国家的中国此问题更加突出，我国既有高能耗建筑多(约600亿平方米)，单位建筑面积能耗高是发达国家的2至3倍，建筑能耗总量大(约4.5亿吨标准煤，相当于45个三峡电站年发电量)，并且每年新建建筑中90％为高能耗建筑(约10亿平方米)。这些问题严重影响了我国社会和经济的可持续发展，因此推进建筑节能和既有建筑的节能改造成为我国节能减排工作的重点之一。推进建筑节能，不仅能够大幅减少建筑物能耗和温室气体排放，还会大大降低建筑物的运行成本。国务院关于加强节能工作的决定明确指出：要推动新建住宅和公共建筑严格实施节能50％的设计标准，直辖市及有条件的地区要率先实施节能65％的标准。
既然开展建筑的节能技术研究，就必须抓住建筑能耗的主要问题，其中由于隔热性差及太阳能利用率低等引起的采暖制冷能耗占建筑总能耗的比例最大。通过对建筑结构进行分析，可以发现玻璃窗是建筑能量损失的关键部位。玻璃窗是热量进出建筑物的主要通道，夏季太阳光透过窗玻璃对室内加热，过多的热量造成制冷能耗大大增加；冬季室内的热量又以热辐射和热传导的形式散失，造成采暖能耗的升高。研究表明，通过窗玻璃的热交换在夏季和冬季分别占到总能量交换的71％和48％。并且在现代化公共建筑中，大面积采用玻璃己成为趋势，窗玻璃的热交换将进一步增加。
可见，玻璃的节能化是实现建筑节能的核心手段。随着玻璃在现代建筑外墙的面积比例越来越大，玻璃窗作为建筑与外界进行能量交换的主要通道，对建筑节能有着重要的作用。辐射热作为玻璃在建筑与外界之间进行交换的主要能量，改变其热辐射性能是节能玻璃的主要任务。节能玻璃镀膜材料可以根据环境温度的变化自主改变光透过率和反射率，从而调节室内温度，达到冬天保暖、夏天保冷，是目前智能窗的研究重点。
热致变色节能玻璃通过采用具有热致变色性质的材料镀制于玻璃表面，使得玻璃对太阳光的通透性随着外界环境温度的改变而变化。在这些热致变色材料中，VO2是众多无机相变材料中研究最多的一种，这不仅仅是因为其相变性能优异，更重要的是因为VO2的相变温度(68℃)最接近室温，并且可以通过物理化学方法降低其相变温度，因而具有较大的应用前景。
发明内容
本发明的目的提供了一种通过微波等离子体改性二氧化钒粉体的制备方法，将制备好的M型二氧化钒粉体放入微波等离子体装置腔体内，控制微波等离子体混合气体甲烷和氢气的流量、微波输入功率、腔内压强以及改性时间，进行等离子体表面改性，可降低二氧化钒相变温度至45℃以下。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种微波等离子体改性二氧化钒粉体的制备方法，包括有以下步骤：将M型二氧化钒粉体放入微波等离子体装置腔内，进行等离子体表面改性，其中，微波等离子体为甲烷和氮气，混合气体流量比例为CH4：N2＝4～8：30～40，控制微波输入功率为150W～200W，腔内压强为1.5KPa～2KPa，改性时间为30min～90min。
按上述方案，所述的M型二氧化钒粉体由以下制备方法所得，包括有以下步骤：
A、称取二氯氧钒加入到去离子水中，均匀搅拌得到蓝色溶液，配得二氯氧钒溶液；
B、取二氯氧钒溶液，缓慢滴加浓氨水，边滴加边搅拌，蓝色溶液逐渐生成土黄色沉淀；当pH＝7时，沉淀不再大量生成，停止滴加浓氨水；将沉淀浑浊液置于超声波清洗器中，破碎；然后过滤、洗涤、真空干燥、研磨，即得到VO(OH)2前驱体粉末；
C、称取VO(OH)2前驱体粉末放入管式电阻炉，在N2氛围下热解，即得M型二氧化钒粉体。
按上述方案，热解温度为500℃～650℃，保温时间为30min～120min。
按上述方案，优选的热解温度为600℃，保温时间60min。
由于尺寸效应、表面界面应力应变对VO2相变及光学特性有着重要的影响，因此，通过微波等离子体对二氧化钒粉体进行改性，控制等离子的能量，改性时间、温度等工艺参数，研究在不同颗粒尺寸、改性粉体层厚度比情况下，VO2粉体的相变及光学特性。
本发明的主要优点：通过等离子改性技术，制备一种以掺碳改性层为表面层、具有核壳结构的VO2纳米材料，充分利用改性层的相变诱导效应，实现VO2纳米粉体的低温相变，从而获得优异的热致变色性能。将改性后的VO2纳米粉体分散在有机溶胶中，涂覆于玻璃表面，热处理后得到复合膜智能窗玻璃。这种可根据温度调节太阳光透过率的智能玻璃，与低辐射、热反射玻璃、电致变色、光致变色等节能镀膜玻璃相比，具有跨地区、多季节适应性和更高的节能性价比。
附图说明
图1为本发明实施例1改性前后二氧化钒粉体DTA曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明，但是此说明不会构成对本发明的限制。
实施例1：
(1)M型二氧化钒粉体的制备
A、称取1.3785g二氯氧钒(VOCl2)加入40ml的去离子水中，均匀搅拌至蓝色溶液。用50ml容量瓶滴定，配得二氯氧钒(VOCl2)浓度为0.2mol/L。
B、取一定体积的二氯氧钒溶液，缓慢滴加浓氨水，边滴加边搅拌，蓝色溶液逐渐生成土黄色沉淀。当pH＝7时，沉淀不再大量生成，停止滴加浓氨水。将沉淀浑浊液置于超声波清洗器中，破碎10分钟。然后过滤、洗涤、80℃真空干燥、研磨，即得到VO(OH)2前驱体粉末。
C、称取一定质量的前驱体粉末放入管式电阻炉，在N2氛围下热解，热解温度为600℃，保温时间为60min，即得到M型二氧化钒粉体。
(2)微波等离子体改性
将粉体放入微波等离子体装置腔内，进行等离子体表面改性。微波等离子体为甲烷(CH4、纯度99.999％)和氮气(N2、纯度99.999％)，混合气体流量(mL/min)比例为CH4：N2＝4：40)，控制微波输入功率为150W，腔内压强为1.5KPa，改性时间为30min。
经测试，如图1DTA曲线可知，通过微波等离子体改性，二氧化钒粉体的相变温度发生了明显的变化，从改性前的67.8℃降到了改性后的43.5℃。
实施例2：
(1)M型二氧化钒粉体的制备
A、称取1.3785g二氯氧钒(VOCl2)加入40ml的去离子水中，均匀搅拌至蓝色溶液。用50ml容量瓶滴定，配得二氯氧钒(VOCl2)浓度为0.2mol/L。
B、取一定体积的二氯氧钒溶液，缓慢滴加浓氨水，边滴加边搅拌，蓝色溶液逐渐生成土黄色沉淀。当pH＝7时，沉淀不再大量生成，停止滴加浓氨水。将沉淀浑浊液置于超声波清洗器中，破碎10分钟。然后过滤、洗涤、80℃真空干燥、研磨，即得到VO(OH)2前驱体粉末。
C、称取一定质量的前驱体粉末放入管式电阻炉，在N2氛围下热解，热解温度为500℃，保温时间为120min，即得到M型二氧化钒粉体。
(2)微波等离子体改性
将粉体放入微波等离子体装置腔内，进行等离子体表面改性。微波等离子体为甲烷(CH4、纯度99.999％)和氮气(N2、纯度99.999％)，混合气体流量(mL/min)比例为CH4：N2＝4：40)，控制微波输入功率为200W，腔内压强为2KPa，改性时间为60min。
经测试，二氧化钒粉体的相变温度降至44℃。
实施例3：
(1)M型二氧化钒粉体的制备
A、称取1.3785g二氯氧钒(VOCl2)加入40ml的去离子水中，均匀搅拌至蓝色溶液。用50ml容量瓶滴定，配得二氯氧钒(VOCl2)浓度为0.2mol/L。
B、取一定体积的二氯氧钒溶液，缓慢滴加浓氨水，边滴加边搅拌，蓝色溶液逐渐生成土黄色沉淀。当pH＝7时，沉淀不再大量生成，停止滴加浓氨水。将沉淀浑浊液置于超声波清洗器中，破碎10分钟。然后过滤、洗涤、80℃真空干燥、研磨，即得到VO(OH)2前驱体粉末。
C、称取一定质量的前驱体粉末放入管式电阻炉，在N2氛围下热解，热解温度为550℃，保温时间为90min，即得到M型二氧化钒粉体。
(2)微波等离子体改性
将粉体放入微波等离子体装置腔内，进行等离子体表面改性。微波等离子体为甲烷(CH4、纯度99.999％)和氮气(N2、纯度99.999％)，混合气体流量(mL/min)比例为CH4：N2＝4：40)，控制微波输入功率为200W，腔内压强为1.5KPa，改性时间为90min。
经测试，二氧化钒粉体的相变温度降至42℃。
实施例4：
(1)M型二氧化钒粉体的制备
A、称取1.3785g二氯氧钒(VOCl2)加入40ml的去离子水中，均匀搅拌至蓝色溶液。用50ml容量瓶滴定，配得二氯氧钒(VOCl2)浓度为0.2mol/L。
B、取一定体积的二氯氧钒溶液，缓慢滴加浓氨水，边滴加边搅拌，蓝色溶液逐渐生成土黄色沉淀。当pH＝7时，沉淀不再大量生成，停止滴加浓氨水。将沉淀浑浊液置于超声波清洗器中，破碎10分钟。然后过滤、洗涤、80℃真空干燥、研磨，即得到VO(OH)2前驱体粉末。
C、称取一定质量的前驱体粉末放入管式电阻炉，在N2氛围下热解，热解温度为650℃，保温时间为30min，即得到M型二氧化钒粉体。
(2)微波等离子体改性
将粉体放入微波等离子体装置腔内，进行等离子体表面改性。微波等离子体为甲烷(CH4、纯度99.999％)和氮气(N2、纯度99.999％)，混合气体流量(mL/min)比例为CH4：N2＝8：40)，控制微波输入功率为180W，腔内压强为1.5KPa，改性时间为90min。
经测试，二氧化钒粉体的相变温度降至43℃。

Claims (4)

1.一种微波等离子体改性二氧化钒粉体的制备方法，包括有以下步骤：将M型二氧化钒粉体放入微波等离子体装置腔内，进行等离子体表面改性，其中，微波等离子体为甲烷和氮气，混合气体流量比例为CH4：N2＝4～8：30～40，控制微波输入功率为150W～200W，腔内压强为1.5KPa～2KPa，改性时间为30min～90min。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体改性二氧化钒粉体的制备方法，其特征在于所述的M型二氧化钒粉体由以下制备方法所得，包括有以下步骤：
A、称取二氯氧钒加入到去离子水中，均匀搅拌得到蓝色溶液，配得二氯氧钒溶液；
B、取二氯氧钒溶液，缓慢滴加浓氨水，边滴加边搅拌，蓝色溶液逐渐生成土黄色沉淀；当pH＝7时，沉淀不再大量生成，停止滴加浓氨水；将沉淀浑浊液置于超声波清洗器中，破碎；然后过滤、洗涤、真空干燥、研磨，即得到VO(OH)2前驱体粉末；
C、称取VO(OH)2前驱体粉末放入管式电阻炉，在N2氛围下热解，即得M型二氧化钒粉体。
3.根据权利要求1中所述的微波等离子体改性二氧化钒粉体的制备方法，其特征在于热解温度为500℃～650℃，保温时间为30min～120min。
4.根据权利要求3中所述的微波等离子体改性二氧化钒粉体的制备方法，其特征在于热解温度为600℃，保温时间60min。
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