CN113354974A

CN113354974A - 一种黑漆及其制备方法

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Publication number: CN113354974A
Application number: CN202110780876.2A
Authority: CN
Inventors: 熊磊; 曾鸣; 杨麟
Original assignee: Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute
Current assignee: Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute
Priority date: 2021-07-09
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2041-07-09
Also published as: CN113354974B

Abstract

本发明公开了一种黑漆及其制备方法，所述黑漆由石墨烯浆料、高色素炭黑和高发射率单组分水性涂料组成，其半球发射率大于0.9；所述制备方法包括以下步骤：S1：对高色素炭黑进行球磨；通过机械搅拌、超声波搅拌和超声波振荡，对石墨烯浆料进行分散；通过机械搅拌，对高发射率单组份水性涂料进行分散；S2：将在S1获得的高色素炭黑加入在S1获得的石墨烯浆料里，并通过超声波搅拌、机械搅拌和超声波振荡进行混合；S3：将S1获得的高发射率单组份水性涂料加入在S2所获得的混合液里，并通过超声波搅拌、机械搅拌和超声波振荡进行混合；S4：将在S3获得的混合物进行水浴加热，并同时进行机械搅拌和超声波搅拌。本发明取材容易，方法简单，成本低廉。

Description

一种黑漆及其制备方法

技术领域

本发明涉及黑漆领域，特别是涉及一种黑漆及其制备方法。

背景技术

黑漆，是一种外观呈现均匀的黑色热控涂层。对电磁波的吸收系数达到1的理想化的黑漆，称之为“黑体”，是研究热辐射的标准物质。半球发射率是固体材料的一个重要物理性能参数，它体现了材料在特定温度下相对黑体的辐射能力，是热控涂层的关键参数。现实中，国家标准规定无光黑漆的半球发射率不小于0.90。

由于黑漆具有高吸收比，即高太阳吸收率和高发射率，使其成为一种良好的消光漆，能在一定的波长范围内(如紫外光波段、可见光波段、近红外波段)强烈吸收光线，以降低光学系统的杂光和散光现象，最后得到一个良好的像效果。因此，黑漆也成为稳态量热计法半球发射率测试仪的必要材料之一，制作其关键部件热沉和标准物质均需用到黑漆。

然而，目前国内只有高辐射涂层或高发射率红外辐射涂料的制备，而对高半球发射率黑漆的研究和制备则鲜有报道。高辐射涂层或高发射率红外辐射涂料多以Fe、Co、Ni占据的矿物如FeFe₂O₄、CoFe₂O₄、NiFe₂O₄等反式尖晶石材料为原料，也有以过渡金属氧化物Fe₂O₃和MnO₂为主要原料，并以少量的CuO和CoO为辅助料，还有以金属氧化物和氢氧化物填颜料ZnO、TiO₂、Fe₂O₃、Ta₂O₅、Cr₂O₃、Cr(OH)₃等，但这些涂层和涂料半球发射率均达不到0.9，无法满足稳态量热计法半球发射率测试仪的应用要求。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种黑漆及其制备方法，符合国家标准，并可应用于稳态量热计法半球发射率测试仪。

本发明的目的是通过以下技术发明实现的：

一种黑漆，由石墨烯浆料、高色素炭黑和高发射率单组分水性涂料组成；所述黑漆的半球发射率大于0.9。

相对于现有技术，本发明提供的黑漆的半球发射率能达至0.9以上，达到目前国内先进水平，且制备方法简单，取材容易，成本低廉。

进一步地，所述黑漆中各组分的质量百分比为：石墨烯浆料15％～20％、高色素炭黑20％～25％、高发射率单组分水性涂料55％～60％；其中，所述石墨烯浆料中石墨烯的质量百分比为0.015％～0.020％。

优选地，所述黑漆中各组分的质量百分比为：石墨烯浆料19％、高色素炭黑24％、高发射率单组分水性涂料57％；其中，所述石墨烯浆料中石墨烯的质量百分比为0.015％～0.020％。

本发明还提供一种黑漆的制备方法，包括以下步骤：

S1：对高色素炭黑进行球磨；

通过机械搅拌、超声波搅拌和超声波振荡，对石墨烯浆料进行分散；

通过机械搅拌，对高发射率单组份水性涂料进行分散；

S2：将步骤S1获得的高色素炭黑加入步骤S1获得的石墨烯浆料里，并通过超声波搅拌、机械搅拌和超声波振荡进行混合，得到石墨烯浆料与高色素炭黑混合液；

S3：将步骤S1获得的高发射率单组份水性涂料加入步骤S2所获得的混合液里，并通过超声波搅拌、机械搅拌和超声波振荡进行混合，得到石墨烯、高色素炭黑和高发射率单组份水性涂料的混合物；

S4：将步骤S3获得的混合物进行水浴加热，并同时进行机械搅拌和超声波搅拌，得到黑漆。

相比现有技术，本发明基于各组分材料的性质，通过机械搅拌、超声波搅拌和超声波振荡联合使用将各组分材料充分分散，依次混合，获得混合均匀的黑漆。设计简单，成本低廉。

进一步地，所述超声波搅拌的功率为400～800W；所述超声波振荡的功率为500～1000W。

进一步地，所述机械搅拌、所述超声波搅拌和所述超声波振荡的时长为大于等于10min。

进一步地，在步骤S1中，对所述石墨烯浆料的分散是先同时进行机械搅拌和超声波搅拌，再同时进行机械搅拌和超声波振荡。

进一步地，在步骤S1中，对高发射率单组份水性涂料的分散是进行机械搅拌。

进一步地，在步骤S2中，将步骤S1获得的高色素炭黑加入步骤S1获得的石墨烯浆料的过程同时进行机械搅拌和超声波搅拌，加入完毕后，先用超声波搅拌，再同时进行机械搅拌和超声波振荡，使混合充分。

进一步地，在步骤S3中，在高发射率单组份水性涂料加入所述混合液的过程中，同时进行机械搅拌和超声波振荡，加入完毕后，先进行机械搅拌，再进行超声波搅拌，使混合充分。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明黑漆内部的结构示意图；

附图标记：10-石墨烯、20-高色素炭黑、30-高发射率单组分水性涂料。

具体实施方式

申请人通过对各具有吸电磁波性质的组分材料的研究，提供一种以单组分水性反射涂料为基础，与石墨烯浆料和高色素炭黑按照一定比例复合获得具有高发射率的黑漆，通过石墨烯与高色素炭黑的协同作用，使获得的黑漆的半球发射率大于0.9。

具体地，所述黑漆中由石墨烯浆料、高色素炭黑和高发射率单组分水性涂料组成，各组分的质量百分比为：石墨烯浆料15％～20％、高色素炭黑20％～25％、高发射率单组分水性涂料55％～60％；所述石墨烯浆料中石墨烯的质量百分比为0.015％～0.020％。

石墨烯由于其独特的二维纳米晶体结构赋予了石墨烯独特的性能。在石墨烯结构中，相邻的两个碳原子以σ键连接在一起，而垂直于晶面方向上的自由电子形成π键，π电子可以在其晶体结构平面内自由移动，使石墨烯具备良好的电磁波吸收率和导电性。然而，虽然石墨烯的电磁波吸收频带宽度较大，但其吸收强度较弱，因此申请人将石墨烯结合高色素炭黑来增加制得的黑漆对一定的波长范围内的光吸收能力，同时增大黑漆内部的比表面积，从而使二者的混合物具有高半球发射率。此外，本发明黑漆的高发射率单组分水性涂料既作为石墨烯和高色素炭黑混合的胶粘剂，同时其本身具有的高发射率特性，也会进一步提高本发明黑漆的发射率。

请参阅图1，图1是本发明黑漆内部的结构示意图。由图1可见，本发明的黑漆是以高发射率单组分水性涂料为基底，高色素炭黑以无定形颗粒存在并均匀分散在高发射率单组分水性涂料基底内，而石墨烯是以片层结构分散于高色素炭黑的间隙之中。光具有电磁波特性，当光射至所述黑漆，经过石墨烯一层一层的吸收，光的反射逐渐减少，而进入涂料内部的光则被高色素炭黑吸收，吸收的光经过黑漆内部的损耗转化为热能，热能再向外辐射。由于石墨烯与高色素炭黑均匀的高度分散使涂料内部具有极大的比表面积结构，令热能更快地向外辐射，从而使该涂层的半球发射率更高。由此可见，墨烯片层和高色素炭黑颗粒的尺寸、数量及其在高发射率单组份水性涂料中的分布均匀程度对的半球发射率的高低起着至关重要的作用。石墨烯片层和高色素炭黑颗粒的尺寸越小，数量越多，则黑漆内部结构的比表面积越大；而各组分材料在黑漆中的混合程度越高，石墨烯片层和高色素炭黑颗粒分布越均匀，进而黑漆的热辐射能力也越强。

基于此，申请人提出一种黑漆的制备方法，通过机械搅拌、超声波搅拌和超声波振荡联合使用对各组分材料进行分散和混合，并依据各组分材料的物理特性，设置各组分材料的混合次序，获得混合均匀程度高的黑漆。

所述黑漆的制备方法包括以下步骤：

S1：对高色素炭黑进行球磨；

通过机械搅拌，对高发射率单组份水性涂料进行分散；

具体地，称取8.4g高色素炭黑放入微型高能球磨机中，加入适量的水，以1000r/min的速度进行高速球磨，球磨完毕后倒出，备用；

取6.73g石墨烯占比0.015％～0.020％的石墨烯浆料先同时进行机械搅拌和超声波搅拌，时长为大于等于10min，所述机械搅拌转速1000～1400r/min，所述超声波搅拌的功率400～800W，后同时使用机械搅拌和超声波振荡进行分散，时长为大于等于10min，所述机械搅拌转速1000～1400r/min，所述超声波振荡的功率500～1000W；

取20.13g高发射率单组份水性涂料，利用机械搅拌将高发射率单组份水性涂料搅拌均匀，所述机械搅拌转速1000～1400r/min。

具体地，将步骤S1获得的高色素炭黑加入步骤S1获得的石墨烯浆料后，先进行机械搅拌，时长为大于等于10min，所述机械搅拌转速1000～1400r/min；再进行超声波搅拌，时长为大于等于10min，所述超声波搅拌的功率400～800W，最后同时进行机械搅拌和超声波振荡，时长为大于等于10min，所述超声波振荡的功率500～1000W。

具体地，将步骤S2获得的高发射率单组份水性涂料加入步骤S3所获得的混合液里，加入过程中，先同时进性机械搅拌和超声波振荡，时长为大于等于10min，所述机械搅拌的转速为500～800r/min，所述超声波振荡的功率为500～1000W；加料完毕后，先进行超声波搅拌，再进行机械搅拌，所述超声波搅拌的功率400～800W，所述机械搅拌的转速调为1000～1400r/min。

具体地，将步骤S3获得的混合物进行水浴加热，并同时进行机械搅拌和超声波振荡，所述水浴的温度为60～70℃，使多余的水分蒸发；所述机械搅拌1000～1400r/min，所述超声波振荡的功率500～1000W。在蒸发水分时，可根据水分蒸发情况逐渐降低机械搅拌的转速，所述超声波振荡的功率保持不变。待多余的水分蒸发后，最终获得黑漆。

以下结合3个具体实施例进一步具体说明本发明黑漆的制备方法。

3个具体实施例均采用上述步骤制备黑漆，其中，所述高发射率单组份水性涂料采用CY-6000纳米涂料，所述超声波搅拌采用投入式超声波细胞破碎仪，所述超声波振荡采用超声波清洗仪。实施例1～3黑漆的各组分材料及其质量百分比见表1。

表1黑漆中各类材料的质量百分比

实施例1～3的区别在于各步骤中所述机械搅拌、超声波搅拌和超声波振荡对进行分散或者混合的时长，以及所述超声波搅拌和和所述超声波振荡的所使用功率不同，各实施例超声波的功率、分散时长和混合时长见表2。

表2实施例1～3的超声波功率和分散时长或混合时长对比

以下通过实验数据进一步说明本发明实施例1～3所制得的黑漆的效果。

根据标准GJB 2502.3《航天器热控涂层试验方法第3部分：发射率测试》中的稳态量热计法，分别检测实施例1～3制备的黑漆其半球发射率，检测结果见表3。

表3实施例1～3制得的黑漆的半球发射率

编号	实施例1	实施例2	实施例3
				半球发射率	0.91	0.93	0.92

由表3可知，采用本发明的制备方法制得的黑漆的半球发射率均超过国家标准的0.9。

结合表2和表3进行对比，由实施例1和实施例3的结果对比可知，分散时长和混合时长越长，各组分材料的分散程度以及在黑漆中的混合程度越高，所制得的黑漆的半球发射率越大；而实施例2中，超声波搅拌和超声波振荡的功率以及分散时长均超过实施例1和实施例3，因此各组分材料的分散程度也就越高，其制得的涂料的半球发射率也大于实施例1和实施例3的半球发射率。由此可见，各组分材料的分散程度以及其在黑漆中混合程度也对所制得黑漆的半球发射率有关键性的影响。

此外，申请人还根据标准GJB 2502.3《航天器热控涂层试验方法第3部分：发射率测试》中的稳态量热计法测量2种单一组分对比涂料的半球发射率，并将其与实施例3制得的复合黑漆进行对比，各涂料的组分及其质量百分比以及对比结果见表4：

表4实施例3制得的复合黑漆与单一组分涂料的性能对比

由表4可知，对比涂料1和对比涂料2只含有单一组分的高色素炭黑或石墨烯浆料，其半球发射率未能达到0.9的国家标准；而本发明制得的黑色涂料相对于对比对比涂料1和对比涂料2，半球发射率有较大的提升。其原因在于：单一组分材料的热辐射能力有限，其内部的比表面积较小，进而限制了热辐射能力，因而使其半球发射率无法达至较高的水平；而多组分材料综合了多种材料的优点，其在涂料内部形成的结构和较大的比表面积，使其热辐射能力有了较大提升。

相较于现有技术，本发明提供的黑漆中组分材料具有极高的分散度，其中石墨烯和高色素炭黑均匀分布在高发射率单组分水性涂料内，并且石墨烯呈层片结构分散在高色素炭黑颗粒的孔隙之间，通过石墨烯一层一层的吸收，光的反射逐渐减少；同时，高度分散的石墨烯和高色素炭黑具有高比表面积，使光在黑漆内部转化成的热量快速辐射出去，从而使本发明黑漆的发射率达到0.9以上，符合国家标准。本发明取材容易，制备方法简单，易操作，成本低廉，容易实现工业化批量生产，为推动我国高质量隔热黑漆的发展具有重要意义。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims

1.一种黑漆，其特征在于：由石墨烯浆料、高色素炭黑和高发射率单组分水性涂料组成；所述黑漆的半球发射率大于0.9。

2.根据权利要求书1所述的黑漆，其特征在于：

所述黑漆中各组分的质量百分比为：

石墨烯浆料15％～20％、

高色素炭黑20％～25％、

高发射率单组分水性涂料55％～60％；

其中，所述石墨烯浆料中石墨烯的质量百分比为0.015％～0.020％。

3.根据权利要求书1所述的黑漆，其特征在于：

所述黑漆中各组分的质量百分比为：

石墨烯浆料19％、

高色素炭黑24％、

高发射率单组分水性涂料57％；

4.一种黑漆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：对高色素炭黑进行球磨；

通过机械搅拌，对高发射率单组份水性涂料进行分散；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述超声波搅拌的功率为400～800W；所述超声波振荡的功率为500～1000W。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述机械搅拌、所述超声波搅拌和所述超声波振荡的时长为大于等于10min。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，对所述石墨烯浆料的分散是先同时进行机械搅拌和超声波搅拌，再同时进行机械搅拌和超声波振荡。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，对高发射率单组份水性涂料的分散是进行机械搅拌。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，将步骤S1获得的高色素炭黑加入步骤S1获得的石墨烯浆料的过程同时进行机械搅拌和超声波搅拌，加入完毕后，先用超声波搅拌，再同时进行机械搅拌和超声波振荡。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，在高发射率单组份水性涂料加入所述混合液的过程中，同时进行机械搅拌和超声波振荡，加入完毕后，先进行机械搅拌，再进行超声波搅拌。