CN113462285A - 一种具有良好太阳能吸收和红外辐射性能的溶剂型功能涂料及其制备方法 - Google Patents

一种具有良好太阳能吸收和红外辐射性能的溶剂型功能涂料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有良好太阳能吸收和红外辐射性能的溶剂型功能涂料的制备方法，是以三甲基硅烷基笼型聚倍半硅氧烷和乙烯基笼型聚倍半硅氧烷为耐高温树脂，高熵氧化物陶瓷材料(A)3O4为功能颜料制备而成。利用本发明涂料制备的功能涂层具有高的太阳能吸收率、低的热发射率，同时具有良好的红外辐射特性及优异的抗热震、耐腐蚀性能及耐高温性能，在太阳能光热利用、红外强化传热、散热、节能等领域具有重要应用价值。

Description

一种具有良好太阳能吸收和红外辐射性能的溶剂型功能涂料 及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种溶剂型功能涂料，尤其涉及一种具有高温太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型功能涂料，属于复合材料领域和高分子材料领域。
背景技术
在碳中和、碳达峰的大背景下，开发太阳能利用新材料及用于工业领域提高能源利用率及节能的新材料具有重要的学术价值和应用价值。由辐射传热基本定律和计算公式可知，提高辐射体的表面辐射系数，将有利于辐射传热的强化。红外线通常是指波长在2.5~1000μm范围内的电磁波，该电磁波能够被物体吸收使物质内部质点产生共振，从而使物体温度上升。随着辐射物材质、分子结构和温度等条件的不同，其辐射波长也各不相同。随着现代工业的发展和科学技术的进步，节能的重要性已经不言而喻。高发射涂层技术是在物体表面涂覆一层具有高发射率的材料，使物体表面具有很强的热辐射吸收和辐射能力，使辐射传热的效率提高的高效节能新技术。热量的传递以3种方式进行，即传导传热、对流传热和辐射传热。在低温阶段，热交换以对流传热为主，而在高温阶段（800℃以上），则以辐射传热为主。随着温度的升高，辐射传热所起的作用越来越大。太阳能选择性吸收涂层是指在0.3~2.5μm具有高的太阳能吸收率，同时在2.5~25μm波段内具有低的热发射率。理想的太阳能吸收涂层吸收率为1，发射率为0。太阳能吸收涂层是太阳能光热发电的核心材料，在海水淡化、重质油开采、清洁供暖等领域同样具有重要的应用价值。
由基尔霍夫定律得知：任何辐射体在一定的温度下，其辐射率和吸收率之比都是一个常数，即物质的辐射率越大，其吸收率也越大，一个好的辐射体必定是一个好的吸收体。尖晶石是太阳能吸收和红外辐射材料研究的重要对象。然而，高温下尖晶石易发生成分偏析，从而导致高的光学衰减率。因此，发展新的太阳能吸收和红外辐射材料及相关涂层具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高温太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型涂料及其制备方法。
一、溶剂型功能涂料的制备
原料组分：以质量份数计：功能颜料5~13份、填料1~3份、耐高温树脂17~42份、溶剂27.9~72.7份、分散剂2~9份、消泡剂0.3~1.1份、流平剂2~4份。
制备工艺：将溶剂、润湿分散剂、消泡剂、流平剂和耐高温树脂搅拌分散混合后加入吸光颜料和填料，利用高速分散机在800~1000r/min的转速搅拌50~80min，再利用砂磨机或球磨机进行分散研磨至细度10~20μm，然后用100~200目丝网进行过滤，过滤后的涂料装入容器中密封即可。
所述填料为纳米氧化锆，晶相为单斜相，粒径20~100nm，比表面积40~100m2/g。纳米氧化锆粉体有力增强了涂层的光吸收性能、红外辐射和抗热震性能。
所述耐高温树脂为三甲基硅烷基笼型聚倍半硅氧烷和乙烯基笼型聚倍半硅氧烷中的至少一种。
所述溶剂采用二甲苯；润湿分散剂为德国SILCO SPERSE HLD-5；所述消泡剂为德国SILCO AF1010；所述流平剂为德国SILCO FLW L-137。
所述功能颜料为高熵氧化物陶瓷材料(A)3O4，其中A为金属元素Cu、Co、Mn、Fe、Cr、Ni、Mg、Zn、Ti、Al中的至少4种，且高熵氧化物陶瓷材料(A)3O4中，各金属元素均为等摩尔比。
功能颜料高熵氧化物陶瓷材料(A)3O4的制备：以CuO、MnO2、Fe2O3、Cr2O3、Co3O4、TiO2、ZnO、MgO、NiO、Al2O3粉末中的至少4种为原料，并以各金属原子等摩尔比进行球磨混合、烘干、研磨后在空气氛围中高温煅烧，经冷却、研磨，即得具有尖晶石结构的高熵氧化物。球磨采用行星式球磨机进行球磨，球磨转速为300~500r/min，球磨时间为5~12小时，球料水比为（2~5）:1:3。所述球磨过程：先球磨1小时，随后暂停10min，再球磨1小时，暂停10min，以此为周期循环球磨。所述煅烧温度为500~1200℃，升温速率为10~15℃/min，煅烧时间为1~10小时。
SEM图、TEM图、XRD的表征显示，高熵氧化物陶瓷(A)3O4具有尖晶石型晶体结构，为Fd-3m空间点群、面心立方晶体结构。粒径20~200nm，比表面积50~150m2/g。该高熵氧化物的太阳能吸收率为0.829~0.883，红外发射率为0.88~0.92。在1500℃的高温条件下晶体结构稳定，且太阳能吸收率和红外发射率波动仅为0.01~0.04。
二、溶剂型功能涂料性能
将本发明制备的溶剂型功能涂料采用喷涂方法涂覆在基材上（镍基合金625），随后将其置于马弗炉300oC保温1小时，自然冷却。干膜厚度为20~60μm。测试涂层性能。
1、太阳能吸收率、发射率
利用美国Lambda950紫外可见近红外分光光度计（含150mm积分球）和德国BrukerTensor 27红外光谱仪（含积分球）测试涂层吸收率和发射率，参照国标GB/T 26974-2011。
测试结果：涂层在0.3~25μm波段的太阳能吸收率大于0.94，发射率小于0.4。具有良好的光谱选择特性。
2、红外发射率
利用日本TSS-5X红外辐射测试仪，测试涂层在3~12μm的法向发射率，参照国标GB/T 4653-1984。
测试结果：涂层在3~12μm波段的法向发射率大于0.90，具有良好的红外辐射特性。
3、耐高温性能
将涂层置于箱式炉空气氛围中，在800℃条件下进行了500h的热稳定实验。结果显示，本发明所制备的涂层的晶体结构稳定，且太阳能吸收率波动仅为0.01~0.03。
4、附着力
利用拉拔法测试涂层附着力，参照标准为ASTM D 4541《用便携式附着力测试仪测定涂料的拉脱强度》。
测试结果：涂层拉脱强度大于5MPa。
5、抗热震性能
将涂层置于箱式炉空气氛围中，以5℃/min的升温速率升温至700℃后，保温30min，取出后水淬冷却，重复10次，观察涂层表面。
测试结果：涂层表面完整，无剥离，无裂缝。
6、涂层耐盐雾腐蚀性能测试
人造气氛腐蚀试验-盐雾试验(NSS)，测试标准：GB/T 10125-2012。
测试结果：涂层进行1000小时盐雾测试后，涂层完整，无腐蚀现象发生。
综上所述，本发明溶剂型功能涂料的制备采用具有尖晶石高熵氧化物为功能颜料，以其制备的涂层具有高吸收率和低热发射率，良好的红外辐射特性，实现了对于电磁波的多元化调控和利用；同时涂层具有优良的耐高温、耐盐雾型和抗热震性能，在太阳能光热利用、红外强化传热、散热、节能等领域具有重要应用价值。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明功能涂料的制备和应用性能作进一步说明。
实施例1
（1）功能颜料(CuCoMnFe)3O4的制备
分别称取CuO 11.933g（0.15mol）、MnO2 13.041g（0.15mol）、Co3O412.04g（0.05mol）、Fe2O311.977g（0.075mol）粉末；按球:料:水质量比2:1:3将球磨珠、原料及超纯水倒入球磨罐；并将球磨罐放置在球磨机工位上，先进行1小时球磨，转速为300r/min，随后暂停10min，以此为一个球磨周期，10min过后再进行1小时球磨，转速为300r/min，共计球磨5小时得到混合粉末；随后将球磨后得到的混合粉末干燥、研磨后置于箱式电阻炉，在空气氛围中升温至500℃（升温速率为10℃/min），煅烧1小时，然后空气淬火冷却至室温，得到单相的(CuCoMnFe)3O4高熵氧化物粉末。粒径20nm，比表面积50m2/g。
（2）功能涂料的制备
涂料配方（以质量份计）：(CuCoMnFe)3O4：5%，氧化锆：1%，乙烯基笼型聚倍半硅氧烷：72.7%，二甲苯：61.7%，SILCO SPERSE HLD-5：2%，SILCO AF1010：0.3%，SILCO FLW L-137：2%；
制备工艺：将溶剂二甲苯、润湿分散剂SILCO SPERSE HLD-5、消泡剂SILCOAF1010、流平剂SILCO FLW L-137和耐高温树脂乙烯基笼型聚倍半硅氧烷依次加入容器中，搅拌分散，然后加入功能颜料(CuCoMnFe)3O4和填料氧化锆（粒径20nm，比表面积40m2/g）。利用高速分散机在800r/min的转速搅拌50min，接着利用砂磨机或球磨机进行分散研磨至细度10um，然后用100目丝网进行过滤，过滤后的涂料装入容器中，密封即可。
（3）涂层的制备
采用喷涂方法将涂料涂覆在基材上（镍基合金625），随后将其置于马弗炉300℃保温1小时，自然冷却。涂层干膜厚度为20μm。涂层的各项性能指标见表1。
实施例2
（1）功能颜料(CuCoMnFeAl)3O4的制备
分别称取CuO 11.933g（0.15mol）、MnO2 13.041g（0.15mol）、Co3O412.04g（0.05mol）、Fe2O311.977g（0.075mol）、Al2O311.977g（0.075mol）粉末；按球:料:水质量比5:1:3将球磨珠、原料及超纯水倒入球磨罐；并将球磨罐放置在球磨机工位上，先进行1小时球磨，转速为500r/min，随后暂停10min，以此为一个球磨周期，10min过后再进行1小时球磨，转速为500r/min，共计球磨12小时得到混合粉末；随后将球磨后得到的混合粉末干燥、研磨后置于箱式电阻炉，在空气氛围中升温至1200℃（升温速率为15℃/min），煅烧10小时，然后随炉冷却至室温，得到单相的(CuCoMnFeAl)3O4高熵氧化物粉末。粒径200nm，比表面积150m2/g。
（2）功能涂料的制备
涂料配方（以质量份计）：(CuCoMnFeAl)3O4：13%，氧化锆：3%，乙烯基笼型聚倍半硅氧烷：42%，二甲苯：27.9%，SILCO SPERSE HLD-5：9%，SILCO AF1010：1.1%，SILCO FLW L-137：4%；
制备工艺：将溶剂二甲苯、润湿分散剂SILCO SPERSE HLD-5、消泡剂SILCOAF1010、流平剂SILCO FLW L-137和耐高温树脂乙烯基笼型聚倍半硅氧烷依次加入容器中，搅拌分散，然后加入功能颜料(CuCoMnFeAl)3O4和填料氧化锆（粒径100nm，比表面积100m2/g）。利用高速分散机在1000r/min的转速搅拌80min，接着利用砂磨机或球磨机进行分散研磨至细度20um，然后用200目丝网进行过滤，过滤后的涂料装入容器中，密封即可。
（3）涂层的制备
采用喷涂方法将涂料涂覆在基材上（镍基合金625），随后将其置于马弗炉300℃保温1小时，自然冷却。涂层干膜厚度为60μm。涂层的各项性能指标见表1。
实施例3
（1）功能颜料(CuCoMnFeAlNi)3O4的制备
分别称取CuO 11.933g（0.15mol）、MnO2 13.041g（0.15mol）、Co3O412.04g（0.05mol）、Fe2O311.977g（0.075mol）、Al2O311.977g（0.075mol）、NiO11.207g（0.15mol）粉末；按球:料:水质量比3:1:3将球磨珠、原料及超纯水倒入球磨罐；并将球磨罐放置在球磨机工位上，先进行1小时球磨，转速为450r/min，随后暂停10min，以此为一个球磨周期，10min过后再进行1小时球磨，转速为450r/min，共计球磨7小时得到混合粉末；随后将球磨后得到的混合粉末干燥、研磨后置于箱式电阻炉，在空气氛围中升温至650℃（升温速率为14℃/min），煅烧7小时，然后液氮淬火冷却至室温，得到单相的(CuCoMnFeAlNi)3O4高熵氧化物粉末。粒径80纳米，比表面积100m2/g。
（2）功能涂料的制备
涂料配方（以质量份计）：(CuCoMnFeAlNi)3O4：9%，氧化锆：2.5%，三甲基硅烷基笼型聚倍半硅氧烷：36%，二甲苯：41.9%，SILCO SPERSE HLD-5：7%，SILCO AF1010：0.6%，SILCOFLW L-137：3%；
制备工艺：将溶剂二甲苯、润湿分散剂SILCO SPERSE HLD-5、消泡剂SILCOAF1010、流平剂SILCO FLW L-137和耐高温树脂三甲基硅烷基笼型聚倍半硅氧烷依次加入容器中，搅拌分散，然后加入功能颜料(CuCoMnFeAlNi)3O4和填料氧化锆（粒径50nm，比表面积60m2/g）。利用高速分散机在900r/min的转速搅拌60min，接着利用砂磨机或球磨机进行分散研磨至细度15um，然后用100目丝网进行过滤，过滤后的涂料装入容器中，密封即可。
（3）涂层的制备
采用喷涂方法将涂料涂覆在基材上（镍基合金625），随后将其置于马弗炉300℃保温1小时，自然冷却。涂层干膜厚度为30μm。涂层的各项性能指标见表1。
实施例4
（1）功能颜料(CuCoMnNi)3O4的制备
分别称取CuO 11.933g（0.15mol）、MnO2 13.041g（0.15mol）、Co3O412.04g（0.05mol）、NiO11.207g（0.15mol）粉末；按球:料:水质量比4:1:3将球磨珠、原料及超纯水倒入球磨罐；并将球磨罐放置在球磨机工位上，先进行1小时球磨，转速为500r/min，随后暂停10min，以此为一个球磨周期，10min过后再进行1小时球磨，转速为500r/min，共计球磨7小时得到混合粉末；随后将球磨后得到的混合粉末干燥、研磨后置于箱式电阻炉，在空气氛围中升温至750℃（升温速率为10℃/min），煅烧3小时，然后空气淬火冷却至室温，得到单相的(CuCoMnNi)3O4高熵氧化物粉末。粒径75nm，比表面积100m2/g。
（2）功能涂料的制备
涂料配方（以质量份计）：(CuCoMnNi)3O4：8%，氧化锆：2%，乙烯基笼型聚倍半硅氧烷：30%，二甲苯：51%，SILCO SPERSE HLD-5：5%，SILCO AF1010：1%，SILCO FLW L-137：3%；
制备工艺：将溶剂二甲苯、润湿分散剂SILCO SPERSE HLD-5、消泡剂SILCOAF1010、流平剂SILCO FLW L-137和耐高温树脂乙烯基笼型聚倍半硅氧烷依次加入容器中，搅拌分散，然后加入功能颜料(CuCoMnNi)3O4填料氧化锆（粒径90nm，比表面积70m2/g）。利用高速分散机在800r/min的转速搅拌70min，接着利用砂磨机或球磨机进行分散至细度15um，然后用200目丝网进行过滤，过滤后的涂料装入容器中，密封即可。
（3）涂层的制备
采用喷涂方法将涂料涂覆在基材上（镍基合金625），随后将其置于马弗炉300oC保温1小时，自然冷却。涂层干膜厚度为50μm。涂层的各项性能指标见表1。
实施例5
（1）功能颜料(CuCoTiCrZn)3O4的制备
分别称取CuO 11.933g（0.15mol）、Co3O412.04g（0.05mol）、TiO2 11.985g（0.15mol）、Cr2O3 11.399g（0.075mol）、ZnO12.207g（0.15mol）粉末；按球:料:水质量比4:1:3将球磨珠、原料及超纯水倒入球磨罐；并将球磨罐放置在球磨机工位上，先进行1小时球磨，转速为400r/min，随后暂停10min，以此为一个球磨周期，10min过后再进行1小时球磨，转速为400r/min，共计球磨6小时得到混合粉末；随后将球磨后得到的混合粉末干燥、研磨后置于箱式电阻炉，在空气氛围中升温至600℃（升温速率为12℃/min），煅烧9小时，然后空气淬火冷却至室温，得到单相的(CuCoTiCrZn)3O4高熵氧化物粉末。粒径70nm，比表面积100m2/g。
（2）功能涂料的制备
涂料配方（以质量份计）：(CuCoTiCrZn)3O4：10%，氧化锆：2%，乙烯基笼型聚倍半硅氧烷：22%，三甲基硅烷基笼型聚倍半硅氧烷：13%，二甲苯：44%，SILCO SPERSE HLD-5：6%，SILCO AF1010：0.5%，SILCO FLW L-137：2.5%；
制备工艺：将溶剂二甲苯、润湿分散剂SILCO SPERSE HLD-5、消泡剂SILCOAF1010、流平剂SILCO FLW L-137和耐高温树脂乙烯基笼型聚倍半硅氧烷、三甲基硅烷基笼型聚倍半硅氧烷依次加入容器中，搅拌分散，然后加入功能颜料(CuCoTiCrZn)3O4和填料氧化锆（粒径60nm，比表面积90m2/g）。利用高速分散机在800r/min的转速搅拌70min，接着利用砂磨机或球磨机进行分散研磨至细度15um，然后用100目丝网进行过滤，过滤后的涂料装入容器中，密封即可。
（3）涂层的制备
采用喷涂方法将涂料涂覆在基材上（镍基合金625），随后将其置于马弗炉300oC保温1小时，自然冷却。涂层干膜厚度为40μm。涂层的各项性能指标见表1。
Figure 56088DEST_PATH_IMAGE001
由表1可见，利用本发明涂料制备的溶剂型功能涂层具有高吸收率和低发射率，良好的红外辐射特性，涂层具备极佳的附着力、耐高温性能、抗热震性能和耐腐蚀性。

Claims (10)

1.一种具有太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型功能涂料的制备方法，由以下质量份数的原料和工艺制备而成：
原料组分：功能颜料5~13份、填料1~3份、耐高温树脂17~42份、溶剂27.9~72.7份、分散剂2~9份、消泡剂0.3~1.1份、流平剂2~4份；所述功能颜料为高熵氧化物陶瓷材料(A)3O4, 其中A为金属元素Cu、Co、Mn、Fe、Cr、Ni、Mg、Zn、Ti、Al中的至少4种，且高熵氧化物陶瓷材料(A)3O4中，各金属元素均为等摩尔比；
制备工艺：将溶剂、润湿分散剂、消泡剂、流平剂和耐高温树脂搅拌分散混合后加入吸光颜料和填料，利用高速分散机在800~1000r/min的转速搅拌50~80min，再利用砂磨机或球磨机进行分散研至细度10~20μm，然后用100~200目丝网进行过滤，过滤后的涂料装入容器中密封即可。
2.如权利要求1所述具有太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型功能涂料的制备方法，其特征在于：功能颜料高熵氧化物陶瓷材料(A)3O4的制备：以CuO、MnO2、Fe2O3、Cr2O3、Co3O4、TiO2、ZnO、MgO、NiO、Al2O3粉末中的至少四种为原料，并以各金属原子等摩尔比进行球磨混合、烘干、研磨后在空气氛围中高温煅烧，经冷却、研磨，即得具有尖晶石结构的高熵氧化物。
3.如权利要求2所述具有太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型功能涂料的制备方法，其特征在于：所述煅烧温度为500~1200℃，升温速率为10~15℃/min，煅烧时间为1~10小时，冷却方式为随炉冷却、空气淬火冷却和液氮淬火冷却中的一种。
4.如权利要求2所述具有太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型功能涂料的制备方法，其特征在于：球磨采用行星式球磨机进行球磨，球磨转速为300~500r/min，球磨时间为5~12小时，球料水比为（2~5）:1:3；所述球磨过程：先球磨1小时，随后暂停10min，再球磨1小时，暂停10min，以此为周期循环球磨。
5.如权利要求1所述具有太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型功能涂料的制备方法，其特征在于：所述填料为纳米氧化锆，晶相为单斜相，粒径20~100nm，比表面积40~100m2/g。
6.如权利要求1所述具有太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型功能涂料的制备方法，其特征在于：所述耐高温树脂为三甲基硅烷基笼型聚倍半硅氧烷和乙烯基笼型聚倍半硅氧烷中的至少一种。
7.如权利要求1所述具有太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型功能涂料的制备方法，其特征在于：所述溶剂采用二甲苯。
8.如权利要求1所述具有太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型功能涂料的制备方法，其特征在于：所述润湿分散剂为德国SILCO SPERSE HLD-5。
9.如权利要求1所述具有太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型功能涂料的制备方法，其特征在于：所述消泡剂为德国SILCO AF1010。
10.如权利要求1所述具有太阳能吸收和红外辐射功能的溶剂型功能涂料的制备方法，其特征在于：所述流平剂为德国SILCO FLW L-137。
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