CN112961534B

CN112961534B - 一种颜料、制备方法、包含该颜料的热控涂层及制备方法

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Publication number: CN112961534B
Application number: CN202110183807.3A
Authority: CN
Inventors: 王萌; 雷辉; 姜舟; 贺晨; 罗正平; 李俊峰; 孙理理
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2021-02-08
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2041-02-08
Also published as: CN112961534A

Abstract

本发明涉及一种颜料、制备方法、包含该颜料的热控涂层及制备方法，以MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体为颜料，与无机硅酸盐混合后，制备了一种太阳全光谱高反射热控涂层。MgZnO/SiO₂核壳复合粉体以MgZnO为核，表面包覆SiO₂的壳层，实现了热控涂层在紫外波段高反射，同时为提高涂层空间稳定性提供可能；通过合理的配方设计和喷涂工艺控制，制备的太阳全光谱高反射热控涂层漆膜致密，结合力好，解决了涂装后产品表面外观粗糙、容易掉粉等工程应用技术难题；改善了热控涂层与非金属基材的结合力，实现了涂层与不同种类基底材料的良好热匹配，满足中、低轨道长寿命航天器型号产品的热控需求，在民用领域也有着潜在的应用前景。

Description

一种颜料、制备方法、包含该颜料的热控涂层及制备方法

技术领域

本发明属于热控涂层技术领域，特别涉及一种颜料、制备方法、包含该颜料的热控涂层及其制备方法。

背景技术

现有热控涂层在太阳光紫外波段吸收比高，造成涂层整体太阳吸收比较高，同时，过多的紫外光吸收会引起涂层粘结剂裂解老化，涂层寿命末期太阳吸收比退化明显，导致产品末期温度偏高。目前，为了将温度控制在较水平，只能增大辐射器的面积，难以满足新一代卫星高效散热和减重的需求。

新一代卫星长时间面临太阳光辐照，表面温度增加明显，辐射器和散热板等部位需要提升自身辐射热量的能力，同时减少对外界太阳光能的吸收。因此，要求涂覆于表面的热控涂层需具有较低的吸收-发射比、太阳吸收比和较高的半球发射率，才能满足新一代卫星热控技术发展需求。

涂层紫外波段的吸收很大程度是由填料所致，目前广泛应用的白色热控涂层的填料为ZnO和MgO类，其中ZnO在红外波段反射率较高，紫外波段反射率较低，而MgO在近红外光波段反射率不足，以上两类产品难以满足新一代卫星热控技术对低太阳吸收比涂层的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种颜料、制备方法、包含该颜料的热控涂层及其制备方法，以MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体为颜料，与无机硅酸盐混合后，制备了一种太阳全光谱高反射热控涂层，在200-2600nm全波段反射率＞70％，吸收-发射比≤0.099，满足新一代卫星热控技术对热控涂层的需求，在民用领域也有着潜在的应用前景。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种颜料，所述颜料为MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体；所述MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体以MgZnO为核，以SiO₂为壳。所述MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体颗粒整体直径为50～70nm，核的直径为10～20nm。

进一步的，所述颜料的比表面积为20～26m²/g；所述颜料的白度为92～95％。

所述一种颜料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将硫酸镁与硫酸锌的混合溶液热注入硅酸钠溶液中，进行反应；

(2)将步骤(1)中的混合溶液中的反应产物与溶液分离，清洗，烘干；

(3)将步骤(2)所得产物烧结，得到MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体。

进一步的，步骤(1)中，硫酸镁与硫酸锌的混合溶液的浓度为0.25～0.5mol/L，硫酸镁与硫酸锌的摩尔比为1～1.2:9；硅酸钠溶液浓度为1.0～1.5mol/L。

进一步的，步骤(1)中，在室温下通过热注入的方法将硫酸镁与硫酸锌的混合溶液注入硅酸钠溶液中，热注入的速度为1～5ml/s；步骤(1)中，反应时间为10～20min。

进一步的，步骤(2)中，反应产物与溶液分离的方法为陈化后进行离心；所述陈化时间≥24h；所述离心的转速为8000～12000rpm，离心时间≥6min；步骤(2)中，清洗的方法为用去离子水清洗≥3次；烘干的温度≥80℃，时间≥24h。

通过离心的方法将反应产物与溶液分离；所述离心的方法中，转速为8000～12000rpm，离心时间≥6min；清洗的方法为用去离子水清洗≥3次；烘干的温度≥80℃，时间≥24h。

进一步的，步骤(3)中，烧结温度为400～500℃。

一种热控涂层，包含如下质量份数的组分：

权利要求1或2所述的一种颜料 1.5-2份；

无机硅酸盐 1份。

进一步的，所述无机硅酸盐为硅酸钾或硅酸钠中的一种或一种以上组合；所述无机硅酸盐的模数为3.5～4.5，固含量为25％～35％。

上述一种热控涂层的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：

(1)将权利要求1或2所述的一种颜料分散于无机硅酸盐的水溶液中，得到热控涂料；

(2)将步骤(1)所得热控涂料喷涂于已预处理的基材上，得到太阳全光谱反射热控涂层。

进一步的，步骤(1)中，采用球磨的方法将颜料分散于无机硅酸盐的水溶液中，球磨的时间为2～4小时；所述无机硅酸盐水溶液的质量浓度为30％～35％；所述热控涂料的细度≤60μm。

进一步的，步骤(2)中，喷涂的方法为多次喷涂，相邻两次喷涂间隔≥30min；所述太阳全光谱反射热控涂层总厚度为120～180μm。基材预处理方法包括打磨和吹砂等方式，用于提高无机涂层的结合力和工艺稳定性，室温固化，制备出具备超低吸收比的太阳全光谱高反射热控涂层。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明首次制备了作为颜料的MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体，以MgZnO合金纳米颗粒为核，在其表面包覆SiO₂的壳层，借助核与壳界面之间产生更强烈的反射和折射，与传统ZnO和MgO填料相比在紫外光和近红外光波段具备较高的反射率；

(2)本发明MgZnO/SiO₂核壳纳米结构的制备方法中，工艺简单，通过多次实验确定了最优工艺参数，得到稳定，高产率产物；

(3)本发明首次利用MgZnO/SiO₂核壳纳米结构为颜料，制备了一种热控涂层，实现了热控涂层在太阳全光谱的高反射，太阳吸收比(α_s)最低可达0.08、半球发射率(ε_H)最高可达0.92，太阳吸收比/半球发射率比值(α_s/ε_H)最低可达0.087，可满足中、低轨道各类航天器型号产品的热控需求；

(4)本发明热控涂层的制备方法中，采用高模数的无机硅酸盐为成膜物基体，提高了无机热控涂料的喷涂工艺适应性和稳定性；通过调整涂层中颜料和成膜物比例，实现涂层性能的调整；

(5)本发明通过合理的配方设计和喷涂工艺控制，制备的太阳全光谱高反射热控涂层漆膜致密，结合力好，解决了涂装后产品表面外观粗糙、容易掉粉等工程应用技术难题；改善了该类热控涂层与非金属基材的结合力，实现了涂层与不同种类基底材料的良好热匹配。

附图说明

图1为本发明实施例1一种热控涂层的200-2600nm波段反射率图；

图2为本发明一种热控涂层的制备流程图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

所述一种颜料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

进一步的，步骤(2)中，步骤(2)中，反应产物与溶液分离的方法为陈化后进行离心；所述陈化时间≥24h；所述离心的转速为8000～12000rpm，离心时间≥6min；步骤(2)中，清洗的方法为用去离子水清洗≥3次；烘干的温度≥80℃，时间≥24h。

进一步的，步骤(3)中，烧结温度为400～500℃。

一种热控涂层，包含如下质量份数的组分：

权利要求1或2所述的一种颜料 1.5-2份；

无机硅酸盐 1份。

上述一种热控涂层的制备方法，包括以下步骤：

实施例1

颜料MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体-1的制备：

(1)配制摩尔比为1:9的硫酸镁与硫酸锌混合溶液与1.0mol/L硅酸钠溶液作为前驱体溶液，硫酸盐混合溶液的浓度为0.5mol/L，采用热注入方式将硫酸盐混合溶液注入硅酸钠溶液中；溶剂为去离子水；热注入的速度为1～5ml/s；步骤(1)中，反应时间为10～20min。

(2)热注入反应结束后，进行陈化、离心，将混合溶液在9000rpm下离心6min将反应产物与溶液分离，并用去离子水清洗3次，并在80℃下烘干24h；

(3)将烘干产物在500℃进行烧结，得到MgZnO/SiO₂纳米结构复合粉体-1。

包含MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体的热控涂层(太阳全光谱高反射热控涂层)-1，的制备：

(1)取100g无机硅酸钾(模数为4，固含量为30％)，用200g去离子水稀释(去离子水为稀释剂)，配成硅酸钾水溶液，搅拌均匀，制备得到无色透明的成膜物基体液；

将上述制备的成膜物基体液、MgZnO/SiO₂纳米结构复合粉体200g和去离子水100g，投入到研磨罐中分散，通过球磨机研磨分散至细度为60μm以下，制备得到太阳光谱高反射白色热控涂料，待用。

(2)将无机热控涂料手动充分搅拌均匀后倒入喷枪料壶中，然后喷涂于已预先表面打磨处理好(目的为增加表面粗糙度)的基材铝合金基材上，喷涂时每遍间隔30min，控制涂层总厚度为150～180μm，室温干燥固化48h以上，制备得到太阳全光谱高反射热控涂层-1，并进行基本性能测定，结果如表1和图1所示。

表1太阳全光谱高反射热控涂层-1性能

漆膜实干时间	＜24h
		太阳吸收率α<sub>s</sub>	0.08
半球发射率ε<sub>H</sub>	0.92
		吸收比/发射率比值(α<sub>s</sub>/ε<sub>H</sub>)	0.087
200-2600nm波段反射率	78.0％-96.5％
		附着力(划格法)	1级

实施例2

颜料MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体-2的制备：

(1)配制摩尔比为1:9的硫酸镁与硫酸锌混合溶液与1.0MOL/L硅酸钠溶液作为前驱体溶液，硫酸盐混合溶液的浓度为0.5MOL/L，采用热注入方式将硫酸盐混合溶液注入硅酸钠溶液中；溶剂为去离子水；热注入的速度为1～5ml/s；步骤(1)中，反应时间为10～20min；

(2)热注入反应结束后，进行陈化、离心；将混合溶液在9000rpm下离心6min将反应产物与溶液分离，并用去离子水清洗3次，并在80℃下烘干24h；

(3)将烘干产物在400℃进行烧结，得到MgZnO/SiO₂纳米结构复合粉体-2。

包含MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体的热控涂层(太阳全光谱高反射热控涂层)-2的制备：

(1)取100g无机硅酸钾(模数为4，固含量为30％)，用200g去离子水稀释(去离子水为稀释剂)，配成硅酸钠水溶液，搅拌均匀，制备得到无色透明的成膜物基体液；

将上述制备的成膜物基体液、MgZnO/SiO₂纳米结构复合粉体150g和去离子水75g，投入到研磨罐中分散，通过球磨机研磨分散至细度为60μm以下，制备得到太阳光谱高反射白色热控涂料，待用。

(2)将无机热控涂料手动充分搅拌均匀后倒入喷枪料壶中，然后喷涂于已预先表面打磨处理好(目的为增加表面粗糙度)的基材铝合金基材上，喷涂时每遍间隔30min，控制涂层总厚度为120～150μm，室温干燥固化48h以上，制备得到太阳全光谱高反射热控涂层-2，并进行基本性能测定，结果如表2。

表2太阳全光谱高反射热控涂层-2性能

漆膜实干时间	＜24h
		太阳吸收率α<sub>s</sub>	0.09
半球发射率ε<sub>H</sub>	0.91
		吸收比/发射率比值(α<sub>s</sub>/ε<sub>H</sub>)	0.099
200-2600nm波段反射率	75.3％-94.2％
		附着力(划格法)	1级

实施例3

颜料MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体-3的制备：

(1)配制摩尔比为1:9的硫酸镁与硫酸锌混合溶液与1.0MOL/L硅酸钠溶液作为前驱体溶液，硫酸盐混合溶液的浓度为0.25MOL/L，采用热注入方式将硫酸盐混合溶液注入硅酸钠溶液中；溶剂为去离子水；热注入的速度为1～5ml/s；步骤(1)中，反应时间为10～20min。

(3)将烘干产物在500℃进行烧结，得到MgZnO/SiO₂纳米结构复合粉体-3。

包含MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体的热控涂层(太阳全光谱高反射热控涂层)-3的制备：

(1)取100g无机硅酸钠(模数为3.5，固含量为35％)，用200g去离子水稀释(去离子水为稀释剂)，配成硅酸钠水溶液，搅拌均匀，制备得到无色透明的成膜物基体液；

将上述制备的成膜物基体液、MgZnO/SiO₂纳米结构复合白色颜料粉体200g和去离子水100g，投入到研磨罐中分散，通过球磨机研磨分散至细度为60μm以下，制备得到太阳光谱高反射白色热控涂料，待用。

(2)将无机热控涂料手动充分搅拌均匀后倒入喷枪料壶中，然后喷涂于已预先表面打磨处理好(目的为增加表面粗糙度)的基材铝合金基材上，喷涂时每遍间隔30min，控制涂层总厚度为150～180μm，室温干燥固化48h以上，制备得到太阳全光谱高反射热控涂层-3，并进行基本性能测定，结果如表3。

表3太阳全光谱高反射热控涂层-3性能

漆膜实干时间	＜24h
		太阳吸收率α<sub>s</sub>	0.08
半球发射率ε<sub>H</sub>	0.91
		吸收比/发射率比值(α<sub>s</sub>/ε<sub>H</sub>)	0.088
200-2600nm波段反射率	76.1％-94.5％
		附着力(划格法)	1级

由太阳全光谱高反射热控涂层-1、2、3的各项性能参数可知，本发明一种太阳全光谱高反射热控涂层漆膜实干时间较短，成膜性好；在200-2600nm全波段反射率较高，且性能稳定；满足低的吸收-发射比、低太阳吸收比和高半球发射率的需求；同时，该类热控涂层与非金属基材的结合力好，实现了涂层与不同种类基底材料的良好热匹配。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种颜料，其特征在于，所述颜料为MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体；所述MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体以MgZnO为核，以SiO₂为壳；所述MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体颗粒整体直径为50~70nm，核的直径为10~20nm；

利用所述颜料制备的热控涂层在200-2600nm全波段反射率＞75.3%；

所述热控涂层包含如下质量份数的组分：

所述颜料 1.5-2份；

无机硅酸盐 1份。

2.根据权利要求1所述的一种颜料，其特征在于，所述颜料的比表面积为20～26m²/g；所述颜料的白度为92～95%。

3.根据权利要求1或2所述的一种颜料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将硫酸镁与硫酸锌的混合溶液热注入硅酸钠溶液中，进行反应；

（2）将步骤（1）中的混合溶液中的反应产物与溶液分离，清洗，烘干；

（3）将步骤（2）所得产物烧结，得到MgZnO/SiO₂核壳纳米结构复合粉体。

4.根据权利要求3所述的一种颜料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，硫酸镁与硫酸锌的混合溶液的浓度为0.25～0.5mol/L，硫酸镁与硫酸锌的摩尔比为1~1.2:9；硅酸钠溶液浓度为1.0~1.5mol/L。

5.根据权利要求3所述的一种颜料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，热注入的速度为1~5mL/s；步骤（1）中，反应时间为10~20min。

6.根据权利要求3所述的一种颜料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，反应产物与溶液分离的方法为陈化后进行离心；所述陈化时间≥24h；所述离心的转速为8000~12000rpm，离心时间≥6min；步骤（2）中，清洗的方法为用去离子水清洗≥3次；烘干的温度≥80℃，时间≥ 24h。

7.根据权利要求3所述的一种颜料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，烧结温度为400～500℃。

8.一种热控涂层，其特征在于，包含如下质量份数的组分：

权利要求1或2所述的一种颜料 1.5-2份；

无机硅酸盐 1份。

9.根据权利要求8所述的一种热控涂层，其特征在于，所述无机硅酸盐为硅酸钾或硅酸钠中的一种或一种以上组合；所述无机硅酸盐的模数为3.5～4.5，固含量为25%～35%。

10.根据权利要求8或9所述的一种热控涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将权利要求1或2所述的一种颜料分散于无机硅酸盐的水溶液中，得到热控涂料；

（2）将步骤（1）所得热控涂料喷涂于已预处理的基材上，得到太阳全光谱反射热控涂层。

11.根据权利要求10所述的一种热控涂层的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，采用球磨的方法将颜料分散于无机硅酸盐的水溶液中，球磨的时间为2～4小时；所述无机硅酸盐水溶液的质量浓度为30%～35%；所述热控涂料的细度≤60μm。

12.根据权利要求10所述的一种热控涂层的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，基材预处理方法包括打磨和吹砂；喷涂的方法为多次喷涂，相邻两次喷涂间隔≥30min；所述太阳全光谱反射热控涂层总厚度为120～180μm。