一种近红外线反射二氧化钛-氧化锌自组装材料及制备方法
技术领域
本发明涉及纳米氧化钛的制备领域,具体涉及一种用于近红外线反射的二氧化钛-氧化锌自组装材料及制备方法。
背景技术
太阳光的大部分能量都集中在近红外和可见光范围内。从光效应来讲,太阳光谱中主要是红外波段直接产生热效应,也就是700-2500nm 的近红外部分,占太阳光谱能量的44%,而大于2500nm 的中红外只占太阳光能量的3%。热辐射所产生的热量通过玻璃传入建筑物及汽车内,造成建筑物等的能量损失及能耗增加,在炎热的夏季使空调负荷明显增大。因此近红外反射对降低室温具有重要的意义。人们已经发现金属氧化物对红外光线具有高的反射率,比较理想的是氧化锌和氧化锡铟,其可见光透过率约为75%或更高,红外反射率可达90%。已有研究表明,二氧化钛对近红外波长范围内的光具有较好的反射性能,尤其是特殊粒径的金红石型二氧化钛对近红外波长范围内的光反射性能更为优异。而将二氧化钛和氧化锌复合,将进一步提高二氧化钛粉体的近红外反射率。
中国发明专利申请号201110352185.9公开了一种氧化锌/二氧化钛复合纳米棒的制备方法,该发明是在搅拌过程中,把碱溶液和乙二胺分别加入至锌离子溶液中;搅拌均匀后,向混合溶液中加入二氧化钛粉体搅拌混合均匀后,将悬浮液放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中,进行水热反应,将制得沉淀产物用去离子水洗涤干燥,得到氧化锌/二氧化钛复合纳米棒材料。该方法可使二氧化钛的气敏、发光、光催化等有所增强和改善,并且具有工艺和流程简便,参数可调范围宽,成本低,可重复性强。然而,该发明方案制备的复合纳米棒的光反射面比微球型的反射面少,不利于近红外光的漫反射。
中国发明专利申请号201210456102.5公开了一种氧化锌/二氧化钛纳米复合材料的制备方法,包括如下步骤:配置锌离子溶液、碱溶液、乙二胺溶液,在搅拌过程中,把碱溶液和乙二胺分别加入锌离子溶液中;搅拌后,向混合溶液中加入二氧化钛粉体;搅拌使之混合均匀后,将悬浮液放入超临界的反应器提篮中进行反应,得到氧化锌/二氧化钛复合纳米材料。该方法制备的ZnO/TiO2复合材料产出比高,方法简单,产物的结晶度高,成本低,粉末间团聚小,分散度好等优点。然而,该发明方案中氧化锌只是物理沉降和包裹在二氧化钛表面,容易造成包裹不均匀,在使用过程中氧化锌脱落明显。
中国发明专利申请号200810243732.8公开了一种纳米二氧化钛-氧化锌复合粉体的制备方法。本发明向纳米二氧化钛水分散液中分别加入锌盐和碳酸盐水溶液,在纳米二氧化钛粒子间通过化学沉淀法沉积碱式碳酸锌,通过热处理使碱式碳酸锌热分解,并在纳米二氧化钛粒子之间产生大量纳米氧化锌,同时煅烧产生二氧化碳气体使纳米粒子分开而达到防团聚的目的。该方法具有工艺流程短、操作方便、成本低、容易控制的特点。然而,该发明方案中二氧化钛和氧化锌纳米粒子是分离相互独立的,没有相互复合。
中国发明专利申请号201510193392.2公开了一种纳米片构筑的核壳结构二氧化钛及其制备方法与应用。该发明采用溶剂热法,实现一锅法合成核壳结构二氧化钛。所述纳米片构筑的核壳结构二氧化钛包括外壳及内核,所述外壳和内核之间具有空腔,所述核壳结构二氧化钛的直径为800~1500nm,所述内核的宽度在300~500nm,所述外壳的厚度为200~300nm,所述外壳是由大量纳米薄片自组装而形成,纳米薄片的厚度在2~5nm,晶型为锐钛矿相。本发明特殊的结构可增强光的吸收和使用,提高光催化活性,可用于光催化、光解水产氢、染料敏化太阳能电池等领域。然而,该核壳结构生产过程复杂,不利于实现大规模生产。
根据上述描述,目前纳米二氧化钛-氧化锌复合粉体合成,多数二氧化钛没有经过处理,氧化锌与二氧化钛只是机械的包覆和混合,复合之后对红外的反射率还是很低,而且纳米粒子在合成过程中易团聚,造成最后的粒径不统一,对产品的控制比较困难。如果能够采用表面活化后的二氧化钛粉末,使二氧化钛表面与锌离子自组装,将会使得氧化锌均匀包覆在二氧化钛表面,并且两者之间形成较强的键合,而且将非常容易实现大规模工业化生产,将大大简化工艺流程,生产原料成本降低,安全性高,清洁环保。
发明内容
针对目前纳米二氧化钛-氧化锌复合粉体合成,多数二氧化钛没有经过处理,氧化锌与二氧化钛只是机械的包覆和混合,复合之后对红外的反射率还是很低,而且纳米粒子在合成过程中易团聚,造成最后的产品粒径不统一,对产品的控制比较困难。本发明提出一种用于近红外线反射的二氧化钛-氧化锌自组装材料,采用浓硫酸表面活化二氧化钛粉末,使二氧化钛表面形成悬挂键与锌离子自组装,再经过水热反应,使得生成的氧化锌均匀包覆在二氧化钛表面,并且两者之间形成较强的键合,而且将非常容易实现大规模工业化生产,将大大简化工艺流程,生产原料成本降低,安全性高,清洁环保。
本发明提供一种近红外线反射二氧化钛-氧化锌自组装材料的制备方法,采用金红石相二氧化钛颗粒作为原料,所述方法包括如下步骤:
(1)采用浓硫酸处理金红石相二氧化钛粉末,获得表面活化的二氧化钛粉末;
(2)配置锌离子源、三乙醇胺混合溶液,其中三乙醇胺的物质的量:锌离子的物质的量=2-7:1;
(3)向所述混合溶液中加入所述表面活化的二氧化钛粉末,添加量为锌离子物质的量的10-50%,整个过程中保持搅拌,获得悬浊液;
(4)将所述悬浊液放入不锈钢高压釜中,进行水热反应,其中反应温度100-160℃,反应时间8-20 小时;
(5)反应结束后,步骤(4)获得悬浊液经喷雾干燥器顶部的高速离心雾化器,喷雾成极细微的雾状液珠,与热空气并流接触在极短的时间内可干燥为成品。
优选的,所述金红石相二氧化钛粉末的粒径小于等于1微米。
优选的,所述浓硫酸处理金红石相二氧化钛粉末,具体是将金红石相二氧化钛粉末加入98%的浓硫酸中,所述金红石相二氧化钛粉末与浓硫酸的物质的量比为1:2-4,通过1000-1200rpm的高速分散处理2-5分钟,二氧化钛粒径均匀化、球化。
优选的,所述锌离子源为醋酸锌、硝酸锌、硫酸锌中的一种或两种以上的组合。
优选的,所述锌离子源、三乙醇胺混合溶液中的溶剂为去离子水、异丙醇、无水乙醇、邻苯二甲酸二丁酯中的任一种或两种以上的组合。
优选的,所述搅拌的速度为60-200rpm。
优选的,所述高速离心雾化的离心速度为1000-5000rpm,所述热空气温度为150-200℃。
一种近红外线反射二氧化钛-氧化锌自组装材料,由上述方法制备而得,为球形、各向异性的二氧化钛-氧化锌自组装材料。
本发明所制备用于近红外反射的二氧化钛-氧化锌自组装材料性能与未包裹的二氧化钛测试如表1所示。
表1:
性能指标 |
粒径分布 |
近红外反射率 |
产量 |
本发明 |
0.4-0.6μm(90%) |
92%以上 |
40-85kg/h |
改性前二氧化钛颗粒 |
0.4-0.6μm(40%) |
75% |
-- |
一种近红外线反射二氧化钛-氧化锌自组装材料及制备方法,与现有技术相比,其突出的特点和优异的效果在于:
1、本发明使用强酸改性二氧化钛,使得二氧化钛表面活化,使二二氧化钛粒径均匀化 、球化,并易于实现离子接枝,易于使得金属阳离子均匀的包裹在二氧化钛颗粒上面。
2、本发明采用锌离子自组装在二氧化钛表面,然后经过水热反应过程将合成氧化锌-二氧化钛颗粒,便于大规模生产。
3、本发明采用三乙醇胺钝化微晶表面能量的各异性,阻碍了微粒朝有利增长方向增长,使微晶的三维增长较均衡,形成的氧化锌颗粒覆盖均匀。
4、本发明原料成本低廉、安全、清洁、环保。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明,但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
(1)将粒径小于等于1微米的金红石相二氧化钛粉末加入98%的浓硫酸中,所述金红石相二氧化钛粉末与浓硫酸的物质的量比为1:2,通过1000rpm的高速分散处理2分钟,二氧化钛粒径均匀化、球化,获得表面活化的二氧化钛粉末;
(2)配置醋酸锌、三乙醇胺去离子水溶液,其中三乙醇胺的物质的量:醋酸锌的物质的量=2:1;
(3)向所述溶液中加入所述表面活化的二氧化钛粉末,添加量为醋酸锌物质的量的10%,整个过程中保持搅拌,搅拌的速度为60rpm,获得悬浊液;
(4)将所述悬浊液放入不锈钢高压釜中,进行水热反应,其中反应温度100℃,反应时间8小时;
(5)反应结束后,步骤(4)获得悬浊液经喷雾干燥器顶部的高速离心雾化器,高速离心雾化的离心速度为1000rpm,喷雾成极细微的雾状液珠,与150℃的热空气并流接触在极短的时间内可干燥为成品。
对实施例1中制备获得的二氧化钛-氧化锌纳米颗粒进行性能测试后,0.4-0.6μm粒径占比90%,红外反射率达到92%。
实施例2
(1)将粒径小于等于1微米的金红石相二氧化钛粉末加入98%的浓硫酸中,所述金红石相二氧化钛粉末与浓硫酸的物质的量比为1:2,通过1200rpm的高速分散处理3分钟,二氧化钛粒径均匀化、球化,获得表面活化的二氧化钛粉末;
(2)配置硝酸锌、三乙醇胺无水乙醇溶液,其中三乙醇胺的物质的量:硝酸锌的物质的量=3:1;
(3)向所述溶液中加入所述表面活化的二氧化钛粉末,添加量为硝酸锌物质的量的20%,整个过程中保持搅拌,搅拌的速度为100rpm,获得悬浊液;
(4)将所述悬浊液放入不锈钢高压釜中,进行水热反应,其中反应温度120℃,反应时间10 小时;
(5)反应结束后,步骤(4)获得悬浊液经喷雾干燥器顶部的高速离心雾化器,高速离心雾化的离心速度为1000rpm,喷雾成极细微的雾状液珠,与170℃的热空气并流接触在极短的时间内可干燥为成品。
对实施例2中制备获得的二氧化钛-氧化锌纳米颗粒进行性能测试后,红外反射率达到93%。
实施例3
(1)将粒径小于等于1微米的金红石相二氧化钛粉末加入98%的浓硫酸中,所述金红石相二氧化钛粉末与浓硫酸的物质的量比为1:3,通过1100rpm的高速分散处理4分钟,二氧化钛粒径均匀化、球化,获得表面活化的二氧化钛粉末;
(2)配置醋酸锌、三乙醇胺异丙醇溶液,其中三乙醇胺的物质的量:醋酸锌的物质的量=4:1;
(3)向所述溶液中加入所述表面活化的二氧化钛粉末,添加量为醋酸锌物质的量的30%,整个过程中保持搅拌,搅拌的速度为150rpm,获得悬浊液;
(4)将所述悬浊液放入不锈钢高压釜中,进行水热反应,其中反应温度120℃,反应时间12小时;
(5)反应结束后,步骤(4)获得悬浊液经喷雾干燥器顶部的高速离心雾化器,高速离心雾化的离心速度为3000rpm,喷雾成极细微的雾状液珠,与180℃的热空气并流接触在极短的时间内可干燥为成品。
对实施例3中制备获得的二氧化钛-氧化锌纳米颗粒进行性能测试后,红外反射率达到92%。
实施例4
(1)将粒径小于等于1微米的金红石相二氧化钛粉末加入98%的浓硫酸中,所述金红石相二氧化钛粉末与浓硫酸的物质的量比为1:3.5,通过1000rpm的高速分散处理5分钟,二氧化钛粒径均匀化、球化,获得表面活化的二氧化钛粉末;
(2)配置硫酸锌、三乙醇胺无水乙醇溶液,其中三乙醇胺的物质的量:硫酸锌的物质的量=5:1;
(3)向所述溶液中加入所述表面活化的二氧化钛粉末,添加量为硫酸锌物质的量的40%,整个过程中保持搅拌,搅拌的速度为180rpm,获得悬浊液;
(4)将所述悬浊液放入不锈钢高压釜中,进行水热反应,其中反应温度140℃,反应时间16 小时;
(5)反应结束后,步骤(4)获得悬浊液经喷雾干燥器顶部的高速离心雾化器,高速离心雾化的离心速度为4000rpm,喷雾成极细微的雾状液珠,与190℃的热空气并流接触在极短的时间内可干燥为成品。
对实施例4中制备获得的二氧化钛-氧化锌纳米颗粒进行性能测试后,红外反射率达到92%。
实施例5
(1)将粒径小于等于1微米的金红石相二氧化钛粉末加入98%的浓硫酸中,所述金红石相二氧化钛粉末与浓硫酸的物质的量比为1:4,通过1200rpm的高速分散处理5分钟,二氧化钛粒径均匀化、球化,获得表面活化的二氧化钛粉末;
(2)配置硫酸锌、三乙醇胺无水乙醇溶液,其中三乙醇胺的物质的量:硫酸锌的物质的量=6:1;
(3)向所述溶液中加入所述表面活化的二氧化钛粉末,添加量为硫酸锌物质的量的45%,整个过程中保持搅拌,搅拌的速度为180rpm,获得悬浊液;
(4)将所述悬浊液放入不锈钢高压釜中,进行水热反应,其中反应温度140℃,反应时间18 小时;
(5)反应结束后,步骤(4)获得悬浊液经喷雾干燥器顶部的高速离心雾化器,高速离心雾化的离心速度为4000rpm,喷雾成极细微的雾状液珠,与190℃的热空气并流接触在极短的时间内可干燥为成品。
对实施例5中制备获得的二氧化钛-氧化锌纳米颗粒进行性能测试后,0.4-0.6μm粒径占比95%,红外反射率达到95%以上。
实施例6
(1)将粒径小于等于1微米的金红石相二氧化钛粉末加入98%的浓硫酸中,所述金红石相二氧化钛粉末与浓硫酸的物质的量比为1:4,通过1000rpm的高速分散处理5分钟,二氧化钛粒径均匀化、球化,获得表面活化的二氧化钛粉末;
(2)配置醋酸锌、三乙醇胺去离子水溶液,其中三乙醇胺的物质的量:醋酸锌的物质的量=7:1;
(3)向所述溶液中加入所述表面活化的二氧化钛粉末,添加量为醋酸锌物质的量的50%,整个过程中保持搅拌,搅拌的速度为200rpm,获得悬浊液;
(4)将所述悬浊液放入不锈钢高压釜中,进行水热反应,其中反应温度160℃,反应时间20 小时;
(5)反应结束后,步骤(4)获得悬浊液经喷雾干燥器顶部的高速离心雾化器,高速离心雾化的离心速度为5000rpm,喷雾成极细微的雾状液珠,与200℃的热空气并流接触在极短的时间内可干燥为成品。
对实施例6中制备获得的二氧化钛-氧化锌纳米颗粒进行性能测试后,红外反射率达到94%。