CN114907706A - 一种高近红外反射复合色料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高近红外反射复合色料及其制备方法。对云母悬浮液进行激活剥片得到高反射率云母浆料(≥98.50%);对二氧化钛和掺杂元素的悬浮液进行机械激活得到钛基色料前驱体溶液;向高反射率云母浆料加入钛基色料前驱体溶液,并进行机械处理得到复合色料前驱体浆料;将复合色料前驱体浆料干燥,破碎,煅烧后得到云母负载掺杂不同呈色离子的金红石型钛基色料颗粒的高近红外反射复合色料。本发明的制备方法工艺简单,成本低,制备效率高。获得的复合色料视觉颜色可涵盖浅黄色、亮黄色、棕红色、紫色等色彩范围,同时,钛基色料颗粒和片状云母之间实现协同作用,复合色料的近红外光反射性能得到大幅度提高,可达97.7%。
Description
技术领域
本发明属于纳米复合材料技术领域,具体涉及一种高近红外反射复合色料及其制备方法。
背景技术
最大程度地降低建筑供暖供冷的能耗,以更少的能源提供舒适室内环境,并满足绿色建筑基本要求,已成为当前亟需解决的问题。由于沙石沥青、钢筋混凝土、岩矿及各种石料等是组成屋顶、楼房、马路、玻璃墙建筑物等设施的主要材料,其下垫面具有热辐射反射率小、吸收率大、吸收能力强、热容量大的特点,导致城市地表吸收较多的太阳辐射和近红外长波辐射能,导致地表温度升高。由于建筑始终处于与外界热环境热交换的状态之中,不断吸收热量升温,造成空调使用频繁,加剧能量消耗。
由于已有,并将继续存在的资源浪费和环境保护问题,一些具有高太阳反射率的“冷颜料”或“冷材料”开始引起了人们的广泛关注。太阳辐射包括约5%的紫外线辐射、46%的可见光辐射和49%的近红外辐射(NIR,波长λ=750~2500nm)。由于近红外的热效应,太阳辐射通常被称为热的起源。具有高NIR反射率和热发射率的“冷涂料”可以在受到太阳辐射加热时保持较低温度,从而降低建筑物的热增益,提高室内热舒适性。因此,反射太阳近红外热辐射的色料具有重大的意义。常用的复合结构基底主要有TiO2、空心玻璃微珠、云母等;其中,以片状结构云母为基底的复合材料,具有热稳定性、防腐绝缘性、高反射率、化学稳定性好等特点,非常适合作为“冷材料”应用于塑料、陶瓷、工业涂料中。
为了实现可持续发展,近年来,高近红外反射率色料制备技术得到了发展。目前常用的色料制备方法包括固相法、热解法、水热法、微乳液法、溶胶凝胶法、溶液燃烧法、机械力化学(MC)法等;其中,MC是一种常用的、环境友好的、成本相对低廉的处理方法,可用于粉体改性、合金材料制备、超细粉体材料制备、单一或复合结构无机色料研究与处理。
钛基色料及其复合材料主要采用化学法制备,包括:共沉淀法、水热法、溶胶凝胶法和微乳液法等;其中,合成钛基色料颗粒的传统方法为化学共沉淀法,但其制备时间长,在反应过程中需要通入保护气。云母表面沉积其他离子或氧化物后可获得珠光颜料,与底漆色可叠加出更别致的效果,且不同规格的珠光颜料可产生珍珠、星光、金属光泽及随视角闪多色效果,但是在常规使用的液相法工艺中,由于云母表面活性不足,导致其与表面沉积物结合能力较弱,易受外力作用发生分离。对于钛基色料沉积物,二氧化钛从锐钛矿到金红石的相变(A~R)会受从基底云母中扩散到二氧化钛层的金属离子的影响;且云母作为基材与钛基色料如果只是常规工艺复合,难以得到均匀负载的云母和钛基色料的复合色料。
采用MC对云母进行激活剥片活化预处理,并与钛基色料前驱体混合,经过MC进一步激活处理后煅烧,可得到一种复合结构的色料。在MC剪切力的剥片作用下,云母倾向于沿正离子所在平面方向完全解理,实现片层剥离,径厚比增大,产生大量新鲜表面以反射更多入射光。因此,MC剥片可提高云母的近红外反射能力,且可提高反应物的活性,促进钛基色料的烧成,提升其呈色性能;另外,MC对云母和钛基色料前驱体混合物的激活处理,在云母和钛基色料前驱体粉末中产生大量活性位点,使二者在干燥过程中自发地形成化学键以降低势能;后续煅烧时,钛基色料与云母表面更易形成Ti–O–Si以及Ti–O–Al等化学键,有助于云母薄片和钛基色料紧密结合,原位生成一种复合结构的色料。该复合结构的色料不仅具有的良好发色性能,且云母和钛基色料颗粒间存在协同效应,使该复合色料具备相当高的近红外反射能力。
一种软机械力化学辅助固相法合成金红石型钛镍黄陶瓷色料的方法公开了利用MC提高了钛镍黄色料的发色性能。虽然软机械力化学辅助固相法可以提高钛镍黄色料的发色性能,但是不能赋予其NIR反射功能。而采用MC法对云母进行剥片前处理并与钛基色料前驱体制备而成的复合色料,不仅保持原有的良好发色性能,且云母和钛基色料颗粒间存在协同效应,这使得复合色料具备相当高的NIR反射能力。
曾等人发表的一篇文献(曾国勋,杨建坤,李风,etal.钛镍黄包覆空心玻璃微珠复合颜料的制备及其热反射性能[J].电镀与涂饰,2016,35(18):968-972.),报道了一种采用钛镍黄色料包覆玻璃微珠制备而成的复合色料技术。其钛镍黄色料包覆玻璃微珠复合色料技术是指,已经高温煅烧过的钛基色料颜料再次球磨后与玻璃微珠混合搅拌、干燥后再次高温煅烧。以上搅拌、干燥、高温煅烧过程需重复至少三次及以上,以形成钛镍黄色料壳层,且得到的复合色料的近红外反射曲线最高点仅约为90%。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足,本发明的目的是提供一种高近红外反射复合色料及其制备方法。
本发明旨在解决云母和钛基色料通过固相复合工艺难以实现高近红外反射的难题,提出了一种可实现批量制备的技术路线。通过提高云母和钛基色料前驱体的活性,在云母表面原位复合钛基色料,得到具有高近红外反射性能,同时发色特性良好的复合色料。
本发明旨在解决现有的常规复合工艺难以实现云母和钛基色料有效结合,难以激发二者的协同作用,从而实现高近红外反射复合色料的技术难题。本发明所述的复合色料的两相结合紧密,对反射近红外光实现协同作用,具有较高近红外光反射率,并通过调控呈色离子的种类和掺杂量获得宽泛的色调范围,同时批量化制备的可行性较强,显著降低了复合色料的制备成本,具有良好的实际应用潜力。
本发明采用介质搅拌磨制备负载钛基色料的云母,在研磨过程中,制备得到的颗粒在机械力化学的作用下键合在一起,得到复合物前驱体。复合物前驱体仅经一次煅烧即可形成复合色料,且得到的复合色料近红外反射曲线具有较高的近红外反射率。
本发明的目的通过下述技术方案实现。
一种云母/钛基色料复合材料(高近红外反射复合色料)的制备方法,包括如下步骤:
(1)称取云母粉并分散在水中,进行机械激活剥片处理,制得高反射率云母浆料;
(2)将含锑原料、含金属元素M原料和二氧化钛加水配成浆料,加入助剂,进行机械激活处理,制得钛基色料前驱体浆料;
(3)将步骤(2)中所述钛基色料前驱体浆料加入步骤(1)中所述高反射率云母浆料中,进行机械力化学处理,得到复合色料前驱体浆料;
(4)将步骤(3)中所述复合色料前驱体浆料干燥,破碎,煅烧,得到原位复合的高近红外反射复合色料。
进一步地,步骤(1)中,所述云母为金云母、绢云母、白云母、锂云母、黑云母中的至少一种,粒度在10~200μm,所述高反射率云母浆料的固含量为10wt.%~40wt.%。
进一步地,步骤(1)中,所述云母粉优选为金云母粉,云母粉的粒径优选为10~60μm,所述高反射率云母浆料的固含量为25wt.%。
进一步地,步骤(1)中,所述机械激活剥片处理通过介质搅拌磨实现,所述机械激活剥片处理的条件为:转速500~2500r/min,时间10~40min;得到的高反射率云母浆料的径厚比为(150~300)∶1,粒度为10~40μm,近红外反射率在98.50%~99.99%之间。
进一步地,步骤(1)中,所述机械激活剥片处理通过介质搅拌磨实现,所用的研磨介质为二氧化锆微珠,二氧化锆微珠的粒径优选为0.6~0.8mm,所述机械激活剥片处理的条件优选为:转速1500r/min,时间30min;得到的高反射率云母浆料的径厚比为(150~300)∶1,粒度为10~40μm,近红外反射率约为99.56%±0.5%。
进一步地,步骤(3)所述钛基色料前驱体浆料与所述高反射率云母浆料按固含量质量比 1∶(0.6~2)配比。
进一步地,步骤(3)所述钛基色料前驱体浆料与所述高反射率云母浆料按固含量质量配比优选为1∶1。
进一步地,步骤(2)中,所述二氧化钛为锐钛矿型二氧化钛或金红石型二氧化钛中的至少一种;所述含金属元素M原料为Ni,Co,Cr的硫酸盐;含锑原料为氧化锑、氯化锑中的至少一种;助剂为氟化钠、氟化锂、氟化钾、氯化锂、氯化钾、硼酸中的至少一种;助剂的添加量为钛基色料前驱体浆料固含量的0.5wt.%~5.0wt.%;含锑原料中的锑与含金属元素M原料中的M的原子比为(1~3)∶1;含金属元素M原料中的M的原子数占钛原子数量的 1%~5%。
进一步地,步骤(2)中,所述二氧化钛为锐钛矿型二氧化钛;含锑原料优选为氧化锑;助剂优选为氟化钠;助剂的添加量优选为钛基色料前驱体浆料固含量的1wt.%。
进一步地,所述步骤(2)中所述机械激活处理通过介质搅拌磨实现;机械激活处理条件为:转速1000~3000r/min,时间30~120min;得到钛基色料前驱体浆料固含量为10wt.%~ 40wt.%。
进一步地,步骤(2)中,所述机械激活处理通过介质搅拌磨实现,所用的研磨介质为二氧化锆微珠;机械激活处理条件优选为:转速2400r/min,时间30min;得到钛基色料前驱体浆料固含量优选为25wt.%。
进一步地,步骤(3)所述机械力化学处理通过介质搅拌磨实现;所述机械力化学处理条件为:转速500~1500r/min;时间10~30min。
进一步地,步骤(3)中,所述机械力化学处理通过介质搅拌磨实现,所用的研磨介质为二氧化锆微珠;所述机械力化学处理条件优选为:转速1500r/min;时间10min。
进一步地,步骤(3)中,所述机械力化学处理优选通过高能量密度介质搅拌磨;研磨介质优选为二氧化锆微珠,粒径优选为0.1~1.2mm。
进一步地,步骤(4)中,所述干燥的温度为50~80℃,干燥的时间为10~18h;破碎得到的粉末粒径为100~300nm;煅烧温度为800~1000℃,煅烧时间为1~3h,煅烧气氛为空气气氛。
进一步地,步骤(4)中,所述干燥的温度优选为70℃,干燥的时间为12h;破碎得到的粉末粒度分布为100~300nm,煅烧的温度为800~900℃,煅烧的时间为2h,煅烧气氛为空气气氛。
进一步地,所述制备方法为原位复合法,所得高近红外反射复合色料的反射率高达97%。
本发明提供制备方法制备得到的一种高近红外反射复合色料。
进一步地,所述高近红外反射复合色料的结构为掺杂不同金属离子的金红石型二氧化钛负载于高反射率片状云母表面;所述高反射率片状云母由云母粉经激活剥片而成,反射率可达98.50%~99.99%;所述金属离子为Sb3+以及Mx+,其中Sb3+为电中和稳定离子,Mx+为呈色离子,且Mx+为Ni2+,Co2+,Cr3+中至少一种,Mx+中x表示金属离子所带的正电荷数,x为2~3,视觉颜色可涵盖浅黄色、亮黄色、棕红色、紫色等的色彩范围;复合色料的近红外光反射率可达97%,将复合色料涂覆于铝片表面后,受红外灯照射10min后,MC原位法制备的复合色料与对比例1色料表面的温差可达10℃。
进一步地,所述Sb和Mx+两种离子的掺杂量以原子比计为2∶1,而M元素的原子数量占钛原子数量的3%,根据掺杂离子及掺杂量的不同呈现浅黄色、亮黄色、棕红色、紫色等色彩范围。
进一步地,通过所述制备方法制得的高近红外反射复合色料中钛基色料颗粒以分散的颗粒形式紧密负载于云母片层上。
进一步地,近红外光谱波长范围为750~2500nm。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
(1)本发明提供的制备方法,通过复合材料结构设计,确定复合色料为掺杂不同金属离子的金红石型二氧化钛负载于高反射率片状云母表面的复合材料;云母是一种来源广、价格便宜的层状结构黏土矿物材料,在层状云母表面通过化学键与钛基色料紧密结合可以形成具有高反射性能的芝麻饼状结构复合材料,所述复合材料两相之间能够实现协同作用,选择性吸收、反射可见–近红外光波段。
(2)本发明提供的制备方法,可通过调节掺杂离子及掺杂量,使复合色料的视觉颜色可涵盖浅黄色、亮黄色、棕红色、紫色等色彩范围;通过控制助剂的种类及掺量,使负载于云母表面的钛基色料晶体相变完全,从而大幅提高复合无机色料的呈色性能。
(3)本发明提供的制备方法,提出了一种新的可行的表面激活剥片方法,即优选云母粉原料的粒径分布,通过控制机械激活剥片处理反应条件,促进云母在剪切方向力作用下,沿正离子所在平面方向完全解离,得到具有新鲜片状表面的高近红外反射云母基底材料。
(4)本发明提供的制备方法,采用MC法原位合成一种高近红外反射复合色料,通过挤压、剪切、碰撞等相互作用达到钛基色料前驱体颗粒负载在云母片层上,在MC激活处理过程中发生键合,获得的粉末经一次煅烧即可得到高近红外反射复合色料。
附图说明
图1为实施例1-3制备得到的高反射率云母的扫描电子显微镜图。
图2为对比例1制备的色料的扫描电子显微镜图。
图3为实施例1制备的复合色料的扫描电子显微镜图。
图4为实施例1制备的复合色料横截面的扫描电子显微镜图。
图5为金云母原料、实施例1、实施例2、实施例3和对比例1的X射线衍射谱图。
图6为实施例1、实施例2、实施例3和对比例1的近红外反射图。
图7为实施例1、实施例4、实施例5、实施例6和实施例7制备的复合色料的近红外反射图。
图8为涂覆了实施例1制备色料的隔热图。
图9为涂覆了实施例2制备色料的隔热图。
图10为涂覆了实施例3制备色料的隔热图。
图11为涂覆了对比例1制备色料的隔热图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明的实施作进一步说明,但本发明的实施方式不限于此。需指出的是,以下若有未特别详细说明之过程或参数,均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的实施例1
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为柠檬黄色,近红外反射率为97.7%。
(1)将100g金云母粉(粒度为10~60μm)分散在300g水中,用介质搅拌磨机械激活剥片10min(转速为1000r/min);制得近红外反射率为99.56%且具有活性位点的高反射率云母浆料(固含量为25wt.%),所述高反射率云母的形貌参照图1,径厚比为(200~300)∶1,粒度为10~40μm。
(2)按照锑与镍的原子比为2∶1,镍的原子数量占钛原子数量的3%,称取9.9gSb2O3、 8.9g六水硫酸镍、90.1gTiO2(锐钛矿型)和1g的NaF加300g水配成浆料(固含量为25wt.%);将浆料在介质搅拌磨中机械激活60min(转速为2500r/min),利用机械力化学(MC)作用将镍离子掺杂进入二氧化钛中,制得钛镍黄前驱体浆料。
(3)钛镍黄前驱体浆料与高反射率云母浆料按固含量质量比1∶1,将400g钛镍黄前驱体浆料(固含量为25wt.%)加入400g高反射率云母浆料(固含量为25wt.%)中混合均匀,在介质搅拌磨中进行机械力化学处理(处理时间为10min,转速为500r/min),得到云母原位负载钛镍黄前驱体的复合色料前驱体浆料。
(4)将步骤(3)得到的复合色料前驱体浆料在70℃干燥12h,破碎,得到复合色料前驱体粉末,粉末粒度分布范围为128~277nm;将粉末置于温度为800℃的马弗炉中煅烧2h,得到云母/钛镍黄复合色料。
实施例2
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛钴紫负载于金云母(M离子为Co),视觉颜色为紫色,近红外反射率为92.8%。
(1)将100g金云母粉(粒度为10~60μm)分散在300g水中,用介质搅拌磨机械激活剥片10min(转速为1000r/min);制得近红外反射率为99.56%且具有活性位点的高反射率云母浆料(固含量为25wt.%),所述高反射率云母的形貌参照图1,径厚比为(200~300)∶1,粒度为10~40μm。
(2)按照锑与钴的原子比为2∶1,钴的原子数量占钛原子数量的3%,称取9.9gSb2O3、9.5g七水硫酸钴、90.1gTiO2(锐钛矿型)和1g的NaF加300g水配成浆料(固含量为25wt.%);将浆料在介质搅拌磨中机械激活60min(转速为2500r/min),利用机械力化学作用将镍离子掺杂进入二氧化钛中,制得钛钴紫前驱体浆料。
(3)钛钴紫前驱体浆料与高反射率云母浆料按固含量质量比1∶1,将400g钛钴紫前驱体浆料(固含量为25wt.%)加入400g高反射率云母浆料(固含量为25wt.%)中混合均匀,在介质搅拌磨中进行机械力化学处理(处理时间为10min,转速为500r/min),得到云母原位负载钛钴紫前驱体的复合色料前驱体浆料。
(4)将步骤(3)得到的复合色料前驱体浆料在70℃干燥12h,破碎,得到复合色料前驱体粉末,粉末粒度分布范围为128~277nm;将粉末置于温度为800℃的马弗炉中煅烧2h,得到云母/钛钴紫复合色料。
实施例3
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛铬棕负载于金云母(M离子为Cr),视觉颜色为棕红色,近红外反射率为88.8%。
(1)将100g金云母粉(粒度为10~60μm)分散在300g水中,用介质搅拌磨机械激活剥片10min(转速为1000r/min);制得近红外反射率为99.56%且具有活性位点的高反射率云母浆料(固含量为25wt.%),所述高反射率云母的形貌参照图1,径厚比为(200~300)∶1,粒度为10~40μm。
(2)按照锑与铬的原子比为2∶1,铬的原子数量占钛原子数量的3%,称取9.9gSb2O3、 8.5g六水硫酸铬、90.1gTiO2(锐钛矿型)、和1g的NaF加300g水配成浆料(固含量为25wt.%);将浆料在介质搅拌磨中机械激活60min(转速为2500r/min),利用机械力化学作用将铬离子掺杂进入二氧化钛中,制得钛铬棕前驱体浆料。
(3)钛铬棕前驱体浆料与高反射率云母浆料按固含量质量比1∶1,将400g钛铬棕前驱体浆料(固含量为25wt.%)加入400g高反射率云母浆料(固含量为25wt.%)中混合均匀,在介质搅拌磨中进行机械力化学处理(处理时间为10min,转速为500r/min),得到云母原位负载钛铬棕前驱体的复合色料前驱体浆料。
(4)将步骤(3)得到的复合色料前驱体浆料在70℃干燥12h,破碎,得到复合色料前驱体粉末,粉末粒度分布范围为128~277nm;将粉末置于温度为800℃的马弗炉中煅烧2h,得到云母/钛铬棕复合色料。
对比例1
物理混合法制备复合色料。
对比例1制备的色料,钛镍黄与金云母简单混合(M离子为Ni),视觉颜色为浅黄色,近红外反射率为84.7%。
(1)按照锑与镍的原子比为2∶1,镍的原子数量占钛原子数量的3%,称取9.9gSb2O3、 8.9g六水硫酸镍、90.1gTiO2(锐钛矿型)和1g的NaF加300g水配成浆料(固含量为25wt.%);将浆料在介质搅拌磨中机械激活60min(转速为2500r/min),利用机械力化学作用将镍离子掺杂进入二氧化钛中,制得钛镍黄前驱体浆料。
(2)步骤(1)得到的钛镍黄前驱体浆料干燥,破碎,得到钛镍黄前驱体粉末;将粉末置于温度为800℃的马弗炉中煅烧2h,得到钛镍黄色料。
(3)把步骤(2)得到的100g钛镍黄色料加300g水配置成固含量为25wt.%的悬浮液,得到钛镍黄色料悬浮液。
(4)将100g金云母粉(粒度为10~60μm)分散在300g水中,用介质搅拌磨机械激活剥片10min(转速为1000r/min);制得近红外反射率为99.56%且具有活性位点的高反射率云母浆料(固含量为25wt.%),所述高反射率云母的形貌参照图1,径厚比为(200~300)∶1,粒度为10~40μm。
(5)钛镍黄色料悬浮液与高反射率云母浆料按固含量质量比1∶1,将步骤(3)得到的 400g钛镍黄色料悬浮液(固含量为25wt.%)加入步骤(4)得到的400g高反射率云母浆料(固含量为25wt.%)中混合均匀,在介质搅拌磨中进行机械力化学处理(处理时间为10min,转速为500r/min),得到物理混合法制备的复合色料浆料。
(6)将步骤(5)得到的物理混合法制备的复合色料浆料在70℃干燥12h,破碎,得到物理混合法制备的色料。
实施例4
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为黄色,近红外反射率为94.8%。
(1)同实施例1的步骤(1);
(2)同实施例1的步骤(2);
(3)钛镍黄前驱体浆料与高反射率云母浆料按固含量质量比1∶0.6,将400g钛镍黄前驱体浆料(固含量为25wt.%)加入240g高反射率云母浆料(固含量为25wt.%)中混合均匀,在介质搅拌磨中进行机械力化学处理(处理时间为10min,转速为1000r/min),得到云母原位负载钛镍黄前驱体的复合色料前驱体浆料。
(4)将步骤(3)得到的复合色料前驱体浆料在50℃干燥10h,破碎,得到复合色料前驱体粉末,粉末粒度分布范围为128~277nm;将粉末置于温度为800℃的马弗炉中煅烧2h,得到云母/钛镍黄复合色料。
实施例5
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为黄色,近红外反射率为95.3%。
(1)同实施例1的步骤(1);
(2)同实施例1的步骤(2);
(3)钛镍黄前驱体浆料与高反射率云母浆料按固含量质量比1∶0.8,将400g钛镍黄前驱体浆料(固含量为25wt.%)加入320g高反射率云母浆料(固含量为25wt.%)中混合均匀,在介质搅拌磨中进行机械力化学处理(处理时间为10min,转速为1000r/min),得到云母原位负载钛镍黄前驱体的复合色料前驱体浆料。
(4)将步骤(3)得到的复合色料前驱体浆料在60℃干燥10h,破碎,得到复合色料前驱体粉末,粉末粒度分布范围为128~277nm;将粉末置于温度为800℃的马弗炉中煅烧2h,得到云母/钛镍黄复合色料。
实施例6
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为浅黄色,近红外反射率为97.9%。
(1)同实施例1的步骤(1);
(2)同实施例1的步骤(2);
(3)钛镍黄前驱体浆料与高反射率云母浆料按固含量质量比1∶1.5,将400g钛镍黄前驱体浆料(固含量为25wt.%)加入600g高反射率云母浆料(固含量为25wt.%)中混合均匀,在介质搅拌磨中进行机械力化学处理(处理时间为10min,转速为500r/min),得到云母原位负载钛镍黄前驱体的复合色料前驱体浆料。
(4)将步骤(3)得到的复合色料前驱体浆料在80℃干燥18h,破碎,得到复合色料前驱体粉末,粉末粒度分布范围为128~277nm;将粉末置于温度为800℃的马弗炉中煅烧2h,得到云母/钛镍黄复合色料。
实施例7
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为浅柠檬黄色,近红外反射率为98.6%。
(1)同实施例1的步骤(1);
(2)同实施例1的步骤(2);
(3)钛镍黄前驱体浆料与高反射率云母浆料按固含量质量比1∶2,将400g钛镍黄前驱体浆料(固含量为25wt.%)加入800g高反射率云母浆料(固含量为25wt.%)中混合均匀,在介质搅拌磨中进行机械力化学处理(处理时间为30min,转速为1500r/min),得到云母原位负载钛镍黄前驱体的复合色料前驱体浆料。
(4)将步骤(3)得到的复合色料前驱体浆料在70℃干燥12h,破碎,得到复合色料前驱体粉末,粉末粒度分布范围为128~277nm;将粉末置于温度为800℃的马弗炉中煅烧2h,得到云母/钛镍黄复合色料。
实施例8
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为浅黄色,近红外反射率为96.1%。
(1)同实施例1的步骤(1);
(2)按照锑与镍的原子比为1∶1,镍的原子数量占钛原子数量的1%,称取1.8gSb2O3、 3.2g六水硫酸镍、98.2gTiO2(锐钛矿型)和1g的NaF加300g水配成浆料(固含量为25wt.%);将浆料在介质搅拌磨中机械激活120min(转速为1000r/min),利用机械力化学作用将镍离子掺杂进入二氧化钛中,制得钛镍黄前驱体浆料。
(3)同实施例1的步骤(3);
(4)同实施例1的步骤(4)。
实施例9
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为黄绿色,近红外反射率为92.1%。
(1)同实施例1的步骤(1);
(2)按照锑与镍的原子比为3∶1,镍的原子数量占钛原子数量的5%,称取21.5gSb2O3、 12.9g六水硫酸镍、78.5gTiO2(锐钛矿型)和1g的NaF加300g水配成浆料(固含量为25 wt.%);将浆料在介质搅拌磨中机械激活30min(转速为3000r/min),利用机械力化学作用将镍离子掺杂进入二氧化钛中,制得钛镍黄前驱体浆料。
(3)同实施例1的步骤(3);
(4)同实施例1的步骤(4)。
实施例10
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为柠檬黄色,近红外反射率为96.5%。
(1)将100g金云母粉(粒度为10~60μm)分散在900g水中,用介质搅拌磨机械激活剥片10min(转速为500r/min);制得近红外反射率为98.62%且具有活性位点的高反射率云母浆料(固含量为10wt.%),所述高反射率云母的形貌参照图1,径厚比为(200~300)∶ 1,粒度为10~40μm。
(2)按照锑与镍的原子比为2∶1,镍的原子数量占钛原子数量的3%,称取9.9gSb2O3、8.9g六水硫酸镍、90.1gTiO2(锐钛矿型)和1g的NaF加900g水配成浆料(固含量为10wt.%);将浆料在介质搅拌磨中机械激活60min(转速为2500r/min),利用机械力化学作用将镍离子掺杂进入二氧化钛中,制得钛镍黄前驱体浆料。
(3)钛镍黄前驱体浆料与高反射率云母浆料按固含量质量比1∶1,将400g钛镍黄前驱体浆料(固含量为10wt.%)加入800g高反射率云母浆料(固含量为10wt.%)中混合均匀,在介质搅拌磨中进行机械力化学处理(处理时间为10min,转速为500r/min),得到云母原位负载钛镍黄前驱体的复合色料前驱体浆料。
(4)同实施例1的步骤(4)。
实施例11
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为柠檬黄色,近红外反射率为96.8%。
(1)将100g金云母粉(粒度为10~60μm)分散在150g水中,用介质搅拌磨机械激活剥片40min(转速为2500r/min);制得近红外反射率为98.73%且具有活性位点的高反射率云母浆料(固含量为40wt.%),所述高反射率云母的形貌参照图1,径厚比为(200~300)∶1,粒度为10~40μm。
(2)按照锑与镍的原子比为2∶1,镍的原子数量占钛原子数量的3%,称取9.9gSb2O3、 8.9g六水硫酸镍、90.1gTiO2(锐钛矿型)和1g的NaF加150g水配成浆料(固含量为40wt.%);将浆料在介质搅拌磨中机械激活60min(转速为2500r/min),利用机械力化学作用将镍离子掺杂进入二氧化钛中,制得钛镍黄前驱体浆料。
(3)同实施例1的步骤(3);
(4)同实施例1的步骤(4)。
实施例12
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为柠檬黄色,近红外反射率为94.7%。
(1)同实施例1的步骤(1);
(2)按照锑与镍的原子比为2∶1,镍的原子数量占钛原子数量的3%,称取9.9gSb2O3、 8.9g六水硫酸镍、90.1gTiO2(锐钛矿型)和0.5g的硼酸加300g水配成浆料(固含量为25 wt.%);将浆料在介质搅拌磨中机械激活60min(转速为2500r/min),利用机械力化学作用将镍离子掺杂进入二氧化钛中,制得钛镍黄前驱体浆料。
(3)同实施例1的步骤(3);
(4)将步骤(3)得到的复合色料前驱体浆料在70℃干燥12h,破碎,得到复合色料前驱体粉末,粉末粒度分布范围为128~277nm;将粉末置于温度为900℃的马弗炉中煅烧1h,得到云母/钛镍黄复合色料。
实施例13
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为黄绿色,近红外反射率为95.6%。
(1)同实施例1的步骤(1);
(2)按照锑与镍的原子比为2∶1,镍的原子数量占钛原子数量的3%,称取9.9gSb2O3、 8.9g六水硫酸镍、90.1gTiO2(锐钛矿型)和5g的硼酸加300g水配成浆料(固含量为25wt.%);将浆料在介质搅拌磨中机械激活60min(转速为2500r/min),利用机械力化学作用将镍离子掺杂进入二氧化钛中,制得钛镍黄前驱体浆料。
(3)同实施例1的步骤(3);
(4)将步骤(3)得到的复合色料前驱体浆料在70℃干燥12h,破碎,得到复合色料前驱体粉末,粉末粒度分布范围为128~277nm;将粉末置于温度为850℃的马弗炉中煅烧2h,得到云母/钛镍黄复合色料。
实施例14
制备高近红外反射率复合无机色料,复合无机色料为钛镍黄负载于金云母(M离子为Ni),视觉颜色为黄色,近红外反射率为94.4%。
(1)同实施例1的步骤(1);
(2)按照锑与镍的原子比为2∶1,镍的原子数量占钛原子数量的3%,称取9.9gSb2O3、 8.9g六水硫酸镍、90.1gTiO2(锐钛矿型)和0.5g的硼酸加300g水配成浆料(固含量为25 wt.%);将浆料在介质搅拌磨中机械激活60min(转速为2500r/min),利用机械力化学作用将镍离子掺杂进入二氧化钛中,制得钛镍黄前驱体浆料。
(3)同实施例1的步骤(3);
(4)将步骤(3)得到的复合色料前驱体浆料在70℃干燥12h,破碎,得到复合色料前驱体粉末,粉末粒度分布范围为128~277nm;将粉末置于温度为900℃的马弗炉中煅烧3h,得到云母/钛镍黄复合色料。
1.扫描电子显微镜表征分析
采用日立公司生产的SU8220SEM型扫描电子显微镜观察金云母原料、实施例1以及对比例1,其加速电压为10kV。如图1所示,图1展示了高反射率云母平整的表面形貌。图2 为对比例1的扫描电子显微镜图片,可以观察到采用物理混合法制备的色料中,云母基底与钛基色料为简单结合,粉料之间因密度不同而分离甚至分层,难以得到均匀负载的复合色料。而实施例1原位法制备的复合色料中,钛镍黄颗粒均匀分布在云母片层表面。实施例1中(图3、图4可见),钛镍黄原料经MC处理激活后,与云母混合并进行MC作用,使钛镍黄前驱体颗粒负载于片状云母表面,并形成稳定的结合键。在助剂的助烧作用下,色料颗粒经800℃煅烧,晶相从锐钛矿型完全转变为金红石型。
2.X射线衍射(XRD)衍射表征分析
样品的XRD图谱由X'PertPro型X射线衍射仪(帕纳科公司,荷兰)测试得到,测试步长为:0.033°/s,扫描角度为5~80°。
结果如图5所示,与金云母原料相比,实施例1-3中,片状云母的整体峰强度降低,但 (001)衍射峰相比于(003)衍射峰相对明显增强,说明经过MC处理,云母沿着层间剥离解离,产生更多表面反射层。也可以看到实施例1-3中,TiO2的衍射峰均表明复合色料为金红石型结构,没有锐钛矿杂相,表明云母表面钛基色料均为纯金红石型结构。
3.近红外反射测试
采用美国PerkinElmer有限公司生产的LAMBDA950型紫外可见近红外光谱仪(UV-VIS-NIR)测量样品的漫反射光谱,扫描波长范围为750~2500nm,步长为5nm,测试参照对比材料为BaSO4白板。样品的近红外反射率(R)由下式计算得出:
式中λ为扫描波长(nm),dλ为对波长λ的微分,r(λ)为光谱反射率(Wm-2),i(λ)为由美国测试和材料协会(ASTM)标准G159-98获得的标准太阳光谱(Wm-2nm-1)。
由图6的漫反射曲线可知,实施例1制得的云母/钛镍黄复合色料(负载钛镍黄的片状云母)具有高近红外反射性能(反射率为97%)。实施例2以及实施例3制得的原位法复合色料近红外反射性能略低,这与掺杂的呈色离子种类不同有关。不同钛基色料对光的选择性吸收、反射特性受其禁带宽度影响。对比例1中,采用物理混合法制备的色料近红外反射率为 84.7%,尤其在太阳辐射高能波段范围(750~1500nm)明显低于实施例1-3采用MC原位法制备的复合色料的近红外反射率。图7为实施例1、实施例4、实施例5、实施例6和实施例7制备的复合色料的近红外反射图。由图7的漫反射曲线可知,随着云母与钛基色料的配比变化,复合色料的近红外反射曲线有细微变化,但仍表现出较高的近红外反射率(≥92%)。当钛镍黄前驱体浆料与高反射率云母浆料按固含量质量比为1:2时,实施例7制备的云母/钛镍黄复合色料的近红外反射率为98.6%,略优于钛镍黄前驱体浆料与高反射率云母浆料按固含量质量比为1:1的实施例1制备的云母/钛镍黄复合色料的近红外反射率(97.7%),但是其视觉颜色呈现出浅柠檬黄色,在装饰性能上不如配比为1:1的实施例1制备的云母/钛镍黄复合色料的视觉颜色(柠檬黄色),同理实施例6制备的云母/钛镍黄复合色料的视觉颜色为浅黄色,在装饰性能上也不如配比为1:1的实施例1制备的云母/钛镍黄复合色料的视觉颜色(柠檬黄色)。
4.涂覆隔热性能实验
按照《建筑用反射隔热涂料》(GBT25261~2010)09标准制备了反射隔热涂层测试板。将实施例1-3制备的高近红外反射复合色料样品和对比例1制备的色料样品与醇酸树脂按照 1∶1的质量比进行混合,然后使用PVC(聚氯乙烯)刮刀将其均匀涂覆在规格为8cm×10cm 的平滑铝板上,得到反射隔热涂层样品。将反射隔热涂层样品置于室温下自然干燥,干燥完成后涂层厚度约为60~70μm。
采用红外加热灯以及采用美国FLIRSystems公司生产的FLIRC2型便携式红外热像仪测试和评估色料涂层的隔热性能。用红外线灯泡照射涂覆了各种反射隔热涂层的铝板,热像图中左上角展示了图中中心环位置所监测得到的温度,反映了测试涂层表面温度的相对高低。
图8-11为对比了涂覆了实施例1、实施例2、实施例3和对比例1色料的铝板受红外灯照射20min后的红外成像图。由图8-11可知,MC原位法制备的高近红外反射复合色料隔热效果优于对比例1物理混合法制备的色料。实施例1-3MC原位法制备的高近红外反射复合色料涂覆铝板表面温度在41.9℃~49.4℃之间,优于对比例1物理混合法制备色料的隔热性能 (51.3℃)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高近红外反射复合色料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)称取云母粉并分散在水中,进行机械激活剥片处理,制得高反射率云母浆料;
(2)将含锑原料、含金属元素M原料和二氧化钛加水配成浆料,加入助剂,进行机械激活处理,制得钛基色料前驱体浆料;
(3)将步骤(2)中所述钛基色料前驱体浆料加入步骤(1)中所述高反射率云母浆料中,进行机械力化学处理,得到复合色料前驱体浆料;
(4)将步骤(3)中所述复合色料前驱体浆料干燥,破碎,煅烧,得到原位复合的高近红外反射复合色料。
2.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述云母为金云母、绢云母、白云母、锂云母、黑云母中的至少一种,粒度在10~200μm,所述高反射率云母浆料的固含量为10wt.%~40wt.%。
3.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述机械激活剥片处理通过介质搅拌磨实现,所述机械激活剥片处理的条件为:转速500~2500r/min,时间10~40min;得到的高反射率云母浆料的径厚比为(150~300)∶1,粒度为10~40μm,近红外反射率在98.50%~99.99%之间。
4.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述二氧化钛为锐钛矿型二氧化钛或金红石型二氧化钛中的至少一种;所述含金属元素M原料为Ni,Co,Cr的硫酸盐;含锑原料为氧化锑、氯化锑;助剂为氟化钠、氟化锂、氟化钾、氯化锂、氯化钾、硼酸中的至少一种;助剂的添加量为钛基色料前驱体浆料固含量的0.5wt.%~5.0wt.%;含锑原料中的锑与含金属元素M原料中的M的原子比为(1~3)∶1;含金属元素M原料中的M的原子数占钛原子数量的1%~5%。
5.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述机械激活处理通过介质搅拌磨实现;机械激活处理条件为:转速1000~3000r/min,时间30~120min;得到钛基色料前驱体浆料固含量为10wt.%~40wt.%。
6.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,步骤(3)所述钛基色料前驱体浆料与所述高反射率云母浆料按固含量质量比1∶(0.6~2)配比。
7.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,步骤(3)所述机械力化学处理通过介质搅拌磨实现;所述机械力化学处理条件为:转速500~1500r/min;时间10~30min。
8.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,步骤(4)中,所述干燥的温度为50~80℃,干燥的时间为10~18h;破碎得到的粉末粒度分布为100~300nm。
9.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,步骤(4)中,所述煅烧的温度为800~900℃,煅烧的时间为1~3h,煅烧的气氛为空气气氛。
10.权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到的一种高近红外反射复合色料。
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Title |
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张缇;王燕民;潘志东;: "机械激活制备硅酸锆包覆硫硒化锌隔热色料" * |
杜高翔,郑水林,李杨,四季春: "用搅拌磨制备超细粉体的试验研究" * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN114907706B (zh) | 2023-06-20 |
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