中空二氧化鈦微球的制備及其在隔熱涂料中的作用

張變芳，　沈英明，　曹東升，　李　勇

(1.石家莊鐵道大學 數(shù)理系，河北 石家莊　050043；2.石家莊鐵道大學 科技處，河北 石家莊　050043；3.邯鄲鋼鐵集團責任有限公司設備制造有限公司, 河北 邯鄲　056015)

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中空二氧化鈦微球的制備及其在隔熱涂料中的作用

張變芳1，沈英明2，曹東升3，李勇3

(1.石家莊鐵道大學 數(shù)理系，河北 石家莊050043；2.石家莊鐵道大學 科技處，河北 石家莊050043；3.邯鄲鋼鐵集團責任有限公司設備制造有限公司, 河北 邯鄲056015)

二氧化鈦是一種重要的無機功能材料。將高反射中空二氧化鈦加入涂料中，合成反射型隔熱涂料。涂料性能測試，包括耐候性、耐水性、耐熱性、耐堿性以及力學性能。本文的重點在于利用中空二氧化鈦增強涂料的熱反射能力，從而實現(xiàn)隔熱目的。

涂料；二氧化鈦；隔熱性能

0　引言

近年來，納米二氧化鈦材料已經(jīng)被廣泛應用于許多領(lǐng)域，包括能源、化工、冶金、光催化材料、太陽能的儲存與利用、光化學轉(zhuǎn)換和精細陶瓷等方面，所以，合成納米二氧化鈦已成為人們關(guān)注的熱點[1-3]。經(jīng)過改性以后的二氧化鈦納米微粉、納米管、納米棒等形貌早在10年前就已經(jīng)研制成功[4]，其中空心結(jié)構(gòu)納米二氧化鈦作為一種新型材料，具有低密度、高比表面積和較強的熱反射能力等。

由于地球的不斷變暖，過量的太陽熱輻射和強烈的城市熱島效應，使得開發(fā)高檔隔熱涂料成為涂料發(fā)展的一個重要方向。我們利用納米中空二氧化鈦降低涂料的熱傳導能力，增強涂料的熱反射能力，從而實現(xiàn)隔熱目的。

涂料的性能測試，一般包括耐候性、耐水性、耐熱性、耐堿性以及力學性能[5]。

對于納米中空二氧化鈦微球，我們測試了XRD和SEM。合成涂料以后，我們測試了耐候性、耐水性、耐熱性、耐堿性以及力學性能。

1　實驗

1.1中空二氧化鈦的制備

所用試劑有NaBF4，TiCl3，H2O2。

將0.006 mol的NaBF4，0.012 mol的TiCl3，0.03 mol的H2O2加入去離子水中分別制成溶液，然后，一邊緩慢攪拌一邊將后兩種溶液添加到NaBF4溶液中，得到澄清溶液，將其裝入不銹鋼反應釜中，反應釜內(nèi)裝有聚四氟乙烯內(nèi)襯，密封后放入烘箱中，在200 ℃保溫12 h，自然冷卻到室溫后再用去離子水反復清洗所得沉淀物，通過離心分離，接著在100 ℃下烘干，最終得到納米中空二氧化鈦微球。

1.2調(diào)漆配制成品

涂料的基本配方如表1所示。首先，按基本配方配成均勻液體，然后，不斷低速攪拌并緩慢加入中空二氧化鈦，直到均勻分散進入溶液，然后添加余水。

表1　基本配料

由于研制的隔熱涂料主要用于各種隔熱材料的外表，因此，所需的成膜基料不僅要具備很強的粘接力和耐水性以及很好的耐候性，另外，所需樹脂對太陽能的吸收率應該低，因此，選擇反射率較高的TBH乳液作為成膜基料。

制備隔熱涂料的工藝流程圖見圖1。

圖1　工藝流程圖

2　實驗結(jié)果分析

2.1二氧化鈦的測試性能

圖2為納米中空二氧化鈦X衍射圖譜。從圖2中可以看到，屬于金紅石型結(jié)構(gòu)。

圖2　二氧化鈦X衍射圖譜

圖3　中空二氧化鈦SEM圖譜

圖3為納米中空二氧化鈦微球的SEM圖譜。由圖3可知，有個別微球裂開，顯示確實為中空結(jié)構(gòu)，而且，粒徑小于200 nm，這樣，氣孔內(nèi)的氣體失去自由運動能力，只在其平衡位置附近振動，這樣，其熱傳導能力就似真空狀態(tài)一樣，只有反射傳熱，而無對流傳熱。將這種高反射納米中空二氧化鈦微球加入涂料中，合成反射型隔熱涂料。

2.2涂料隔熱性能試驗

圖4為隔熱儀示意裝置，用它對涂層進行隔熱效果進行表征。

選擇具有一定保溫作用的微孔硅酸鈣板作為隔熱測試裝置的基材，首先對基材進行表面處理，接著涂膜，即將含有中空二氧化鈦的隔熱涂料均勻涂在硅酸鈣板上，干膜厚度控制在為0.4～0.5 μm，用隔熱儀測試其隔熱效果。

按照JG/T235—2008要求的標準選擇照明光源， 300 W的紅外燈合適，保持燈泡底端與隔熱樣板距離約為30 cm。隔熱測試條件為恒溫恒濕，其中溫度為(20±2)℃，濕度為45%±2%。

首先測量空白硅酸鈣板的溫度，再測量涂有隔熱涂料的硅酸鈣板上表面溫度、背面溫度以及箱體內(nèi)部空氣的溫度。

測量結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著納米中空二氧化鈦微球在鈦白粉中含量的增加，涂層的隔熱溫差逐漸增大，含量為20%時溫差達到13 ℃，以后雖然仍在增加，但是增加趨勢逐漸減緩。這樣，確定納米中空二氧化鈦微球在鈦白粉中的含量20%為最佳。

圖4　隔熱儀示意圖

圖5　中空二氧化鈦對涂層隔熱效果的影響

2.3隔熱涂料檢驗結(jié)果

產(chǎn)品送河北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院檢測，涂料性能測試達到的主要技術(shù)指標：

隔熱性：使用此反射型隔熱涂料的室內(nèi)溫度低于不使用此涂料的室內(nèi)溫度5 ℃。

涂膜：均勻，外觀無針孔、掛流。

涂層耐溫變性：5次循環(huán)無異常。

耐水性：96 h無異常。

耐堿性：48 h無異常。

耐洗刷性：大于2 000次。

太陽反射比：(白色)大于等于0.8。

3　結(jié)語

利用有NaBF4、TiCl3和H2O2制備出納米中空二氧化鈦微球，此中空微球?qū)儆诮鸺t石型結(jié)構(gòu)。把它加入涂料中，合成反射型隔熱涂料，增強了涂料的熱反射能力，其隔熱效果顯著，達到預期目的。

[1]陳春云，姚堯，吳永偉，等．負離子涂料的制備及其抗菌性能[J]．中山大學學報:自然科學版, 2007, 46(S1): 171-172.

[2] LEI Y．Effect of SiO2protective layer on the femtosecond laser-induceddamage of HfO2/SiO2multilayer high-reflective coating [J]．Applied Surface Science，2007，253(7): 3450-3455.

[3] 雷閆盈，俞行. 均勻沉淀法制備納米TiO2的研究[J].化工進展, 2003, 22(1): 53-55.

[4] 周樹學，武利民. 納米涂料制備技術(shù)及其系列化產(chǎn)品研究開發(fā)[J].材料導報, 2002, 16(3): 41-43.

[5] 徐瑞芬，劉曉玲. 納米層包裹TiO2粒子復合乳膠涂料的光催化和耐老化性能研究[J].化工新型材料, 2006, 24 (2): 34-36.

The Preparation of Hollow Titanium Dioxide and its Role in Heat Insulation Coating

Zhang Bianfang1，Shen Yingming2,Cao Dongsheng3,Li Yong3

(1.Department of Mathematics and Physics, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China；2.Administration of Science and Technology, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China；3.Equipment Manufacture Company, Handan Steel Group, Ltd., Handan 056015, China)

Titanium dioxide is a kind of important inorganic functional materials. The high reflective hollow titanium dioxide was added to coating, synthetizing reflective thermal insulation coatings. Performance was tested of coatings, including insulation, weather resistance, water resistance, heat resistance, alkali resistance and mechanical properties. The focus of this thesis was to enhance heat reflection by using hollow titanium dioxide coatings in order to achieve the adiabatic goal.

coatings;titanium dioxide;heat insulation performance

2015-03-26責任編輯:劉憲福DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.18

河北省教育廳自然科學重點項目(ZD20131012)；河北省自然科學基金(A2014210025)；石家莊市科技局技術(shù)應用課題(11107301A)

張變芳(1967-)，女，碩士，教授，研究方向為納米材料。E-mail：zhbf2006@163.com

TQ637

A

2095-0373(2016)03-0101-04

張變芳，沈英明,曹東升，等.中空二氧化鈦微球的制備及其在隔熱涂料中的作用[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2016,29(3):101-104.